Instituto Nacional de Ecología Libros INE , CLASIFICACION AE 004408 LIBRO Determinación de los Factores de Emisión de Partículas, Compuestos de Azufre y Nitrógeno Monóxido de Carbono e Hidrocarburos totales para Ramas Industriales Prioritarias TOMO 111111111111110111111111111111111111111111111111111111 AE 004408 Ur-REMO Y ECOLOGIIA SECRETARM EGOT--OG .IIA SUBSECRE:Tz%MA DIIRI'CCOOn GZKZ -RAL DE L'10RM/Zi-ND D ECOLOGIGA INSTITUTO NACIONAL DE ECOLOGIA BIBLIOTEC .A DETERMINACION DE LOS FACTORES DE E'11SION DE PARTICULAS, COMPUESTOS DE AZUFRE Y NITROGENO, MONOXIDO DE CARBONO E HIDROCARBUROS TOTALES PARA RAPAS INDUSTRIALES PRIORITARIAS _ CORPORACION INTER NACIONAL . TEC NOCONSULT Iir'STI' I'UTO Ir1A(:. T DE `^: ;~L L'.Cggt"_,~~rG .x :~ ~11OTECA C O N T E N I D O LA INDUSTRIA DE LOS FERTILIZANTES. LA INDUSTRIA CEMENTERA. LA INDUSTRIA DEL VIDRIO. LA INDUSTRIA DE LA CELULOSA Y EL PAPEL. PROCESOS METALURGICOS. COMBUSTION INDUSTRIAL . INS'1'1'1'tJTG NACIONAL DE ECOLOGIA B-I-B LIOTEC A LA INDUSTRIA DE LOS FERTILIZANTES C O N T E N I D O 1. Consideraciones Generales. 2. Descripción de los Procesos. 3. Emisiones a la Atmósfera. 4. Factibilidad Técnico-Económica de Reducción de Emisiones. 5. Reglamentación de Emisiones . :,ICO '4At .,t©1 ;AL i,iiu ECOLOGIA _ ._ g r ~vBIBL1O~ l ~EC LA INDUSTRIA DE LOS FERTILIZANTES 1 . CONSIDERACIONES GENERALES. En México, por ley, la producción de fertilizantes está reservada en forma exclusiva al Estado, el cual realiza esta función a travé.s de Fertilizantes Mexicanos (Fertimex). De acuerdo con las necesidades nacionales Fertimex prod=,ce, en sÚsinstalaciones ubicadas en diversas entidades del pais: - Superfosfato triple'. - Superfosfato simple - Urea - Sulfato de amonio - Nitrato de amonio Fosfato de amonio. En general los procesos productivos de estos fertilizantes origi-' nan emisiones contaminantes a la atmósfera, tanto de polvos como de diversos gases (SO x , NO x ), las cuales requieren ser controladas utilizando los equipos de control más eficientes. A fin de establecer los valores de emisión máxima permitida para este ramo industrial, en el presente estudio se analizan los procesos productores, sus emisiones sin control, nico-económica de control y la factiLili .dad téc la legislación internacional en la ma teria, estableciendo como conclusión de este análisis el rango de valores de emisión adecuado para México . . ` !1 ¡- . '.•Í : , .i WA '1 ~ .. ~ •- _ . :~ :.~ " . . ."LIOTECA bib 2 . DESCRIPCION DE LOS PROCESOS . 2 .1 Superfosfato triple (Proceso Dorr—Oliver). El objetivo de este proceso es el obtener un compuesto de fós foro en estado sólido, con un contenido equimolecular de áci .do ortofosfórico y óxido de calcio con un 46% de valor ferti lizante en términos de P 2 0 5 disponible. El proceso de producción (Fig . 2 .1) parte de roca fosfórica molida con una finura de 200 mallas, el cual se trata con ácido fosfórico con una concentración de 40% en P 2 0 5 de acuerdo con la reacción: Ca 3 (PO 4 ) 2 + 41-1 3 13 0 4 + H 2 0 3 CA H 4 (PO 4 ) 2 H 2 0 Esta reacción s .e Ileva a cabo en un reactor donde se agrega el ácido fosfórico en cantidad suficiente para producir la — relación necesaria de pentóxido de fósforo — a óxido de calcio de 2 .2 a 1 ; la cantidad neta de ácido se determina en base a la concentración de pentóxido de fósforo en el lodo obtenido que debe conservarse en un 40%. La reacción se efectúa con vapor directo para mantener la temperatura entre 82 y 93 2 C ; el vapor empleado se condensa y produce alguna dilución del producto. El producto obtenido se granula y se pasa a un secador rota— torio de donde se envía a cribado para su clasificación y (1 4) ( 9) (24) (20) (26) 7) (10) (27) f 4) (16) ~ %19) ~-~ < < 121) -~ ( n ( 2) 2')<< ► _lY r–_}- -' I ( 3) ( 1 3) i G22)-T- I LI,. L.,\ (25) (15) (17) 1 ( ( ( ( ( ( 1) ROCA MOLIDA 2) ter )EACTOR 3) 2 O ilr.ACTOR 4) MAH :uERA S) GRA , OLADOR 6) SEG.;DOFI ( 7) TR, `-'iSPORTADOR DE RECICLO A GRANU '.DOR ( 8) GF1'.' :I,ILAOOR 9) VI_F, ; EO (101 VEf) r;0 (I I) CICLS ;N DEL. SECADOR (12) TF1r,r , SPORTADOR DE ALIMENTACION A CRIItAS (13) ELEVADOR DEL SECADOR Fig . 2 .1 Producciánde Superfosfato Triple. (14) CICLON DE CRIBAS (IS) ELEVADOR DE RECICLO (16) CRIBA-A (17) TRANSPORTADOR DE RECICLO (18) PRIMER LAVADOR DEL SECADOR (19) CRIBA -B (20) PRIMER LAVADOR DE CRIBAS Y MOLINO 1211 CRIBA -C (22) CRIBA -D (23) MOLINOS 124) 2o . LAVADOR DE CRIBAS t MOLINOS 125) BY PASS DE RECICLO (26) 2o . LAVADOR OE SECADOR (27) DE COLECTORES DE POLVO, ELEVADORES TRANSPORTADORES ETC . eventualmente su molienda. El producto de la granulometria deseada se almacena para su envase y comercialización. 2 .2 Superfosfato simple. El objetivo de este proceso es el obtener un fertilizante lido con un contenido de pentóxido de fósforo entre 15 y só 21%. El proceso de producción (Fig . 2 .2) se basa en hacer reaccio nar roca fosfórica molida con ácido sulfúrico entre 65 y 75% de concentración . La mezcla reaccionante se mantiene en una área cerrada hasta que solidifica pasóndose a la zona de curado de donde se pasa a molienda y comercialización. 2 .3 Urea (Proceso Toyo Koatsu). El objetivo de este proceso es la obtención de urea grado fer tilizante con un 46% de nitrógeno. En el proceso se utilizan amoníaco líquido anhidro y bióxido de carbono los cuales reaccionan a alta presión y temperatúra (225 kg/cm2 y 190 4 C) para producir carbonato de amonio que, mediante deshidratación parcial se transforma en urea. Las reacciones que se llevan a cabo son: Para la formación del carbonato de amonio 2NH 3 + CO 2 ~- NH 2 O00NH 4 (1) Descarga de róca. (2) Tolva de roca. (3) Báscula. (4) Control de Acido. (5) Mezclador de cono. (6) Molino. (7) . Reactor. (8) Almacén de curado. (9) Pila dealmacenamiento. (10) Elevádbr. I,~: ;(1i) Cribas. I 1 (12) Molino . Roca Fosfórica ..4 .I 17( 'Producto Fig . 2 .2 Producción de Superfosfato Simple. _Para la producción de la urea NH NH 2 COONH 4 2 CONH 2 + H20 De las reacciones anteriores se obtiene una mezcla formada por urea, carbonato de amonio, agua, y amoníaco excedente. Los pasos siguientes en el . procesc serán encaminados a separar la urea del resto de los productos, a la recuperación de estos y por óltimo a concentrar la solución acuosa de urea y a la formación de los perdigones. Las primeras dos opéraciones se llevan a cabo en las secciones de descomposición y recuperación. La Solución que sale del reactor a 225 kg/cm 2 se pasa por una - serie de tres equipos denominados descompositor primario, descempositor secundario y separador de gases . Estos tres equipos son, én construcción y funcionamiento, completamente similares ; en -- en ellos se reduce la presión de la solución a 17 .2 y 0 .3 kg/cm 2 respectivamente ; esto, aunado a un precalentamiento de la solu-ción, hace que el carbamato de amonio se descomponga en amoníaco y bióxido de carbono. Estos gases salen por la parte superior de los equipos y son recuperados por el enfriador de alta presión, enfriador de baja -presión y condensador de gases, respectivamente, en los cuales dichos gases son enfriados y se forma carbamato de amonio, que es nuevamente alimentado al reactor . La solución que sale del último equipo de la sección de descomposición, .o sea del separador de gases, consiste en una-solución acuosa de urea con una concentración aproximada ' d-e 70%, que se envía a la sección de evaporación, . la-cual consta de un concentrador y un evaporador, equipos similares tanto en construcción como en la función que desempeñan . Aquí --la solución de urea es concentrada de tal manera que a la salida del evaporador se tiene un producto que consiste en 99% de urea, 0 .8% de biuret y 0 .2% de agua . Esta urea pasa a unas duchas que se encuentran en la parte superior de la'torre de aperdigonar, formando una lluvia de urea fundida que al caer a través de la torre se fragmenta en pequeñas gotas; estas se solidifican y por último caen a la parte inferior de la torre de aperdigonar en un colector en el que los perdigones de urea son enfriados por medio de aire en una cama fluidizada . De aquí la urea es enviada al almacén de produc to terminado y por último se procede a su envasado (Fig . 2 .3). 2 .4 Sulfato de amonio (Proceso Chemico). Este proceso tiene como objeto la producción de sulfato de amonio grado fertilizante : con un contenido de nitrógeno de 20 .5%. Las materias primas, ácido sulfúrico y amoníaco se hacen reac cionar en cristalizadores atmosféricos, de acuerdo con la reacción : ( 1) COMPRESORES AIRE PROCESO 12) SEPARADOR HUMEDAD ( 3) COMPRESOR CO2 4 ) SEPARADOR DE ACEITE ( 5) TANQUE CONDENSADO ALTA PRESION ( 6) REACTOR ( 7) PRECALENTADOR DE AMONIACO ( 8) BOMBAS AMONIACO ( 9 ) BOMBA CONDENSADO (10) PURGADOR INERTES (11) ABSORBEDOR (12 , DESCOMPOSITOR ALTA PRESION (13) ENFRIADOR SOLUCION AMONIACAL (14) SEPARADOR DE LIQUIDO ( 1 5) CONDENSADOR AMONIACO (16) RECIBIDOR AMONIACO (17) ENFRIADOR MEZCLADOR ;1n1 BOMBAS REFUERZO AMONIACO (19 ) DESCOMPOSITOR BAJA PRESION (20) ENFRIADOR ALTA PRESION (21) BOMBAS CIRCULACION CARBAMATO (22) SEPARADOR GASES (23) BOMBA ALIMENTACION AL CONCENTRADOR (24) BOMBAS SOLUCION RECOBRADA (<"5) ENFRIADOR BAJA PRESION (2(I) TANOUE COLCHON UREA (27) BOMBA TANQUE COLCHON UREA (28) BOMBA ABSORBENTE ALTA 11ESION (29) CONCENTRADOR . (30) BOMBA ABSORBENTE BAJA PRESION (31) CONDENSADOR GAS (32)SOPLAOOR TORRE APEROIGONAR (33) COLECTOR UREA A PERDI GONADA (34 ) CALENTADOR AIRE CONCENTRADOR (35) BOMBA ALIMENTACION AL EVAPORADOR (36) SOPLADOR AIRE CONCENTRADOR (37) EVAPORADOR (38) TORRE APERDIGONAR (39', BOMBAS RETORNO CONDENSADO (40) TANQUE CONDENSADO BAJA PRESION (41) BASCULA (42) REGADERAS TANQUE CABEZA (43) TANOUE CABEZA (43) COLADOR (45) CALENTADOR AIRE EVAPORADOR (46) SOPLADOR AIRE EVAPORADOR 46 ~.. c, 36 (7' 45 ~; 29 34 L.1 35 33 32 Frig . 2 .3 Producción de Urea 38 41 44 43 42 (NH4) 2NH 3 + H . SO .., 4 SO 4 Dichos cristalizadores donde se forma el sulfato de amonio se encuentran llenos con una solución sobresaturada del mismo con 50 a 60% de cristales . Esa solución se=está circulando constantemente mediante bombeo. El amoníaco y ácido sulfúrico introducidos se combinan entre sí para formar sulfato de amonio que sobresatura la solución, originando la formación constante de nuevos cristales. Las condiciones en que .se lleva a cabo la reacción y el-tiempo que tardan én sedimentarse los cristales hasta llegar al fondo del cristalizador determinan su forma y tara5o. El calor generado en la reacción se disipa en forma de calor latente en el vapor que se desprende juntamente con el aire introducido para agitar. El magma, formado por cristales y aguas madres se extraen por el fondo del cristalizador a las centrifugas y en estas se separan los cristales de las aguas madres . Las aguas madres van a un tanque de almacenamiento de donde se bombean para devolverlas al cristalizador. Los cristales que salen de la centrífuga pasan a un secador (y de aquí se transportan a la bodega . ('Fig . 2 .4) . VAPOR AGUAS MADRES CRISTALIZADOR CRISTAUZAOOP R SUIFURICO CENTRIFUGAS ACIDO SULFURICO VABOR SECADOR CAMARA OE COMBUSTION Fig . . 2 .4 Producción de Sulfato de Amonio . CICLON murar-DO 2 .5 Nitrato de amonio. El objeto de este proceso es obtener un fertilizante sólido con contenidos de nitrógeno entre 30 y 35%. El nitrató de amonio se obtiene haciendo reaccionar amoníaco con ácido nítrico pudiendo llevarse a cabo la .reacción' a-pre sión atmosférica o a presión (3 atm) y con temperaturas entre 130 y 180 Q C . Para obtener una solución de nitrato de amonio al 83% se requiere hacer reaccionar ácido nítrico concentra(56-60% en peso) con amoníaco gaseoso en proporción de 3 .55-3 .71 a uno en peso. A fin de obtener nitrato de amonio sólido, la solución se con centra hasta un 95 a 99 .5%, cristalizando 61 producto . También, la solución sobresaturada, con características de pasta, se puede solidificar por granulación o peletizado. Los gránulos se pueden someter a recubrimiento con óxido o nitrato de magnesio para evitar su aglomeración y lograr un me jor secado. El producto sólido es cribado y empacado para su venta . (Fig. 2 .5). 2 .6 Fosfato de amonio (proceso .Dorr-Oliver). El objeto de este proceso es obtener un fertilizante sólido. con 18% de nitrógeno y 46% de fósforo . 1.- Reactor. 2.- Concentrador. 3 .= Granulador. 4.- Recubrimiento de los gránulos. 5.- Empaque. Aditivos Amoniaco 1 2 Acido Nítrico Fig . 2 .5 Producción de Nitrato de Amonio . La producción del fosfato de amonio se basa en las reacciones entre ácido fosfórico y amoniaco gaseoso: NH 3 + H3P O 4 ' NH 4 'H 2 P O 4 + NH 3 NH4 H 2 PO 4 .~— (NH 4 ) HPO 4 De estas reacciones se obtiene una pasta de fosfato de amonio la cual se mezcla con gránulos del producto recirculados del granulador donde se agrega amoniaco suplementario . Posteriormente el producto se seca y se criba para su empaque y comercialización. Cabe señalar que la neutralización del ácido fosfórico en el preneutralizador y granulador disipa una importante cantidad de calor que a su vez produce vapor . Los gases de venteo conteniendo vapor y amoníaco del preneutralizador y granulador se lavan con ácido en un lavador ciclónico . De manera similar, el vapor del secador y el polvo del sistema de recu peración de polvos se lavan en el lavador Doyle . El amonía- co recuperadoy polvos se regresan al preneutralizador en la solución recuperada . (Fig . 2 .6) . AGUA OE POZO OE LA SECCION 200 0 H 1 P0. *Mr, O F DE LA SECCION 200 LAVADOR DOYLE 7J0 EXTRACTOR DE GASES DEL LAVADOR VENTURI CICLONICO 7111 f— H ;O. DB96 D~ LA SECCION SOS TOLVA OE GRUESOS 319 TOLVA DE r,•IOS S1 ♦ VENTILADOR DE POLVOS ]29 CICLONES DE POLVO 328 OU TRANSPORTADOR DE PRODUCTO 216 PULV ÉR 12 ADOREI . .~.~ SECADO ., DIESEL F.10LIN[1 oe N F.CL/1MACION CAMARA DE . COMBUSTION 300 310 O TANQUE OE IIEPr1OCESO 3S0 9 4 O ELEVADOR SECUNDARIO 323 ® 1 sñ -r ~—r_-•=r-~~~x—rT-_r~ .~--~~1 Tn N P .n,=~.% .~4!S-izz~c-x-•.-,--,-,-,- .-,- :--~--•-T-•~-,-rt- -r -.->r-~•~• $ r. : R- Fn FOSA DEL EXTREMO HUMERO" . Fig . 246 Producción de Fosfato de Amonio. ELEVADOR PRIMARIO 312 3 . EMISIONES A LA ATMOSFERA. 3 .1 Aspectos cualitativos. Todos los procesos descritos emiten, en mayor o menor grado 'diversos contaminantes a la atmósfera, destacando partículas' (fundamentalmente de roca fosfórica o de los diversos produc tos), amoníaco, fluoruros y óxidos de nitrógeno . (Fig . 3 .1 a 3 .6). 3 .2 Aspectos cuantitativos. Desde el punto de vista cuantitativo, las Tablas 3 .1 a 3 .6 presentan los factores de emisión, para los procesos descritos, publicados por la Environmental Protection Agency . ye los 'Estados Unidos . Estos valores representan emisiones sin control en instalaciones operando bajo condiciones normales de mantenimiento . La Tabla 3 .7 presenta los factores de emi sión integrados para las diversas plantas. Adicionalmente, la Tabla 3 .8 presenta otros' factores de emisión publicados en la literatura. 3 .3 Medicionales nacionales. Fertilizantes Mexicanos ha llevado a- :cabo diversas campañas de medición de algunos contaminantes emitidos en sus instala ci.ones . T (14) (20) (2 4) y ( 9) ( PART 7) (1n (1,,) I (22) 13) (15) II ( 1) !TOCA MOLIDA 12) ter REACTOR 3) 2 °REACTOR ( 4) MANGUERA ( 5) GRANULADOR ( 6) SECADOR 7) TRANSPORTADOR DE RECICLO A GRANULADOS ( 8) GRANULADOR ( 9) VENTEO (10) v ;, ITEO (11) CICLON DEL SECADOR (12) TRANSPORTADOR DE ALIMENTACION A CRIBAS (13) ELEVADOR DEL SECADOR (14) CICLON DE CRIBAS (15) ELEVADOR DE RECICLO ((6) CRIBA-A (17) TRANSPORTADOR DE RECICLO (18) PRIMER LAVADOR DEL SECADOR (19) CRIBA - ü (20) PRIMER LAVADOR DE CRIBAS Y MOLINO (2)) CRIBA -C (22) CRIBA-D (23) MOLINOS (24) 2o . LAVADOR DE CRIBAS t MOLINOS (25) üY PASS DE RECICLO 126) 2o . LAVADOR DE SECADOR (27) DE COLECTORES DE POLVO. ELEVADORES TRANSPORTADORES ETC. I Fig . 3 .1. Emisiones en la P (:lducción de Superfosfato Triple, f PART F Fig . 3 .2 Emisiones en la Producción de Superfosfato Simple . (17) ENFRIADOR MEZCLADOR (33) COLECTOR UREA A PERDIGONADA ' (' 1) COMPRESORES AIRE PROCESO ;18) BOMBAS REFUERZO AMONIACO (34) CALENTADOR AIRE CONCENTRADOR ( 2) SEPARADOR HUMEDAD (19) DESCOMPOSITOR BAJA PRESION ( 3) COMPRESOR CO 2 (35) BOMBA ALIMI=NTACION AL EVAPORADOR (20) ENFRIADOR ALTA PRESION (36) SOPLADOR AIRE CONCENTRADOR 1 4 ) SEPARADOR DE ACEITE BOMBASCIRCULACIONCARBAMATO (37) EVAPORADOR ( 5) TANQUE CONDENSADO ALTA PRESION (21) (22) SEPARADOR GASES (36) TORRE APERDIGONAR ( 6) REACTOR (23) BOMBA ALIMENTACION AL CONCENTRADOR (391 BOMBAS RETORNO CONDENSADO ( 7) PRECALENTADOR DE AMONIACO (24) BOMBAS SOLUCION RECOBRADA (40) TANQUE CONDENSADO BAJA PRESION ( B ) BOMBAS AMONIACO (25) ENFRIADOR BAJA PRESION ( 9) BOMBA CONDENSADO (41) BASCULA (26) TANQUE COLCHON UREA (42) FIEGADERASTANOUE CABEZA (10) PURGADOR INERTES (27) BOMBA TANOVE COLCHON UREA (43) TANOUECABEZA (11) ABSORBEDOR (26) BOMBA ABSORBENTE ALTA PRESION (43) COLADOR (12; DESCOMPOSITOR ALTA PRESION (29 )CONCENTRADOR (45) CALENTADOR AIRE EVAPORADOR (13) ENFRIADOR SOLUCION AMONIACAL (30) BOMBA ABSORBENTE BAJA PRESION (46) SOPLADOR AIRE EVAPORADOR (14) SEPARADOR DE LIQUIDO (31) CONDENSADOR GAS (15) CONDENSADOR AMONIACO (32)SOPLADOR TORRE A PEROIGONAR_ (16) RECIBIDOR AMONIACO ARi' \ ,rig . 3 .3 Emisiones en la Producción de Urea. VAPOR AGUAS MADRES CRISIALIZAOOR CRISTALIZADOR A B CENTRIFUGAS ACIDO SULFURICO CICLON NUMEDO CAMARA DE COMBUSTION Fig . 3 .4 Emisiones en la Producción de Sulfato de Amonio . PART NH 3 HNO 3 Amoniaco Acido Nitrico Fig . 3 .5 Emisiones en la Producci6nde Nitrato de Amonio . AOUA OE POZO OE LA SECCION 300 0 CNIMENEA DE EVACUACION SRl NIPO4.OxP f O. DE LA SECCION 300 it LAVADOR DOYLE 330 I1Yia.-'.1 1 .1+MI~ CAJA DISTRIBUIDORA 364 ELEVADOR PRIMARIO 312 VENTILADOR DE POLVOS :UD LAVADOR VENTURI CICLONICO PRENEUTRA LIZADOR 36 o •O ! 4NOUE 0 cot_ cc-ton -r) p ~ NN I LIQUIDO Q - 17-„.g.„g p .~_.._~ _ •t• O DIESEL -- 0 O •i o Rr TANQUE OE REPROCESO 360 ® A00 A HE p,_ e Q,- MOLINO OE R F.CLAMACION 310 CAMARA OE • COMBUSTION 300 _TñgF{; 0 ELEVADOR SECUNDARIO 373 FOSA DEL EXTREMO NUM E0O 364 ME J Fig . 3 .6 Emisiones en la Producción de Fosfato de Amonio. T A B L- A 3 .1 FACTORES DE EMISION EN EL . PROCESO DE SUPERFOSFATO TRIPLE Operación Emisiones' kg/ton . P 2 0 5 Descarga de la roca fosfórica Partículas 9 Alimentación de la roca fosfórica Partículas 2 Reactor, granulador, secador . , enfriador y Partículas 1 .6 cribado. Fluoruros 4 Curado Partículas 3 .3 Fluoruros 0 .7 FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors. AF-42, 4a . Edición, Sept . 1985. US Environmental Protection Agency . T A B L A 3 .2 FACTORES DE EMISION EN EL PROCESO DE PRODUCCION DE SUPERFOSFATO SIMPLE Emisiones kg/ton . Operación Descarga de Alimentación la roca fosfórica de la Mezclado y reacción Curado roca fosfórica Partículas 28 Partículas 6 Partículas 8 .7 Fluoruros 3 .3 Partículas 3 .6 Fluoruros 1 .9 FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors. AP-42, 4a . Edición, Sept . 1985. US Environmental Protection Agency. P2O5 T A B L A 3 .3 FACTORES DE . EMISION EN LA PRODUCCION DE UREA (KG/TON) Operación Partículas Amoníaco Formación de la solución y concentración 0 .0105 9 .12 Formación del granulado 1 .9 0 .43 Enfriador de granulado 3 .72 0 .0256 Empaque 0 .095 FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors. AP-42, 4a . Edición, Sept . 1985. US Environmental Protection Agency . 3 T A B L A - .4 FACTORES DE EMISION EN LA PRODUCCION DE SULFATO DE AMONIO Operación Secador rotatorio 23 kg particular/ton. Secador de lecho fluidizado 109 kg perticulas/ton. FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors. AP-42, 4a . Edición, Sept . 1985. US Environmental Protection Agency . T A B L A 3 .5 FACTORES DE EMISION EN LA PRODUCCION DE NITRATO DE AMONIO (KG/TON .) Operación Neutralizador Partículas 0 .045-43 Evaporación/concentración 0 .26 Amoniaco 0 .43-18 0 .27-16 .7 Solidificación - Torres de granulado 0 .46-1 .59 0 .13-28 .6 - Granulador rotatorio 146 29 .7 - Granulador plano 1 .34 0 .07 Enfriamiento y secado - Granulado previo en torre - Granulado en rotatorio - Granulado en plano Operaciones de recubrimiento 0 .8-57 .2 8 .1 18 .3 0 .02-1 .59 0 .59 0 menor de 2 Operaciones de carga a granel menor de 0 .01 FUENTE : Compilation of Air Polluntant Emission Factors. AP-42, 4a . Edición, Sept . 1985. US Environmental Protection Agency. Acido Nítrico 0 .840-20 - T A B L A 3 .6 FACTORES DE EMISION EN LA PRODUCCION DE FOSFATO DE AMONIO (KG/TON . P2 05 ) Operación Partículas Fluoruros Reactor/granulad . , r 15 .2 0 .4 Secador/'enfriador 15 . '0 0 .4 0 .6 0 .2 Cribado/manejo de materiales NOTA : Adicionalmente se presentan globalmente emisiones de amoniaco en el orden de 1 .4 kg/ton . P 2 05 . FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors. AP-42, 4a . Edición, Sept . 1985. US Environmental Protection Agency . T A B L A 3 .7 FACTORES DE EMISION INTEGRADOS POR PROCESO Superfosfato triple: Partículas Fluoruros 16 .0 kg/ton . P2 0 5 4 .7 kg/ton . P2 0 5 Partículas 46 .3 kg/ton . P 2 0 5 Fluoruros : 5 :02 kg/ton . P 2 0 5 Superfosfato simple : Urea. : Partículas 5 .73 kg/ton. urea Amoníaco' .. 9 .58 kg/ton . urea Sulfato de amonio (Granulador rotatorió): Partículas 23 kg/ton. Nitrato de amonio (Granulador rotatorio): Partículas Fosfato 154 .4-158 .7 kg/ton. Amoníaco 3 .1- 65 kg/ton. Acido nitríco 0 .84-20 kg/ton. de amonio: Partículas Amoníaco Fluoruros 75—06 kg/ton . P 2 0 5 7-1 .2 kg/ton . P2 O 5 0 .67-0 .15 kg/ton . P 2O 5 FJJENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors. ap-42, 4a . Edición, Sept . 1985. US . Environmental Protection Agency. TABLA 3 .8 FACTORES DE EMISION DE LA INDUSTRIA DE FERTILIZANTES SUPERFOSFATO TRIPLE Fluoruros (1) 05 . - 3 kg/ton P 2 05 SUPERFOSTAFO SIMPLE Fluoruros (2) Fluoruros (1) 3 g/m3 0 .4 - 4 kg/ton P20 5 FOSFATO DE AMONIO Fluoruros (1) Amoníaco (1) 0 .3 - 5 kg /tonp 2 05 1 .5 - 20 .5 kg/ton NITRATO DE ANTONIO Partículas (1) Partículas granulador (2) 2 .5 - 10 . kg /ton 2 kg/ton UREA Partículas (2) FUENTES 6 - 12 kg/ton : (1) Stern . Air Pollution Vol . IV 1977. (2) Parket . Industrial Air Pollution Handwork 1978 Así, la Tabla 3 .9 presenta los resultados de las mediciones . de amoníaco y neblinas de urea en la planta de este último producto ubicada en Camargo y la Tabla 3 .10 las mediciones de emisión de partículas en la planta de fertilizantes complejos de Minatitlán. 3 .4 Factores de emisión propuestos: De acuerdo con la información nacional disponible, en el caso de la producción de urea, las mediciones realizadas por Fertimex señalan emisiones de amoníaco en el concentrados de 13 .60 kg/ton . lo cual, comparado con el factor publicado por la EPA de 9 .12 kg/ton ., corres p onde a un 49% de emisión adi- cional. Por otra parte, en el caso del evaporador de la torre de gra nulado, la emisión nacional medida fue del_70 kg . de amonia- co/ton ., mientras que el factor publicado por EPA es-de sólo 0 .43 kg . de amoniaco/ton ., lo cual representa un exceso de 295%. En el caso de partículas (neblinas de urea), las mediciones de Fertimex dieron valores de emisión nacional con excesos - de 69% en el caso del evaporador de la torre de granulado. Lo anterior hace ver que las emisiones en instalaciones nacionales serán superiores a los valores establecidos en la literatura internacional en un 50 a 70%, considerando que la T A B L A 3;~. .9. RESULTADO DE LAS MEDICIONES DE FERTIMEX EN LA PLANTA DE UREA (CAMARGO) Operación Concentrador Eváporador Amoniaco Urea 13 .60 kg/ton . 10 .52 kg/ton. 1 .70 kg/ton . 3 .22 kg/ton . T A B L A 3 .10 RESULTADO DE LAS MEDICIONES DE FERTIMEX EN LA PLANTA DE COMPLEJOS (MINATITLAN) Particulas (kg/ton .) Operación Esferodizador 1 1 .085 - 5 .021 Esferodizador 2 0 .019 - .0 .309 Enfriador 0 .047 — 0 .103 emisión de amoniaco en el evaporador y de urea en el concentr.ador, corresponde a condiciones extremas de pésima operación (incrementos de 295 y 902% respectivamente). Considerando un comportamiento similar en los demás procesos, la Tabla 3 .11 presenta los factores de emisión propuestos, por tipo de proceso . T A B L A :3 .'ll PROPUESTA DE FACTORES DE EMISION NACIONALES (Por proceso integral) Superfosfato triple: Partículas 24 kg/ton . P 2 0 5 8 kg/ton . P 2 05 69 kg/ton . P205 Fluoruros 9 kg/ton . P205 Partículas 8 .6 kg/ton. Fluoruros Superfosfato simple : Partículas Urea : Amoníaco 16 .3 kg/ton. Sulfato de amonio: Partículas 34 .5 kg/ton. Nitrato de amonio: Partículas Amoniaco Acido nítrico 232-238 kg/ton. 5-110 kg/ton. 1 .4-34 kg/ton . Fosfato de amonio: kg/ton . P 2 0 5 Partículas 1-113 Amoníaco 2-12 kg/ton . P 2 0 5 Fluoruros 0 .26-1 kg/ton. 4 . FACTIBILIDAD TECNICO-ECONOMICA DE REDUCCION DE EMISIONES. 4 .1 Experiencia internacional. De acuerdo con EPA (AP-42), la industria de los fertilizantes utiliza preferentemente los equipos de control que se in dican en la Tabla 4 .1 con las eficiencias que se indican; por otro lado, en el Parker (Industrial Air Pollution Handbook) se señala que en la Gran Bretaña los equipas más utili zados, en este sector industrial son : ciclones y casas de bolsas para los humos y polvos y lavadores tipo venturi o de torres empacadas. 4 .2 Experiencia nacional. Fertimex ha utilizado en general sistemas convencionales de control en sus plantas, presentándose en la Tabla 4 .2 los sistemas utilizados en las diversas instalaciones productivas ; sin embargo, . las eficiencias logradas pueden mejorarse reduciéndose con ello las emisiones actuales. . 4 .3 Costos del control. Aunque en el momento actual es dificil el analizar costos de inversión y operación debido al alto indice de inflación que afecta nuestra economía, es factible el analizar en forma re lativa los costos que implican los diversos sistemas de control utilizados en este sector en función de la efic .iencia - T A B L A 4 .1 TECNOLOGIA DE CONTROL UTILIZADA (USA) 1 . Producción de 1 .1 superfosfato normal. Partículas: (99%) (97 — 98%) Casas de ' bolsas Lavadores húmedos 1 .2 Gases: (90 — 99%) Lavadores húmedos 2. Producción de 2 .1 superfosfato triple. Partículas: .(99%) (97%) Casas de bolsas Lavadores húmedos 2 .2 Gases: (90 — 99%) Lavadores húmedos 3. Producción de urea. 3 .1 Partículas/gases: (97 .3 --98 .3%) Lavadores húmedos 4 . Producción de 4 .1 sulfato de amonio. Partículas: (99 .5%) Lavadores húmedos 5 . Producción 5 .1 de-nitrato de amonio. Partículas: Lavadores húmedos 6 . (95 — 99%) Producción de fosfato de amonio. 6 .1' Partículas: (94 — 99%) Lavadores húmedos 6 .2 Gases: Lavadores húmedos (NH 3 ) (94 — 99%) Lavadores húmedos (F) (74 — 94%) T A B L A 4 .2 TECNOLOGIA DE CONTROL NACIONAL 1. Producción de superfosfato normal Ciclones. Lavadores húmedos. 2. Producción de superfosfato triple Ciclones. Lavadores húmedos. 3. Producción de urea Lavadores húmedos. 4'. Producción de sulfato de amonio Lavadores húmedos. Ciclones. 5. Produccón de nitrato de amonio Lavadores húmedos. 6. Producción de fosfato de amonio Lavadores húmedos . de control a lograr. Asi, cl caso -de , lcs partículas, las opciones de control - más utilizadas bolsas y los lavadores h6medos : En general como se puede ver en la 'Tabla 4 .1, la-s —,efielansias -de los . ,sistemas de óasas .de bolsas `están én =el -rspgo, .del 997, mientras que :,en leseiciencias 'ú*e captación P ca :1:o de lavadores'hómedos, están en el rango dé 95-99%. usual en este . :,istemas de control , podemos señalar que la .1avail,orhilmedos : Te, 'por . io cua'i-'deóe servir ,?77esenta la opción mss eco- ue base para la reglamentación 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 200 VOLUMEN GAS GRAFILA 4 .1 C MPRAC I ON DE LOS COSTOS DE CONTROL - 5 . REGLAMENTACION DE EMISIONES. 5 .1 Experiencia internacional. Las emisiones atmosféricas de la industria de fertilizantes han sido reglamentadas en diversos paises ; la Tabla 5 .1 presenta los valores de emisión máxima permisible para las emisiones generadas en diversos procesos de fabricación de fertilizantes. Como puede verse de esta tabla, la preocupación fundamental se orienta al control de los fluoruros cuyos efectos en la flora y en la fauna son bien conocidos. 5 .2 Experiencia nacional. A la fecha el único reglamento aplicable a las emisiones atmosféricas es el relativo a las partículas, en el cual se es tablecen valores de emisión en función del peso del proceso (Art . 21, Tabla 1) del volumen de gases (Art . 21, Tabla 2), -con valores que, en general, resultan muy laxos comparados con las normas internacionales. Adicionalmente, tanto para partículas como para gases, son aplicables los valores establecidos en 1982 como criterios de calidad del aire, de los cuales es aplicable en forma directa para el caso de la industria de fertilizantes el de partículas (275 Ug/m3), y en forma indirecta los de bióxido de azufre (0 .13 ppm) y de óxidos de nitrógeno (0 .21 ppm) . T A B L A 5 .1 REGLAMENTACION INTERNACIONAL República Federal Alemana. Sintetizado de fosfatos crudos: - Fluoruros 20 mg/Nm3 - Cloruros 30 mg/Nm3 España . Fabricación de superfosfato simple: - Fluoruros i .e. 0 .4 kg/t P 2O 5 i .n . 0 .07 kg/t P 2 O 5 Fabricación de superfosfato tpple: - Fluoruros i .e . 0 .3 kg/t P 2 O5 i .n . 0 .05 kg/t P9 O 5 Estados Unidos . Fabricación de superfosfato triple: 100 g/t P 2 O 5 - Fluoruros Fabricación de fosfato de amonio: 30 g - Fluoruros Almacenamiento . de superfosfato triple: 0 .25 g/h/ton. - Fluoruros Gran Bretaña. Producción de superfosfato: 228 .8 mg/m3 - Gases ácidos Japón . Producción de superfosfato: - Fluor y compuestos i .e .= Instalación ya establecida. 4 n = TnGtalariAn nnPVa. 15 mg/Nm3 5 .3 Fundamentación técnica de los valores propuestos para normas de emisión. 5 .3 .1 . Contaminantes por reglamentar .. De acuerdo con el análisis previo, se considera que dentro del Sector Fertilizantes deberán de reglamentarse las emisiones totales de partículas, las de amoniaco y las de compuestos de fluor. 5 .3 .2 Criterios para el establecimiento de las normas. Como criterios básicos para el establecimiento de las normas de emisión, se consideraron: a) De factibilidad técnico-económica de control, Al respecto se considera como más adecuado el uso de lavadores húmedos, por lo cual las eficiencias de control potencialmente alcanzables se consideran entre 97 y 99%. b) Necesidad de mantener la calidad del aire en la zona aledaña a las instalaciones dentro de las normas de calidad del aire. Al respecto se consideró los criterios nacionales publicados en 1982 y, en caso de contaminantes no normados en México, se consideraron normas de diversos países . c) Normas establecidas en otros países. Al respecto se consideraron los valores . presentados en la Tabla 5 .1 5 .3 .3 Factibilidad técnica de reducir emisiones. La Tabla 5 .2 presenta los valores de emisión que se tendrían en los diversos procesos de producción de fertilizantes de Fertimex aplicando sistemas de lavado de gases con diversas eficiencias . Como puede verse de esta tabla, las concentraciones de partículas estarían entre 7 .14 y 0 .01 kg/ton ., las de . fluoruros entre 0 .27 y 0 .0026 kg/ton . y las de amoníaco entre 3 .3 y 0 .02 kg/ton. 5 .3 .4 Concentraciones máximas para no rebasar la norma de calidad del aire. Para este efecto, se consideró la dispersión de los tres contaminantes anotados suponiendo diversas condiciones de estabilidad. La Tabla 5 .3 presenta las bases de cálculo utilizadas, la Tabla 5 .4 las ecuaciones de cálculo y la Tabla 5 .5 los resultados obtenidos. Como puede verse, en el caso de las particulas las concentraciones máximas permisibles deberán encontrar se entre 7 .9 y 1 .0 kg/ton ., para los fluoruros entre 0 .07 y 0 .6 kg/ton . y para el amoníaco entre 6 y 2 kg/ ton . T A B L A 5 .2 REDUCCION DE EMISIONES CON TECNOLOGIA DISPONIBLE 97% 99% Superfosfato triple: Partículas 0 .720 kg/ton. 0 .24'kg/ton. Fluoruros 0 .24 kg/ton. 0 .08 kg/ton. Partículas 2 .03 kg/ton. 0 .69 kg/ton. Fluoruros 0 .27 kg/ton. 0 .09 kg/ton. Partículas 0 .25 kg/ton. 0 .09 kg/ton. Amoníaco 0 .49 kg/ton. 0 .16 kg/ton. 1 .04 kg/ton . 0 .35 kg/ton. Partículas 6 .96-7 .14 kg/ton . 2 .32-2 .38 kg/ton. Amoníaco 0 .15-33 . kg/ton 0 .05-11 kg/ton. Acido Nítrico 0 .042-1 .09 kg/ton . 0 .01-0 .34 kg/ton. Partículas 0 .03-3 .4 kg/ton 0 .01-1 .13 kg/ton. Amoniaco 0 .06-0 .36 kg/ton . 0 .02-0 .12 kg/ton. Fluo :ur.os 0 .0078-0 .03 kg/ton . 0 .0026-0 .01 kg/ton . Superfosfato simple: Urea : Sulfato de amonio: Partículas Nitrato de amonio : Fosfato de amonio: T A B L A 5 .3 BASES DE CALCULO PARA LA DISPERSION DE LOS CONTAMINANTES a) Condiciones meteorológicas. a .l ) Caso crítico. Esta dlidad F. Velocidad de viento 2 m/seg. a .2) Caso normal. Estabilidad D. Velocidad de viento 5 m/seg. b) Características de la emisión. Altura de emisión 30 n. c) Concentraciones máximas permisibles á nivel piso. Partículas (México) 275 microgramos/m3. Fluor (España) 20 microgramos/m3. Amoníaco (URSS) 200 microgramos/m3 . T A B L A 5 .4 ECUACIONES UTILIZADAS a) Para determinar la distancia de la emisión máxima d = b H2 a2 b) 1 2b (d+b) Para determinar la magnitud de la emisión Q= (C 7 ~ ~U) exp (O .5[H) 2 ) t irz J Simbologia a, b, c, d 'UENTE : parámetros para cálculo de Etz y (Porter) H altura de la emisión. Lr Q" z y desviación estandard , en dirección z, y. U Velocidad del aire. Workbook of atmospheric Dispersion Estimates. Dispersion Equation Solutions by Calculator . 'T A B L A 5 .5 EMISIONES MAXIMAS PERMISIBLES EN FUNCION DE LA DISPERSION, Situación Critica Situación Normal Partículas 7 g/seg . 18 g/seg. Fluoruros 0 .5 g/seg . 1 .3 g/seg.. 5 g/seg . 13 g/seg. Amoníaco Considerandó capacidad de las Plantas: Situación Critica Situación Normal Partículas 1 - 3 kg/ton . 2 .6-7 .9 kg/ton. Fluoruros 0 .07-02 kg/ton . 0 .2-0 .6 kg/ton. Amoniaco 2-2 .2 kg/ton . 5 - 6 kg/ton . 5 .3 .5 Valores propuestos para norma de emisión. En base a los criterios antes anotados, la Fig . 5 .1 muestra los rangos propuestos para los valores de emisión máxima -permisible de particul .is totales en la industria de los fer tilizantes . Normas de Emisión Propuestas Industria Instalada Industria Nueva 150 100 250 150 , Criterios Reglamentación 2Internacional 50 150 , Norma de Calivad del Aire f•l.=I=11=•n 368 11 000 Tecnología Disponible 10 000 20 100 n- . . 2!::() 300 400 r 500 Emisión (mg/m 3 N) Fig . 5 .1 Rango propuesto para las normas de emisión de partículas . (Cert :ilizantes) LA INDUSTRIA DEL CEMENTO 1 . CONSIDERACIONES GENELALES: Existen diversos procesos de producción del cemento: - Proceso Seco. - Proceso Húmedo. - Proceso Semihúmedo. En México, como puede verse en la Tabla 1 .1 el más utilizado - el proceso seco. En general la producción de cemento origina emisiones contaminantes a la atmósfera, sobre todo de polvos (piedra caliza, arcilla, yeso) los cuales requieren ser controlados utf .li :a7%-]o equipos de control más eficientes. A fin de establecer los valores de emisión máxima permitida para este :ramo industrial, en el presente estudio se analizan los procesos productores, sus emisiones sin control y la legislación internacional en la materia, estableciendo como conclusión de este análisis el rango de valores de emisión adecuado para México . T A B L A 1 .1 I N S T A L A C I O N TIPO DE PROCESO Cementos Portland Blanco de México, S .A. Seco Cementos Anáhuac, S .A. Seco Cementos Anáhuac del Golfo, S .A. Seco Grupo Apasco (Cementos Apasco, S .A . de C .V .) Seco Cementos Veracruz, S .A. Seco Cementos de Acapulco, S .A. Seco Cementos de Chihuahua, S .A . de C .V. Seco Cementos de Chihuahua, S .A . de C .V . (Planta Ciudad Juárez). Seco Cementos Mexicanos, S .A . (Planta Huichapan) Seco Cementos Mexicanos, S .A . (Planta Monterrey) Seco Cementos Mexicanos, S .A . (Planta Torreón) Seco Cementos Mexicanos, S .A . (Planta Valles) Seco Cementos Maya, S .A . (Planta Mérida) Seco Cementos Maya, S .A . (Planta Le6n) Húmedo Cementos Guadalajara, S .A . (Planta Guadalajara) Seco Cementos Guadalajara, S .A . (Planta Ensenada) Seco Cementos Portland Moctezuma, S .A . de C .V. Húmedo Cementos Tolteca, S .A . de C .V . (Planta Atotonilco) Seco Cementos Tolteca, S .A . de C .V . (Planta Mixcoac) Semihúmedo Cementos Tolteca, S .A . de C .V . (Planta Tolteca) Seco y Húmedo Cementos Tolteca, S .A . de C .V . (Planta Zapotil,tic) Seco Cementos Atoyac, S .A . de C .V . Seco I N S T A L A C I O N e. TIPO DE PROCESO Cementos del pacifico, S .A . de C .V . Seco Cementos Portland Nacional, S .A . de C .V . Seco Cooperativa Manufacturera de Cemento Portland "La Cruz Azul, S .C .L ." Seco Sociedad Cooperativa Cementos Hidalgo, S .C .L . Seco 2 . DESCRIPCION DE LOS PROCESOS: 2 .1 Proceso Seco. El objetivo de este proceso es obtener cemento a partir de una pasta cuyo contenido máximo de humedad es de 6%. El proceso de producción (Fig . 2 .1) parte de piedra caliza molida con un 90% de carbonato de calcio, arcilla con 10% de carbona to de ca~cio, los cuales se tratan con yeso y minerales. El carbonato de calcio cede su anhídrido carbónico y se convierte en cal mediante la siguiente reacción: C a C 0 ----~ C a O+ C. 3 Esta reacción se lleva a cabo en un horno rotatorio donde el incremento de temperatura hace que la cal reaccione con otras sustancias del crudo y el agua de hidratación sea eliminada . Por la formación de silicatos y aluminatos de calcio el crudo adquie re un color amarillento, posteriormente se incrementa la tempera tura, adquiriendo un color gris y finalmente se forman aluminoferritos de calcio por lo que el crudo adquiere un color negroverdoso dando origen al llamado clinker a una temperatura de 1450°C . El clinker obtenido se pasa a un enfriador de donde se envía a un molino de bolas, a la vez que le son agregados yeso y minerales de fierro, utilizando estos últimos como elementos reguladores del fraguado . La mezcla de c"_inker y yeso debe guardar una proporción aproxima da de 95% por 5% respectivamente. Generalmente se realiza la molienda en dos etapas dependiendo de la finura de cemento que se desee, después de la segunda etapa el material es seleccionado por su granulometría. El producto de la granulometría deseada se almacena para su enva se y comercialización. 2 .2 Proceso Húmedo. Se realizan básicamente las mismas operaciones que para el proce so seco, la única diferencia es el estado fisico de la materia prima que sirve como alimentación - al horno, es decir, se obtiene el cemento a partir de una lechada con 35 a 40% . contenido de humedad de -- Y 0 C F I G. 0 R A 2 .1 PROCESO PRODUCCION CEMENTO CAL :.'IN6CION i. .t ~ `r! ~ ~ 14 ~ . ,f r--~1! 2 5 1 ~I ( j.... 3v i t 35 _a . !— .. Q 4,' ~, 36 . l=s ‘1=.i I . 4 I 37 .~ Í 'CT n 24 _. G' .— .. __-. _ . _ . -. _. . -. _ ._ _. i j-r€' ''j' ' '1 -' 1 I - . _. Í .=Sit :0-4 L i t 27 0_; . i-). at 11 A, ~ 34 29 .1 -1 ~'~~ , G PLANTA DE. Elt'n.6.SE Sr. at===4 ,s=n, ,=, A n 1--„ ' 1 . 6 i T A B L A 1-2 DESCRIPCION DE LA FIGURA 2 .1 No . O P E R A C I 0 N 1 Transporte de arcilla. 2 Transporte de caliza. 3 Almacén de arcilla. 4 Transporte de arcillas. 5 Molienda de arcillas. 6 Transporte de caliza. 7 Transporte de caliza. 8 Trituración de caliza. Pesaje de caliza. 10 Transporte arcillas. 11 Almacenamiento de minerales. 12 Muestreo de minerales. 13 Almacenamiento de triturados. 14 Transporte de triturados. 15 Transporte de triturados. 16 Transporte de minerales. 17 Molinos de crudo. 18 Clasificación de polvos. 19 Transporte de granos gruesos. 20 Clasificación de polvos. 21 Transporte de crudos . No . O P E R A C I O N - 22 Transporte de crudos. 23 Almacenamiento de crudos. 24 Transporte de crudos. 25 Transporte de granos gruesos. 26 Transporte de crudos. 27 Transporte de crudos. 28 Alimentació7 de crudos. 29 Alimentación a precalentador. 30 •Preca.lentamiento. 31 Calcinación. 32 Enfriamiento de iclinker. 33 Combustión. 34 Almacenamiento de clinker. 35 Acondicionamiento de gases. 36 Colección de polvos. 37 Transporte de crudos. 38 Transporte de crudos. 39 Transporte de clinker. 40 Transporte de crudos. 41 Colector. 42 Colector. 43 Recepción de aditivos. 44 Transporte de aditivos. 45 Transporte de clinker . No . O P I R A C I O N ' 46 Molienda. 47 Clasificaci6n de polvos. 48 Clasificaci6n de polvos. 49 Colector de polvos. 50 Transporte de cemento. 51 Transporte de clinker y aditivos. 52 Transporte de gruesos y de cemento. 53 Transporte de gruesos y de cemento. 54 Transporte de cemento. 55 Almacén de cemento. 56 Transporte de ceme__ta. 57 Embarque de cemento. 58 Transporte de cemento. 59 Alimentación de cemento. 60 Envase. 61 Embarque de sacos. 62 Transporte de sacos . 3. EMISIONES A LA ATMOSFERA. 3 .1 Aspectos Cualitativos. Todos los procesos emiten, en mayor o menor grado diversos conta minantes a la atmósfera, destacando partículas (fundamentalmente de piedra caliza, arcilla, yeso), aunque también se emiten por - efecto de la combustión de óxidos de azufre y de nitrógeno (Fig 3 .1) 3 .2 Aspectos Cuantitativos. Desde el punto de vista cuantitativo, las Tablas 3 .1 y 3 .2 presentan los factores de emisión para los procesos descritos, publicados por la Environmental Protection Agency de los Estados Unidos. Estos valores representan emisiones sin control en instalaciones operando bajo condiciones normales de mantenimiento. La Tabla 3 .3 presenta los factores de emisión integrados por proceso y, en la Tabla 3 .4 se presentan los factores de emisión publicados en otras fuentes . TRITURACIOm T DEPOWTO.S Z nIiTEAA', DE NE2Q-A MOIJEOLDA b.t .. .,''r.iáJCENTO DE CALC&ACION CRID03 13 1, 10 _ . z - — .1 2 'Ir t=. .j . '4 i=a=. 1 .E 1"''-1 ! .B 7siAks p eRTE y A L KAcEh aml biTc te E CLIN KER MOLIENDA PLANS& DE - .Cf.[Lei ZD EO(VASE An ? 55 /K 54 .. . . /-\ 42 1 1 i 441: :t ;. ¡‘ n .' 1 i! c1•1•1 •t [IM ro fi 2 ,»: F7 ' IN 1 5J 457 n iy&lt ii . 52 Ldl$ .1-- l~~ r 7") 11 A, 1 .T ''-'. * ~ w===yQ, J~J DI 0 .EMl S I ON DE PART I CULAS F I G U R A 3 .1 EMISIONES EL PROCESO DE 4PRODUCCION DE CEMENTO _ 61 T A B L A 3 .1 FACTORES DE EMISION EN EL PROCESO SECO OPERACION Horno Molienda EMISION Partículas KG/TON. 122 .0 Dióxido de azufre 5 .1 Oxidos de nitrógeno 1 .3 Plomo 0 .06 Partículas Piorno FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors. AP-42, 4a . Edición, Sept . 1985. U .S . Environmental Protection ,Agency . 48 .0 0 .02 T A B L A 3 .2 FACTORES DE EMISION EN EL PROCESO HÚMEDO OPERACION Horno Molienda EMISION KG/TON '. Partículas 114 .0 Dióxido de azufre 5 .1 Oxidos de nitrógeno 1 .3 Plomo 0 .05 Partículas Plomo FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors. AP-42, 4a . Edición, Sept . 1985. U .S . Environmental Protection Agency . 16 .0 0 .01 T A B L A 3 .3 .FACTORES DE EMISION INTEGRADOS POR PROCESO PROCESO SECO : Partículas Dióxido de azufre Oxido de nitrógeno Plomo PROCESO HUMEDO : Partículas FUENTE : . 130 .0 Dióxido de azufre 5 .1 Oxido de nitrógeno 1 .3 Plomo 0 .06 Compilation of Air Pollutant Emission Factors. AP-42, 4a . Edición, Sept . 1985. U .S . Environmental Protection Agency. T A B L A 3 .4. FACTORES DE EMISION DE LA INDUSTRIA DEL CEMENTO PROCESO SECO : Partículas , ."112 •kg/ton. PROCESO HUMEDO: Partículas 113kg/ton. FUENTE : Stern, Ingeering Control of Air Pollution. Arthur Co Stern. Academic Press 1977. Vol . IV. PLANTAS DE CEMENTO. OPERACION EMISION KG/TON PARTICULAS : Materia prima 0 .019 Horno 58 .62 Enfriador 11 .31 Molienda final 0 .034 T o t a 1: 67 .16 DIOXIDO DE AZUFRE: Aceite-gas Aceite FUENTE : Air Pollution Emissions and Control. Technology Cement Industry. Earl W . Cagan . 0 .9129 1 .30 3 3 Mediciones Nacionales. Tomando en cuenta el hecho de que en México la industria cementera, por la magnitud de sus instalaciones representa uno de los sectores potencialmente más contaminantes, las diversas empresas han realizado mediciones de sus emisiones a fin de poder diseñar los equipos de control correspondiente. Al respecto, la Tabla 3 .5 presenta algunos de los resultados obtenidos en diversas plantas establecidas en México. 3 .4 Factores de Emisión Propuestos: Tomando en cuenta que los valores medidos en México no difieren sustancialmente de los valores publicados en otros paises, se considera que los factores de emisión nacionales - sean los que se presentan en la Tabla 3 .6. En el caso de la emisión de SO 2 en hornos se consideró la -utilización de combustóleo con 3 .5% de azufre y una neutrali zación del 35% de SO 2 formado por la alcalinidad del clinker. (EPA) . TABLA 3 .5 RESULTADO DE MEDICIONES NACIONALES Proceso seco . Hornos b) 120-150 Kg/Ton Proceso húmedo Hornos 98-120 Kg/Ton FUENTES: - Cámara Nacional del Cemento - Reunión Regional de Ecología - Costa del Pacifico TABLA 3 .6 FACTORES DE EMISION PROPUESTOS Proceso seco Partículas * 210 Kg/Ton. 8 Kg/Ton. SO 2 Proceso húmedo Partículas ** 137 Kg/Ton. 8 Kg/Ton. SO 2 * 70% Horno ** 90% Horno # 30% Molienda ## 10% Molienda 4 . FACTIBILIDAD TECNICO-ECONOMICA DE REDUCCION DE EMISIONES 4 .1 Experiencia Internacional. De acuerdo con EPA (AP-42), la industria del cemento utiliza preferentemente los equipos de control que se . indican en la Tabla 4 .1 con las eficiencias que se indican ; por otro lado, en el Parker (Industrial Air Pollution Handbook) se señala que en Gran Bretaña el equipo más utilizado en el sector industrial son los precipitadores electrostáticos. 4 .2 Experiencia Nacional , Las empresas mexicanas han utilizado en general sistemas co ,: vencionales de control en sus plantas, presentándose en la Tabla 4 .2 los sistemas utilizados en las diversas instalacio nes productivas . Sin embargo, las eficiencias logradas han sido menores que .las reportadas en otros paises, pueden mejo rarse con una buena operación y un mantenimiento adecuado . TABLA 4 .1 TECNOLOGIA DE CONTROL UTILIZADA (USA) 1. Proceso Seco 1 .1 Partículas Precipitadores Electrostáticos (957) Multiciclones (80%) Precipitador Electrostático con 1 .2 Multiciclón (97 .5%) Casa de Bolsas (99 .8%) Dióxido de Azufre Casa de Bolsas 2. (50%) Proceso Húmedo 2 .1 Partículas Precipitadores Electrostáticos (95%) Multiciclones (80%) Precipitador Electrostático con 2 .2 Multiciclón (97 .5%) Casa de Bolsas (99 .8%) Dióxido de Azufre Casa de Bolsas. (50%) ' TABLA 4 .2 EQUIPOS DE CONTROL UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA NACIONAL Tipo de equipo No . de Equipos Instalados Casas de Bolsas 644 Filtros Electrostáticos 114 Filtros de Grava 4 Ciclones 79 Diversos 8 TOTAL 849 4 .3 Costos de Control. Aunque en el momento actual es dificil el analizar costos de inversión y operación debido al alto índice de inflación que afecta nuestra economía, es factible el analizar en for ma relativa los costos que implican los diversos sistemas de control utilizados en este sector en función de la eficiencia de control a lograrse. Así, en el caso de las partículas, las opciones de control más utilizadas han sido las casas de bolsas y en segundo lu gar los precipitadores electrostáticos. En general como se puede ver en la Tabla 4 .1 las eficien- cias de los sistemas de casas de bolsas están en el rango -del 99 :8% para el caso de partículas y 50% para el caso de dióxido de azufre, mientras que los precipitadores presentan eficiencias de 97 .5%. La figura 4 .1 presenta en forma comparativa los costos de estos tipos de equipo de control, pudiéndose apreciar el me nor costo en general de las casas de bolsas por lo cual son más recomendables para el control en este tipo de .industria, máxime que al mismo tiempo reducen la emisión de SO 2 en un 50% . Característica que no presentan los precipitadores . US $ 10 10 10 10 000 20 000 m-, / min F'I.GL?RA 4 .1 5. REGLAMENTACIO' DE EMISIONES. 5 .1 Experiencia Internacional. Las emisiones atmosféricas de la industria del cemento han sido reglamentadas en diversos países ; la Tabla 5 .1 presenta los valo' res de emisión máxima permisible para las emisiones generadas en diversos procesos de fabricación de cemento. Como puede verse en esta Tabla, la preocupación fundamental se orienta al control de partículas cuyos efectos en salud, flora, fauna y en general bienes, son reconocidos. 5 .2 Experiencia Nacional. Ala fecha el único reglamento aplicable a las emisiones atmosfé ricas es el relativo a las partículas, en el cual se establecen valores de emisión en función del peso del proceso, (Art . 21, Ta bla 1) del volumen de gases (Art . 21, Tabla 2), con valores que en general resultan muy laxos comparados con las normas internacionales . TABLA 5 .1 REGLAMENTACION INTERNACIONAL EMISION DE PARTICULAS CANADA Hornos Establecidos 0 .45 Kg/Ton : clinker Hornos Nuevos 0 .80 Kg/Ton . clinker Enfriadores 0 .30 Kg/Ton . clinker Hornos Establecidos 400 mg/Nm3 Hornos Nuevos 250 mg/Nm 3 Enfriadores Establecidos 170 mg/Nm 3 Enfriadores Nuevos 100 mg/Nm 3 ESPAÑA ESTADOS UNIDOS Hornos .15 Kg/Ton . m .p. Enfriadores .05 Kg/Ton . m .p. FRANCIA 2 Hornos 150 mg /Nm3 GRAN BRETAÑA Hornos Establecidos 230 mg/Nm3 Hornos Nuevos 100 mg/Nm3 Enfriadores Establecidos 230 mg/Nm3 Enfriadores Nuevos 150 mg/Nm 3 TABLA 5 .1 CONTINUACION SUIZA ' Hornos Establecidos 230 mg /Nm 3 155 mg /Nm3 Hornos Nuevos REPUBLICA FEDERAL DE ALEMANIA 150 mg /Nm 3 Hornos JAPON Normas Generales Hornos < 40 000 m3 /h A00 mg /Nm3 > 40 000 m3 /h 200 mg /nm3 En Zonas de Alta Contaminación C .40 000 m 3 /h 200 mg /Nm 3 > 100 mg /Nm 3 40 000 m 3 /h 5 .3 Fundamentación Técnica de los Valores Propuestos para Normas de Emisión 5 .3 .1 Contaminantes por Reglamentar. De acuerdo con el análisis previo, :se considera que, dentro de la indus•tria'cementera, el .único contaminante por reglamentar'serlan las partícu las totales. No se considera adecuado el reglamentar las emisiones de SO 2 ya que son relativamente bajas ysu control más económico se logra utilizando combus tibies más limpios, lo cual dependen fundamentalmente de la política ener gética general del pals ; adicionalmente el uso cada vez más-común de ca-sas de bolsas para control de las partículas ayuda a-reducir (aproximadamente en un 50%) las emisiones de SO 2 5 .3 .2 Criterios para el Establecimiento de las Normas. Como criterios básicos para el establecimiento de las normas de emisión, se consideraron: a) De factibilidad tecnico-econ6mica de control. Al respecto se consideran como sistemas de control más adecuados las casas de bolsas, por lo cual las eficiencias de control potencialmente al-' canzables deben ser mayores de 99%. b) Necesidad de mantener la calidad del aire en la zona aledaña a las instalaciones, dentro de las normas de calidad del aire. Al respecto se consideraron los criterios nacionales publicados en 1982 . c) Necesidad de reducir en lo posible emisiones visibles en las chi meneas. En este aspecto se consideró que visualmente no debería rebasarse una — opacidad del 10% (0 .5 Ringelman). Normas establecidas en otros países. Al respecto se consideraron los valores presentados en la 5 .3 .3 Tabla 5 .1 Factibilidad Técnica de Reducción en las Emisiones. En la Tabla 5 .2 se presentan los valores de emisión máxima que se ten-- drian al utilizar como sistemas de control las casas de bolsas,-conside rando eficiencias del 99 .5% y mayores. Adicionalmente se presentan las concentraciones esperadas en el flujo — de gases de chimenea para el rangc de capacidad de producción usuales — en nuestro país. 5 .3 .4 Concentraciones Máximas para no Rebasar la Norma de Calidad del Aire. Para este efecto se consideró la dispersión de las partículas suponiendo diversas condiciones de estabilidad. La Tabla 5 .3 presenta las bases de cálculo utilizadas, la Tabla 5 .4 las ecuaciones de cálculo y la Tabla 5 .3 .5 5 .5 los resultados obtenidos. Concentraciones Máximas para Reducir las Emisiones Visibles. Al respecto se evaluó la opacidad de la pluma a fin de estimar la con-- TABLA 5 .2 CONCENTRACIONES MAXIMAS DE LAS EMISIONES DE PARTICULAS UTILIZANDO CASAS DE BOLSAS Hornos: Proceso Seco 0 .61 Kg/Ton. Proceso Húmedo Molinos: Proceso Seco Proceso Húmedo 0 .08 Kg/Ton . Concentración en los gases de chimenea Proceso Seco 244-305 mg/Nm 3 Proceso Húmedo 228-285 mg/Nm 3 TABLA 5 .3 BASES DE CALCULO PARA LA DISPERSION DE LOS CONTAMINANTES a) Condiciones meteorológicas. a .l) Caso crítico. Estabilidad F. Velocidad de viento 2 m/seg. a .2) Caso normal. Estabilidad D. Velocidad de viento 5 m/seg. b) Características de la emisión. Altura de emisión 40 m. c) Concentraciones máximas permisibles a nivel piso. Partículas (México) 275 microgramos/m 3 . T A B L A 5 .4 ECUACIONES UTILIZADAS a) Para determinar la distancia de la emisión máxima d M `a2 (d+b) b) Para determinar la magnitud de la emisión Q = (C1r~ ~ U) exp (0 .5 H i 2 ) 'tr Szmbología a, b, c, d parámetros para cálculo de f y fay (Porter) i H altura de la emisión. tf Tr z y desviación estandard en dirección z, Y. U Velocidad del aire. FUENTE : Workbook of atmospheric Dispersion Estimates. Dispersion Equation Solutions by Calculator. TABLA 5 .5 EMISIONES MAXIMAS PERMISIBLES EN FUNCION DE LA DISPERSION Situación Critica Partículas 51 .48 Kg/hr Situación Normal 108 .32 Kg/hr Considerando las capacidades normales de las plantas (30 - 100 Ton/hr) Emisión Situación Situación Crítica Normal 0 .5 - 1 .7 K /Ton . 1 .08 - 3 .61 Kg/Ton. 215 - 430 mg/m 3 N 451 - 903 mg/m 3 N Concentración de los Gases centración que produce un valor del 20% de opacidad. La Tabla 5 .6 presenta las bases de cálculo utilizadas, la Tabla 5 .7 las ecuaciones de cálculo y la Tabla 5 .8 el resultado obtenido. 5 .3 .6 Valores Propuestos para Normas de Emisión. La Tabla 5 .9 presenta el resumen de límites de emisión resultantes de los criterios analizados ; de los mismos se propone que en el caso de la industria cementera, las normas de emisión a aplicar se seleccionen en rango mostrado en la figura 5 .1 . TABLA 5 .6 BASES DE CALCULO DE LA OPACIDAD DE PLUMA Máxima opacidad 20% (0 .2) Densidad del polvo 3 .3 g/cm 3 Indice de refracción del polvo 1 .6 Distribución de partículas % 14m 0-5 67 .0 5-10 20 .6 10-15 6 .6 15-20 2 .3 20-25 1 .1 25-30 0 .8 30-35 0 .6 35-40 0 .3 > Fuente : 40 Air Pollution Engineering Manual USA EPA AP-40 1973 0 .7 TABLA 5 .7 ECUACIONES UTILIZADAS PARA EL CALCULO DE OPACIDAD 0= 100-T T = -3 0 2 e Ki= oz i= n i i=1 (1) K iWi di f ( 2 o(i (n-1) ) (3) T1 d i (4) a 0 = Opacidad T = Transmitancia 0 = Diámetro de Chimenea P (2) = Densidad de las Partículas n = Indice de Refracción W i= Peso de Partículas de Diámetro i Longitud de Onda (524 nm) FUENTE : Ledbetter J Air Pollution TABLA 5 .8 CONCENTRACION MAXIMA DE PARTICULAS EN BASE A OPACIDAD DE LA PLUMA (20%) Diámetro de Concentración Chimenea (m) (mg /m3 ) 2 m 400 1 .5 m 250 TABLA 5 .9 RESUMEN DE LIMITES DE EMISION a) Por factibilidad Técnica de Reducción de Emisiones .Emisión 0 .57 - 0 :61 Kg/Ton. Concentración . 228 - 305 mg/Nm 3 Por Concentración Máxima Permisible a Nivel Piso c) d) Emisión 0 .5 - 3 .61 Kg/Ton. Concentración 215 - 903 mg/Nm3 Por Opacidad de Pluma Emisión 0 .5 - 0 .8 Kg/Ton. Concentración 250 - 400 mg/Nm 3 Rangos de la Legislación Internacional Emisión 0 .15 - 0 .8 Kg/Ton. Concentración 100 - 400 mg/Nm 3 NORMAS DE EMISION PROPUESTAS INDUSTRIA INSTALADA 400 250 INDUSTRIA NUEVA 100 250 CRITERIOS REGLAMENTACION INTERNACIONAL 100 NORMA DE CALIDAD DEL AIRE 400 903 215 OPACIDAD 230 400 TECNOLOGIA DISPONIBLE 4 224 305 a - 0 Et•tISION (MG/M 3 ) 1000 Particulas Fig . 5 .1 Rango propuesto par ics normas de emisión. Industria Cementara INDUSTRIA DEL VIDRIO C O N T E N I D O 1 .- CONSIDERACIONES GENERALES 2 .- `DESCRIPCION DEL PROCESO 3.- EMISIONES A LA ATMOSFERA 4.- FACTIBILIDAD TECNICO-ECONOMICA DE REDUCCION DE EMISIONES 5.- REGLAMENTACION DE EMISIONES 1 .0 CONSIDERACIONES GENERALES. En México, se producen diversos tipos de vidrio como son: - vidrio transparente - vidrio tránslúcido - vidrio coloreado Dependiendo de las necesidades nacionales a estos tipos de -vidrio se les pue de dar diversas formas mediante procedimientos de: - soplado prensado - laminado -- estirado En general los procesos productivos del vidrio originan emisiones contaminan tes a la atmósfera, tanto de polvo como de diversos gases (SOx, NOx) las cua les requieren ser controladas utilizando los equipos de control más eficientes. A fin de establecer los valores de emisión máxima permitida para este ramo industrial, en el presente estudio se analizan los procesos productores, sus emisiones sin control, la factibilidad técnico-económica de control y la le gislación internacional en la materia, estableciendo como conclusión de este análisis el rango de valores de emisión adecuado para México . 2 .0 DESCRIPCION DE LOS PROCESOS. 2 .1 Vidrio plano y vidrio para envases. El objetivo de este proceso es obtener un material duro y frágil al menor costo posible. El proceso de producción (Fig . 2 .1) parte de una mezcla formada por arena, cal y sosa en una proporción de 65%, 25% y 10% respectivamente. La materia prima (arena, cal, sosa) es transferida por medio de un sistema de alimentación por gravedad a una báscula y posteriormente a una mezcladora donde es pesada, escogida .y mezclada para asegurar una mezcla homogenea. Dicha mezcla alimenta el horno en el cual se realiza la fundición de la mis— ma ocasionando las siguientes reacciones Na2 CO3 Ca CO3 + Na2SO4 + aSi02 —~ Na203 . aSiO2 bSiO2 —~ CaO bSiO 2 + C SiO 2 -9. Na 20 + CO2 + CO2 . c SiO 2 + SO2 CO Una vez que se ha formado el vidrio pasa a la zona donde se le aplican di— versos procedimientos dependiendo del tipo de vidrio que se desee obtener, mientras que el material que no fué fundido regresa al sistema de alimentación del horno. En el caso del vidrio plano pasa al si :;tema de estirado, mientras ^ que para el vidrio usado en envases se pasa por un émbolo que presiona la masa dando la forma deseada. Finalmente se deja enfriar y es transportado a la zona de almacenamiento . 3 1 5 6 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Materia Prima Báscula y Mezcladora Horno Formación de vidrio Procedimiento para dar forma Zona de enfriamiento Almacenamiento . FIG . 2 .1 Producción de Vidrio Vidrio par- , envases : (Procedimiento Automático). La producción de vidrio utilizado en envases (botellas) corresponde al procedimiento descrito anteriormente. Lo único que lo distingue es la maquinaria y las operaciones utilizadas en la formación de botellas, . (Fig . 2 .1 .1). Este proceso automático se inicia cuando el vidrio se introduce en un molde y por medio de un émbolo se presiona formando así el cuerpo de la botella y después se inyec a aire por la parte superior del molde p&ra formar el cuet llo de la misma. Todo esto se realiza teniendo la botella en posición invertida . (Fig . 2 .1 .2) Posteriormente se inyecta aire otra vez ; pero ahora se introduce por el cue llo para dar mejor forma'al cuerpo de la botella. A continuación el molde se abre y la botella es invertida de posición, entonces el molde se cierra y se realiza el recocido de la botella. Finalmente se inyecta aire por él cuello de la botella con lo que se obtiene la forma final . A continuación el producto terminado pasa a la zona de enfriamiento y posteriormente al almacén. 2 .2 Vidrio estirado para ventanas (Método Fourcault). El proceso de fabricación es básicamente el mismo que se describió anterior mente solo que al final el procedimiento al que es sometido es el siguiente. El método Fourcault consiste de un flotador de arcilla refractaria que posee una ranura longitudinal, este flotador se mantiene siempre en la superficie de la masa fundida de vidrio (Fig . 2 .2) . . 3 2 Cal Figura 2 .1 . .2 Sósa Arena 5 7 (1) (2) (3) (4) 6 Materia Prima Báscula y Mezcladora Horno Formación de vidrio (5) Maquinas autora ► ticas para botellas (6) Zona de enfriamiento (7) Almacenamiento . FIG . 2 .1 .1 Producción de Vidrio para envases 2 3 ~ 4 6 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) FIG . 2 .1 .2 7 Distribución del vidrio en el molde Inyección de aire Inyección de aire en sentido contrario Cambio de posición de la botella Recocido Inyección final de aire Botella terminada Proceso automático para la formación de botellas 1 2 3 5 (1) Materia Prima (2) Báscula y Mezcladora (3) Horno (4) Masa de Vidrio (5) Flotador (6) Cilindros de estirado (7) Vidrio estirado (8) Zona de Corte (9) Almacenamiento . FIG . 2 .2 Producción de Vidrio Estirado . Entonces el vidrio sale . por dicha ranura -y es est ...-ado por medio de un sis- tema de cilindros . Posteriormente se pasa a la zona de corte, donde el vi drio es cortado según las dimensiones deseadas. 2 .3 Vidrio refractario y para instrumentos de laboratorio. El proceso de producción es básicamente el mismo descrito anteriormente en el punto 2 .1 solo que en este caso se parte de una mezcla formada por : arena, sosa, cal, ácido bórico y feldespato . (Fig . 2 .3). Y al final del proceso para darle la forma deseada, la ñ,sa de vidrio fundi do pasa a un premolde donde por medio de aire se le da la forma inicial. Posteriormente el premolde cambia de posición y se le inyecta aire nuevameu te para darle la forma final. 2 .4 Hornos de producción. Los hornos utilizados en la producción de vidrio: a) Horno Regenerativo b) Horno Recuperativo a) Horno Regenerativo. Este tipo de horno que es el más comúnmente usado, opera en forma continua con una capacidad de producción de 50 a 300 toneladas al día. En el horno regenerativo (Figura 2 .4) el aire es precalentado e introducido a una cámara regenerativa ; entonces es mezclado con el combustible y se realiza la combustión con flujos de aire-combustible en intervalos re guiares . Se requiere para cada ciclo aproximadamente de 20 a 30 minutos . 6 8 .7 A A AIRE AIRE 12 11 (1) Arena (2) Sosa (3) Cal (4) Acido bórico (5) Feldespato (6) Báscula y mezcladora (7) Horno (8) Masa Fundida ,de vidrio (9) Premolde (10) Cambio de posición del premolde (11) Zona de enfriamiento (12) Almacenamiento . FIG . 2 .3 Producción de Vidrio Refractario y para instrumentos de laboratorio . 10 .13 (1) Quemador (2) Pared lateral (3) Cámaras regenerativas (4) Válvulas (5) Depósito (6) Nivel . del piso (7) Entrada de aire (8) Línea de gasolina (9) Muelle (10) Tanque (11) Ultimo bloque (12) Capuchón corona (13) Barra FIGURA 2 .4 .- HORNO REGENERATIVO b) Horno Recuperativo. Este tipo de horno presenta efectos similares al horno regenerativo como el precalentamiento del aire de entrada. En el horno recuperativo los gases pasan directamente a un pasillo dese fractario y son precalentados por la acción del horno . Un mecanismo no reversible en este tipo de hornos es necesario ; pero es una desventaja ya que se forman atascamientos y goteras por lo que este tipo de hornos no puede competir con el horno regenerativo, especialmente para diseños gran des . 3 .0 EMISIONES A LA ATMOSFERA. 3 .1 Aspectos cualitativos. Todos los procesos descritos emiten, en mayor o menor grado diversos conta' minantes a la atmósfera, destacando partículas, óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono . (Fig . 3 .1 a 3 .3). 3 .2 Aspectos cuantitativos. Desde el punto de vista cuantitativo, la Tabla . 3 .1 presenta los factores de emisión para la producción de vidrio, publicados por la Environmental Pro-tection Agency de los Estados Unidos . Estos valores representan emisiones sin control en instalaciones operando bajo condiciones normalr.s de manteni miento. En la Tabla 3 .2 se muestran otros factores de emisión publicados por Stern. 3 .3 Mediciones nacionales. En relación a este sector no fue posible obtener información sobre medicio nes de emisión realizadas en México. 3 .4 ` Factores de emisión propuestos. Dada la falta de información señalada, se propone el tomar los factores de emisión publicados por la E .P .A . PART SO 2 NO CO (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Materia Prima Báscula y Mezcladora Horno Formación de vidrio Procedimiento para dar forma Zona de enfriamiento Almacenamiento . FIG . 3 .1 .— . Emisiones en la Producción de . Vidrio (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Materia Prima B scula y Mezcladora Horno Formación de vidrio Maquinas automáticas para botellas Zona de enfriamiento Almacenamiento . FIG . 3 .1 .1 EMISIONES EN LA PRODUCCION DE VTDRIO PARA ENVASES NO PART S0 2 CO PART 3 1 5 PART (1) Materia Prima (2) Báscula y Mezcladora (3) Horno (4) Masa de Vidrio (5) Flotador (6) Cilindros de-estirado (7) Vidrio estirado .(8) Zona de Corte (9) Almacenamiento . PART FIG . 3 .2 Emisiones en la Producción de Vidrio Estirado . PART NO SO2 PART CO 7 A A AIRE PART 12 11 10 (1) Arena (2) Sosa (3) Cal (4) Acido bórico (5) Feldespato (6) Báscula y mezcladora (7) Horno (8) Masa Fundida de vidrio (9) Premolde ' (10) Cambio de posición del premolde (11) Zona de enfriamiento (12) Almacenamiento . FIG . 3 .3 Emisiones en . la Producción de Vidrio Refractario y para instrumentos de laboratorio. r AIRE TABLA 3 .1 FACTORES DE EMISION EN LA PRODUCCION DE VIDRIO OPERACION EMISION KG/TON. Fundición Partículas 0 .7 • Oxidos de Nitrógeno 3 .1 Oxidos de Azufre 1 .7 Monóxido de Carbono 0 .1 Estirado Partículas 1 .0 (Vidrio Plano) Oxidos de Nitrógeno 4 .0 Oxidos de Azufre 1 .5 Monóxido de carbono Prensado FUENTE : 4 0 .1 Partículas 8 .7 Oxidos de Nitrógeno 4 .3 Oxidos de Azufre 2 .8 Monoxido de Carbono 0 .1 Compilation of Air Pollutant Emission Factors AP-42, 4a . Edición, Sep . 1985 U.S . Environmental Protection Agency TABLA 3 .2 . : FACTORES DE EMISION EN LA FABRICACION DE VIDRIOS . Vidrio Flint Vidrio ámbar Partículas 0 .95 Kg/hr 2 .45 Kg/hr SO 3 17 ppm 15 ppm S0 2 250 ppm 315 ppm F 2 .2 ppm 1 .9 ppm Cl 4 .9 ppm 4 .1 ppm NOX 340 ppm 640 ppm CO 375 ppm 40 ppm FUENTE : Air Pollution Vol . IV Stern, A. Academic Press 1977. 4. FACTIBILIDAD TECNICO-ECONOMICA DE REDUCCION DE EMISIONES 4 :1 Experiencia internacional. De acuerdo con EPA (A P-42), la industria del vidrio utiliza preferentemente los equipos de control que se indican en la Tabla 4 .1 con las eficiencias que se indican ; por otro lado en el Stern se señala que en Estados Unidos - los equipos más utilizados, en este sector industrial son los precipitado-res electrostáticos y las casas de bolsas. 4 .2 Experiencia nacional. Las empresas mexicanas han utilizado en general sistemas convencionales de control en sus plantas, sin embargo, las eficiencias logradas pueden mejo-rarse reduciéndose con ello las emisiones actuales. 4 .3 Costos de control. Aunque en el momento actual es dificil el analizar costos de inversión y -operación debido al alto índice de inflación que afecta nuestra economía, es factible el 'analizar en forma relativa los costos que implican los di-versos sistemas de control utilizados en este sector en función de la efi-ciencia de control a lograrse. Así en el caso de las . partículas, 1ás opciones de control más utilizadas han sido las casas de bolsas y los precipitadores electrostáticos. En general como se puede ver en la Tabla 4 .1 las eficiencias de los siste-mas de casas de bolsas están en el rango del 99% al igual que los precipita dores electrostáticos . La gráfica de la Fig . 4 .1 muestra los costos compara tivos de ambos tipos de equipos. Conjuntando la información anterior, podemos señalar que la solución de precipitadores electrostáticos, representa la opción más económica por lo cual debe servir de base para la reglamentación correspondiente. 1 T A B L A 4 .1 TECNOLOGIA DE CONTROL UTILIZADA (USA) Particulas': e . ', Lavador Venturi t 95% Casas de Bolsas 99% Lavador de Baja Energía . 52% Precipitador'Electrostático 99% Oxidos de Azufre: Lavador Venturi 95% Lavador de Baja Energía 52% US $ 10 6 104 0 10 000 20 000 FIGURA 4 .1 m3 / min. 5. REGLAMENTACION DE EMISIONES. 5 .1 Experiencia internacional. Las emisiones atmosféricas de la industria del vidrio han sido reglamentadas en diversos paises ; la Tabla 5 .1 presenta los valores'de emisión mâxima permisible para las emisiones generadas en el proceso de fabricación del vidrio. Como puede verse en esta Tabla, la preocupación fundamental se orienta al -control de partículas, compuestos de fluor y bióxido de azufre, cuyos efec-tos en la flora y la fauna son bien conocidos. 5 .2 Experiencia nacional. A la fecha el único Reglamento aplicable . a las emisiones atmosféricas es el relativo a las partículas, en el cual se establecen valores de emisión en -función del peso del proceso (Art . 21, Tabla 1) del volumen de gases (Art . 21, Tabla 2), con valores que en general, resultan muy laxos comparados con las normas internacionales. Adicionalmente, tanto para partículas como para gases, son aplicables los va lores establecidos en 1982 como criterios de calidad del aire, de lot cuales son aplicables en forma directa para el caso de la industria del vidrio, el de partículas totales (275 mg/m 3 N) y el de bióxido de azufre (350 mg/m 3 N). 5 .3 Fundamentación técnica de los valores propuestos para normas de emisi6n. 5 .3 .1 Contaminantes por reglamentar. De acuerdo con el análisis previo, se considera que dentro del sector del -- TABLA 5 .1 REGLAMENTACION INTERNACIONAL JAPON : Partículas: n .g . 500 mg /Nm 3 n .e . 500 mg /Nm 3 Plomo: fusión secundaria 10 mg/Nm3 para aglomeración 30 mg/Nm 3 1 mg/Nm3 Cadmio : Dióxido de Azufre: i .n . i .e . Compuestos de Fluor • 450 mg /Nm3 500 mg /Nm3 1 mg/Nm3 REPUBLICA FEDERAL DE-ALEMANIA: Partículas : Compuestos de Fluor 150 mg/Nm 3 15 .mg/Nm 3 T A B L A 5 .1 .(CONTINUACION) ESTADOS UNIDOS: Partículas: Formación de Vidrio Vidrio para Recipientes ' , 0 .15 g/Kg . vidrio prod. 0 .10 g/Kg . vidrio prod . vidrio deberán de reglamentarse las emisiones totales de partículas de -bióxido de azufre. 5 .3 .2 Criterios para el establecimiento de las normas. Como criterios básicos para el establecimiento de las normas de emisión, se considraron: a) De factibilidad técnico-económica de control. Al respecto se considera como más adecuado el uso de precipitadores elec-trostâticos, por lo cual las eficiencias de control potencialmente alcanza bles se consideran del 99%. b) Necesidad de mantener la calidad del aire en la cona aledaña a las instalaciones dentro de las normas de calidad del aire. Al respecto se consideraron los criterios nacionales aplicados en 1982. c) Normas establecidas en otros países. Al respecto se consideraron los valores presentados en la Tabla 5 .1. 5 .3 .3 Factibilidad técnica de reducir emisiones. La Tabla 5 .2 presenta los valores de emisión que se tendrían en el proceso de producción de vidrio aplicando precipitadores electrostáticos para el -control de partículas. 5 .3 .4 Concentraciones máximas para no rebasar la norma de calidad de aire. Para este efecto, se consideró la dispersión de los contaminantes anotados - TABLA 5 .2 VALORES DE EMISION DE PARTICULAS AL UTILIZAR PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS Emisión Proceso Kg/Ton. Fundición 0 .007 Estirado 0 .01 Prensado 0 .087 suponiendo diversas condiciones de estabilidad. La Tabla 5 .3 presenta las bases de cálculo utilizadas, la Tabla 5 .4 las ecuaciones de cálculo y la Tabla 5 .5 los resultados obtenidos. 5 .3 .5 VALORES PROPUESTOS PARA NORMAS DE EMISION Conjuntando los criterios señalados previamente, en la Fig . 5 .1 se -presentan los rangos propuestos para normas de emisión máxima permisi ble para la industria del vidrio . TABLA 5 .3 BASES D` CALCULO PARA LA DISPERSION DE LOS CONTAMINANTES a) Condiciones Meteorológicas: a .l) Caso critico Estabilidad F Velocidad de Viento a .2) 2 m/seg. Caso Normal Estabilidad D Velocidad de Viento b) Características de la Emisión: Altura de Emisión c) 5 m/seg. 20 m Concentraciones Máximas Permisibles a Nivel Piso: Partículas Bióxido de Azufre 275 m01 3 350 mg/m 3 TABLA 5 .4 ECUACIONES UTILIZADAS Para ;:terminric 1<= distancia de la emisión máxima: a) d b) bH 2 an Para determinar 1s magnitud de la emisión : Q C ( c T Z y r~ U ) exp (0 .5 r (. H T2 Simbologla: a,b,c,d Parámetros pare cálculo de H y Ty (Porter) Altura de la emisi6n. ~-z Desviación estandard en la dirección z, y. U FUENTE : V Velocidad del aire. Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates. Dispersion Equation Solutions by Calculator . 2 ) TABLA 5 .5 CONCENTRACIONES MÁXIMAS PARA NO REBASAR LAS NORMAS DE CALIDAD DEL AIRE Caso más crítico 218 Kg/día Caso más frecuente 391 Kg/día Considerando capacidades promedio de 350 Ton/día En el caso más critico 0 .62 Kg/Ton. En el caso más frecuente 1 .12 Kg/Ton . NORMAS DEEMISION PROPUESTAS aw=p 0 .2 0 .3 INDUSTRIA INSTALADA INDUSTRIA NUEVA -0 .1 0 .2 CRITERIOS REGLAMENTACION INTERNACIONAL _. 0 .1 0 .25 NORMA DE CALIDAD DEL AIRE 0 .6 TECNOLOGIA DISPONIBLE 3 .1 0 .8 . . L . . 0 .5 . I 1 4 .0 EMISION ( :Kg /Ton) Partículas FIG .-5 .1 Rango propuesto para las normas de emisión. Industria del Vidrio INDUSTRIA DE LA CELULOSA Y EL PAPEL C O N T E N I D O 1. CONSIDERACIONES GENERALES. 2. DESCRIPCION DE LOS PROCESOS. 3. EMISIONES A LA ATMOSFERA. 4. FACTIBILIDAD TECNICO-ECONOMICA DE REDUCCION DE EMISIONES. 5. REGLAMENTACION DE EMISIONES . LA INDUSTRIA. DE LA CELULOSA Y PAPEL. 1 . CONSIDERACIONES GENERALES: En México, la industria de la Celulosa y Papel ocupa un lugar importante, debido al número de empleados y obreros que laboran en instalaciones de este tipo y por el valor de su producción. Las industrias de celulosa y papel pueden c :asificarse de la siguiente manera: 1. INDUSTRIAS INTEGRADAS: Son aquellas industrias que a partir de madera, bazo c' ._ - otras fibras secundarias, realizan las operaciones básicas de fabricación de pulpa en cualquiera de sus variedades, (mecánica, química o semiquímica) y fabricar papel en cualquiera de sus variedades. 2. INDUSTRIAS NO INTEGRADAS: Son aquellas industrias que sus actividades están orientadas fundamentalmente a la fabricación de celulosa o papel. Dentro de esta última clasificación, se emplean dos Tipos de proceso para la producción de celulosa y papel, los cuales son: - Proceso de Pulpa al Sulfato - Proceso de Pulpa al Sulfito . En general, los procesos productivos originan emisiones contaminantes a la atmósfera, tanto de polvos como de diversos gases (SG x NO x ' ; los cuales requieren ser controlados utilizando los equipos de control más eficientes. A fin de establecer los valores de emisión máxima permitida para este ramo industrial, en el presente estudio se analizan- los procesos pro ductores, sus emisiones sin control y la legislación internacional en la materia, estableciendo como conclusión de este análisis el rango de valores de emisión adecuado para México . 2 .0 DESCRIPCION DE LOS PROCESOS: 2 .1 PROCESO DE PULPA AL SULFATO: El proceso de Producción (Fig .2 .1), consta de dos partes importantes: - Fabricación de Pulpa - Recuperación de Reactivos. a. Fabricación de Pulpa: El proceso se inicia con la alimentación de los digestores con astillas de madera, las cuales se tratan con licor blanco (soluciónde hidróxido de sodio y sulfuro de sodio). Cuando las astillas y el licor reaccionan se lleva a cabo la digestión ; pero la pulpa obtenida no puede ser utilizada debido al licor residual que contiene y a otras impurezas como astillas no cocidas, nudos, etc ., las cuales son eliminadas me-diante depuraciones y lavados. Estas depuraciones se realizan utilizando mallas perforadas y mediante vibración se separan los nudos y astillas grandes y no cocidas, para ser regresados al sistema de digestión. Después se elimina el licor residual mediante lavado en tambores rotativos que contienen mallas, las . cuales permiten solo el paso del líquido y retienen la fibra. Se utilizan sistemas de lavado de tres pasos, es decir, el licor que desplaza el último lavador es utilizado para lavar en el segundo y el licor que se desplaza de éste sirve para lavar la pulpa en el primero . 1s 4 25 24 13 3 35 (36 DO 6 18 (22 23 32 7 26 21 ~.~. 9 10 31 30 0 28' Fabrica de Papel FIG . 2 .1 Producción de Cel, ulose y Papel (Proceso de Pulpa al Sulfato) . TABLA 2 .1 DESCRIPCION DE LA,FIGURA 2 .1 FABRICACION DE PULPA 1. Hidróxido d'e Sodio 2. Sulfuro de Sodio 3. Licor Blanco 4. Astillas 5. Digestor Pulpa 7. Impurezas 8. Lavador 9. Depurador 10. Astillas y Nudos Grandes no Cocidos 11. Recuperación de Reactivos 12. Licor Blanco Residual 13. Lavador de 3 Pasos 14. Depurador 15. Espesador 16. Laminador 17. Pulpa Final RECUPERACION DE REACTIVOS: 18. Licor Verde 19. Carbonato de Sodio 20. Sulfuro de Sodio 21. Cal 22. Lodos 23. Lavado de Lodos 24. Calcinación 25. Cal 26. Lavado 27. Licor Negro 28. Carbonato de Sodio 29. Sulfuro de Sodio 30. Compuestos de Azufre 31. Mercaptano 32. Combustión 33. Sulfato de Sodio 34. Sulfuro de Sodio 35. Compuestos Inorgánicos 36. Tanque de Disolución Después del lavado se realiza una depuración fina para obtener pulpa en forma de suspensión . Posteriormente, pasa a espesado res y laminadores y asi la pulpa obtenida de estos procesos se considera como producto final. b. Recuperación de Reacti"os: Esta parte del proceso consta de: - Evaporación - Caustificación - Combustión. -Evaporación: Durante el proceso de lavado se obtiene licor negro, el cual contiene : compuestos orgánicos, carbonato de sodio, sulfuro de sodio, compuestos de azufre y mercaptanos, el cual se con centra mediante evaporación que se realiza en evaporadores múltiples. -Caustificación: Su objeto es obtener licor blanco a partir de licor verde. El licor verde es una solución de carbonato de sodio y sulfu ro de sodio. Este licor es sometido a la acción de la cal, realizándose la siguiente reacción: Nao CO 3 + CaO + H2 0—~ 2NaOH + CaCO 3 De esta reacción también se obtienen lodos, los cuales se separan y lavan para después ser sometidos a un proceso de calcina ción para recuperar la cal. -Combustión: La combustión del licor negro se realiza agregándole sulfato de sodio, entonces los componentes orgánicos son quemados y los inorgánicos fundidos, pasando éstos últimos al tanque de disolución. Durante este proceso se producen reacciones que forman carbo nato de sodio y sulfuro de sodio. 2 .2 PROCESO DE PULPA AL SULFITO. El proceso de producción (Fig . 2 .2 .), consta de: -Fabricación de Pulpa -Fabricación de licor de cocción. a. Fabricación de Pulpa. El proceso se inicia con la alimentación de los digesto- res con astillas de madera, las cuales se tratan con licor de cocción (solución de bisulfuro de calcio y ácido sulfúrico). Cuando las astillas y el licor reaccionan, se lleva a ca bo la digestión disolviéndose la lignina de la madera y la hemicelulosa para compuestos simples . .¢ 22 3 7 21 8 .30 9 t 10 FIG . 2 .2 Producción de Celulosa y Papel (Proceso de Pulpa al Sulfiro) . TABLA 2 .2 DESCRIPCION DE LA FIGURA 2 .2 FABRICACION DE PULPA 1. Bisulfuro de Calcio 2. Acido Sulfúrico 3. Licor de Cocción 4. Astillas 5. Digestor 6. Pulpa 7. Impurezas 8. Lavador 9. Depurador 10. Astillas y Nudos Grandes no Cocidos 11. Recuperación de Reactivos 12. Licor Blanco Residual 13. Lavador de 3 Pasos 14. Depurador 15. Espesador 16. Laminador 17. Pulpa Final TABLA 2 .2 DESCRIPCIONJE LA FIGURA 2 .2 FABRICACION DE LICOR DE COCCION 18 . Horno 1.9 . Piedra Caliza 20. Azufre 21. Oxido de Azufre 22. Torre de Absorción 23. Carbonato de Calcio .2L . Agua 25. Sulfito de Calcio y Acido Carbónico 26. Anhídrido Sulfuroso 27. Bisulfito de Calcio 28. Sedimentación 29. Licor Clarificado 30. Almacenamiento 31. Fortalecimiento del Licor Los siguientes pasos realizados en el proceso productivo son los mismos que para el proceso de pulpa al sulfato anteriormente descritos. b. Fabricación de licor de cocción: Se inicia con la alimentación del horno con azufre y pie dra caliza, una vez que se inicia la combustión se forma anhídrido sulfuroso (SO 2 ), el cual se enfría posteriormen te. El anhídrido sulfuroso pasa a la Torre de Absorción, la cual contiene carbonato de calcio, por lo que se llevan a cabo las siguientes reacciones: Sor +' H 2O ----‘-CaCO3 - H 2CO3 Ca CO 3 + Ca SO 3 .+ SO2 + 2H 2 O —s-Ca (HSO 3 ) 2 + H2 0 El licor obtenido se sedimenta para obtener licor clarificado que posteriormente se almacena en recipientes llamados acumuladores. Posteriormente, el S02 proveniente del digestor se pone en contacto con el licor clarificado, lo cual se conoce como fortalecimiento del licor ya que se aumenta la concentración de SO 2 , en el licor de cocción . 3. EMISIONES A LA ATMOSFERA 3 .1 Aspectos Cualitativos. La industria de la celulosa y el papel presenta emisiones a la atmósfera, de diversos compuestos . La Tabla 3 .1 presenta un resumen de las posi- bles emisiones en las diversas actividades del sector. Así, en la preparación del material fibroso se emiten polvos orgánicos e inorgánicos, cuya magnitud y características dependen tanto de las materias primas como de la maquinaria ; sin embargo, estas emisiones se pre sentan como un problema de ambiente laboral y rara vez afectan el ambien te externo. En el caso de la pulpa al sulfato las principales emisiones son compuestos reducidos de azufre que originan los olores así como bióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y polvo . Los principales puntos de emisión se presentan en la Fig . 3 .1. Por otra parte, en el caso de la pulpa al sulfito las emisiones básicasson de bióxido de azufre y polvos con algunas emisiones menores de com-puestos odoríferas y óxidos de nitrógeno . (Fig . 3 .2). La fabricación de papel, proceso final de la industria no emite contaminantes a la atmósfera excepto cuando se utilizan en la misma aditivos vo látiles . TABLA 3 .1 EMISIONES DE LA INDUSTRIA DE LA CELULOSA Y EL PAPEL P artículas COperación ompuestos Comp . odoríficos SO 2 NOx de Cloro Preparación del material x fibroso Pulpa de sulfato x x - x x Pulpa al sulfito x x - x x Fabricación de papel - x x - - 21 So t 22 la S02 PART PART FIG . 3 .1 Emisiones en la Producción de Celulosa y Papel (Pulpa al Sulfato) Fair ca de Papel FIG . 3 .2 Emisiones en la Producción de Celulosa y Papel (Pulpa al Sulfito) 3 .2 Aspectos Cuantitativos. Desde el punto de vista cuantitativos, las Tablas 3 .2 y 3 .3 presentan -los factores de emisión, para los procesos descritos publicados por la Environmental Protection Agency de los Estados Unidos . Estos valores -- presentan emisiones sin control en instalaciones operando bajo condiciones normales de mantenimiento. La Tabla 3 .4 presenta los factores de emisión integrados para los diversos procesos. Dentro del proceso de producción de la celulosa y el papel, algunos as-pectos que se deben considerar para las emisiones de dióxido de azufre y de humo, son los siguientes: a) La temperatura del aire influye en la emisión de contaminantes . Asi, en la Figura 3 .3 se puede observar que a temperaturas menores de -280°F las emisiones de SO 2 son mayores que las de humo, mientras -que para temperaturas superiores las emisiones de humo superan a las de S0 2 . b) La relación de Azufre/Sodio del licor neg :o, influye en la emisión de contaminantes. En la Figura 3 .4 se muestra la relación de azufre/sodio del licor negro con la emisión de contaminantes ; en la cual se puede distinguir que al aumentar el valor de dicha razón se incrementa la emisión de SO 2 y disminuye la de humo . Para un valor aproximado de -- TABLA 3 .2 FACTORES DE EMISION EN EL PROCESO DE CELULOSA Y PAPEL 1 .- PULPA AL SULFATO: OPERACION : EMISIONES : KG/TON. Horno de cal Partículas Dióxido de azufre 22 .5 0 .15 Monóxido de carbono '5 .0 Acido sulfhídrico 22 .5 Tanque de disolución Recuperador y evaporador de contacto directo Partículas 2 .5 Dióxido de azufre .0 .05 Acido sulfhídrico 2 .5 Partículas 75 .C: Dióxido de-azufre 2 .5. Monóxido de carbono 1-30 Acido sulfhídrico 0 .02 Dióxido de azufre 0 .005 Acido sulfhídrico 0 .01 Digestor Acido sulfhídrico 0 .6 Evaporador de efectos múltiples Dióxido de azufre 0 .005 Acido sulfhídrico • 6 .0 Lavador FUENTE : Compilation of Air Pollutan Emission Factors. AP-42, , 4a . Edición Sep . 1985. US . Environmental Protection Agency. T A B L A 3 .3 FACTORES DE EMISION EN EL PROCESO DE CELULOSA Y PAPEL. PULPA AL SULFITO: OPERACION : EMISION : Sistema recuperador. Partículas Digestor Dióxido de azufre FUENTE : Kg/Ton. 1 .0 33 .5 Compilation of Air Pollutant Emision Factors AP-42, 4a . edición Sept . 1985 US . Environmental Protection Agency. TABLA 3 .4 FACTORES DE EMISION INTEGRADOS POR PROCESO 1. PULPA DE SULFATO KG/TON - .Partículas 100 Dióxido , de azufre 2. 2 .71 - Monóxido de carbono - Acido sulfhídrico 35 31 .63 PULPA DE SULFITO - Partículas - Dióxido de azufre 1 33 .5 FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors. AP-42, 4a . Edición Sep . 1985 U .S . Environmental Protection Agency 600 500 400 _ E?FISIONES (PP m ) 300 200 100 _ 0 100 200 300 TEMPERATURA 400 DEL' AIRE FIGURA . 3 . .3 500 , (Q F) EMISION(ppm) 800 ' 0 0 . 400 200 RAZON AZUFRE/SODIO EN EL LICOR NEGRO FIGURA 3 .4 0 .61 de S/Na, las emisiones de SO 2 y de' humo son iguales. En la Fig . 3 .5 se puede observar que la presencia de cloro en el licor negro incrementa significativamente las emisiones de humo ; pero a su vez ayuda al decremento de las emisiones de dióxido de azufre. Por otra parte, debido al contenido de cloro que présenta el licor negro, se pueden tener también emisiones de ácido clorhídrico . --Para valores mayores de 1 .5% de cloro en el licor, las emisiones de HC1 empiezan a disminuir. d) Otro aspecto a considerar para las emisiones de humo y de SO 2 es el poder calorífico. Así, al aumentar el poder calorífico disminuyen las emisiones de SO 2 y aumentan las de humo (Fig . 3 .6). e) La presencia de sólidos en el licor negro también influye en las emisiones de SO 2 y humo, como se puede observar en la Figura 3 .7 al aumentar la concentración de sólidos en el licor negro las emisiones de humo aumentan mientras que las de SO 2 disminuyen. Por otra parte, la Tabla 3 .5 presenta los factores de emisión determinados por el PNUMA para compuestos odoríficos en el proceso Kraft y la Ta- bla 3 .6 presenta los factores de emisión de NOx y partículas para este . proceso . EMISION (ppm) 800 600 400 200 0 1 2 3 PORCENTAJE DE-CLORO EN EL LICOR NEGRO FIGURA 3 .5 EMISION (ppm) 1800 1600 1200 800 400 . -5200 5600 , A000 6400 VALOR CALORIFICO DE SOLIDOS DEI : . HORNO (BTU/-Lb) FIGURA 3 .6 6800 EMISION (ppm) 500 400 300 200 100- { 58 PORCENTAJE 66 62 70 DE CONCENTRACION DE SOLIDOS EN EL LICOR NEGRO FIGURA 3 .7 TABLA 3 .5 FACTORES DE EMISION DE PRODUCTOS ODORIFICOS ( Proceso Kraft ) Kg S/Ton Punto de emisión CH3 SH -CH 3 SCH3 - CH 3 SSCH3 Digestor batch 0-0 .15 0=1 .3 0 .05-3 .3 0 .05-2 .0 Digestor continuo 0-0 .1 0 .5-1 .0 0 .05=0 .5 0 .05-0 .4 0 .05-1 .0 0 .1-1 .0 0 .1=0 .8 0 .05-1 .5 0 .05-0 .8 0 .05-1 .0 0 .05-1 .0 0-25 0-2 0-1 0-0 .3 (sin evap . directa) 0-1 0 .01 0 .01 0 .01 Tanque de disolución 0-1 0-0 .08 0-0 .5 0-0 .3 0-0 .1 0-0 .1 0-0 .1 Lavador Evaporador Horno recuperación (con evap . directa) Horno de recuperación Horno de cal . 0-0 .5 Cocido de Tall Oil 0-0 .5 0 .01 0 .01 0 .01 Estanque sedimentación 0-0 .5 0-0 .2 0 .01 0-0 .02 FUENTE : Environmental Management in The Pulp and Papel Industry UNEP Industry .& Environment Manual Series Núm . 1 1981 TABLA 3 .6 FACTORES DE EMISION EN PROCESO KRAFT Oxidos de nitrógeno Horno de recuperación 0 .2 Kg/Ton. Horno de cal 0 .2 Kg/Ton. Partículas Horno de recuperación 5-350 Kg/Ton. Tanque de disolución 0 .01-2 Kg/Ton. Horno de cal 1-100 Kg/Ton . FUENTE : Environmental Management in the Pulp and Paper Industry UNEP Industry & Environment Manual Series Núm . 1 1981 A su vez la Tabla 3 .7 presenta los factores de emisión para el proceso de pulpa al sulfito. 3 .3 Mediciones Nacionales En el caso de México se han llevado a cabo determinaciones de las :emisio nes de partículas y de bióxido de azufre cuyos resultados se presentan en la Tabla 3 .8. Adicionalmente, dado que el problén :a fundamental de este sector indus- trial es la emisión de olores se han llevado a cabo, en algunas instalaciones (Loreto y Peña Pobre) determinación del nivel de obras en base a observadores voluntarios considerando los umbrales de respuesta humana a compuestos odoríficos (Tabla 3 .9). 3 .4 Propuesta de Factores de emisión. Considerando que los valores reportados a nivel nacional son similares a los publicados por EPA, se propone el adoptar éstos como factores de emi sión (Tablas 3 .1, 3 .2 y 3 .3) . TABLA 3 .7 FACTORES DE EMISION EN EL PROCESO DE PULPA AL SULFITO' Bióxido de azufre Digestor 1-50 Kg/Ton. Lavador 1-10 Kg/Ton. 50 Kg/Ton . Evaporador Oxidos d~ nitrógeno Horno de recuperación 0 .2 Kg/Ton. Partículas Horno de recuperación 2-160 Kg/Ton. FUENTE : Environmental Management in the Pulp and Paper Industry UNEP Industry & Environment Manual Series. Nam . 1 . 1981 TABLA 3 .8 MEDICIONES NACIONALES (Proceso Kraft) Partículas b) Recuperador 80 .3 Kg/Ton Horno de cal 24 .6 Kg/Ton Bióxido de azufre Horno de cal 0 .49 Kg/Ton FUENTE : Control de emisiones en plantas de celulosa Kraft Salvador Mendiola México 1980 TABLA 3 .9 ti NIVELES UMBRAL DE OLORES Metil mercaptano 0 .8 - 2 .1 ppb Disulfuro de metilo 5 .6 ppb Sulfuro de metilo 1 .0 - 3 .9 ppb Acido sulfhídrico 0 .2 - 4 .7 ppb FUENTE : Environmental Manangement in The Pulp and Paper Industry PNUMA Industry & Environment' Manual Series 1 I 4. FACTIBILIDAD TECNICO - ECONOMICA DE REDUCCION DE EMISIONES 4 .1 Experiencia Internacional. De acuerdo con EPA (AP-42), la industria de la celulosa y-papel utiliza preferentemente los, equipos de control que se indicanen,~la : Tabla 4 ;1 . con las eficiencias que se indican ; por otro lado en Párker(.Industrial Air Pollution Handbook) se señala que en la Gran Bretaña los equipos`-más utilizados, en este sector industrial son los precipítadores-elec-trostáticos para las partículas. 4 .2 Experiencia Nacional. Las empresas mexicanas han utilizado en general sistema. corv :-% ::'a .. de control de partículas en sus plantas, presentándose en la Tabla 4 .2 los sistemas utilizados en las diversas instalaciones productivas ; sinembargo las eficiencias logradas pueden mejorarse reduciéndose con ello las emisiones actuales. Por lo que corresponde a los olores, en México se han desarrollado - -tres sistemas de control patentados internacionalmente. El sistema R-SH en el cual los gases con compuestos odoríficos se envían a una torre de absorción en la cual se ponen en con-tacto con licor blanco. El sistema TLT en el cual los gases del digestor se hacen reaccionar con cloro para convertir los compuestos odorificos en -compuestos sin olor, y TABLA 4 .1 TECNOLOGIA DE CONTROUTILIZADA 1. PROCESO DE PULPA AL SULFATO - - Partículas: Precipitador electrostático (85 - 99%) Lavador Venturi (80 - 90%) Ciclón (20 - 50%) Gases Horno de recuperación con lavador Venturi 2. (50 - 80%) PROCESO DE PULPA AL SULFITO - Partículas Lavadores - (95. - 98%) Gases Horno de recuperación con lavador -Venturi' . (30 - 90%): T A B L A 4 .2 TECNOLOGIA DE CONTROL NACIONAL Casas de bolsas -98 - 99% Torres de absorción 130 - 95% Precipitadores electrostáticos . 98 - 99% Lavadores Venturi 80 - 90% FUENTE : Control de emisiones en plantas de pulpa de celulosa Salvador Mendiola México 1980 El sistema de oxidación de licores negros en el cual los compues tos fétidos son oxidados con aire a presión y temperatura elevadas. 4 .3 Costos de Control. Dado que en general las instalaciones de producción de celulosa son de - gran capacidad y requieren de una inversión considerable, el aspecto de -costos del sistema de control de emisiones representa sólo una fracción de la inversión total . Por otra parte, en el caso de instalaciones ubicadas en zonas urbanas, los controles a aplicar, dada la molestia que provocan sus emisiones, deberán de ser los máximos sin importar los costos. De lo anterior se considera que el. aspecto restos zar el control de este sector . 5. REGLAMENTACION DE EMISIONES 5 .1 Experiencia Internacional. Las emisiones atmosféricas de la industria de la celulosa y papel han -sido reglamentadas en diversos países ; la Tabla 5 .1 presenta los valores de emisión mâxima permisible para las emisiones generadas en los diversos procesos de fabricación de la celulosa y papel. Como puede verse de esta Tabla, la preocupación fundamental se orienta al control de partículas y bióxido de azufre. 5 .2 Experiencia Nacional. A la fecha el reglamento aplicable a las emisiones atmosféricas es el re lativo a las partículas, en el cual se establecen valores de emisión en función del proceso (Art . 21, Tabla 1) del volumen de gases (Art . 21, Ta bla 2) con valores que, en general, resultan muy laxos comparados con -las normas internacionales. Adicionalmente, tanto para partículas comp para gases, son aplicables -los valores establecidos en 1982 como criterios de calidad de aire, de los cuales es aplicable en forma directa para el caso de la industria de la celulosa y el papel azufre (0 .13 ppm) . el de partículas (275 Ug/m 3 ) y los de bióxido de- T A B L A 5 .1 REGLAMENTACION INTERNACIONAL 1. Acido Sulfhídrico 10 mg /m3N España Suecia 2. Hornos de cal 50 mg/m3N Horno recuperación 10 mg /m 3 N Bióxido de Azufre Canadá Horno recuperación 150 g/Ton (Kraft) Evaporadores 15 g/Ton (Kraft) Horno de cal y otras actividades 112 - 225 g/Ton (Kraft) Dinamarca Nuevas instalaciones 10 Kg/Ton Instalaciones en operación 20 Kg/Ton España Proceso al sulfito (N) Instalaciones-en operación • 10 Kg/Ton 20 Kg/Ton T A :B L A 5 .1 (CONTINUACION) Suecia Global al sulfito 10 Kg/Ton Global al sulfato 5 Kg/Ton Estados Unidos 3. Digestores 5 ppm red Horno recuperación 5 ppm red Horno de cal 8 ppm red Partículas Canadâ Horno de cal (Kraft) . Horno recuperación (Kráft) 500 g/Ton 2500 g/Ton Cubas de disolución 250 g/Ton Global sulfito 2500 g/Ton España Global sulfito (N) 250 mg/m3 N Global sulfito (0) 500 mg/m 3 N Globál Kraft (N) 250 mg/m 3 N Global Kraft (0) 500 mg/m 3 N TABLA 5 .1 (CONTINUACION) Estados Unidos Calderas recuperación (Kraft) 100 mg/m 3N Horno de Cal (Kraft) 150 - 300 mg/m 3 N Suecia Horno recuperación 250 mg/m3N Horno de cal . 250 mg/m3N 5 .3 FUNDAMENTACION TECNICA DE LOS VALORES PROPUESTOS PARA NORMAS DE EMISION 5 .3 .1 Contaminantes por Reglamentar. De acuerdo con el análisis previo, se considera que dentro del sector cemento, deberán reglamentarse las emisiones totales de partículas y bió. xido de azufre. 5 .3 .2 Criterios para el Establecimiento de las Normas. Como criterios básicos para el establecimiento de las normas de emisiónse consideraron: a) Factibilidad técnico-económica de control. Al respecto se considera como más adecuado para las partículasel uso de las casas de bolsas, por lo cual las eficiencias de control potencialmente alcanzables se consideran de 99 .8% parapartículas ; en el caso del SO2 se considera que el horno de recuperación debe de equiparse con un lavador . (50-80%). b) Necesidad de mantener la calidad del aire en la zona aledaña a las instalaciones dentro de las normas de calidad del aire. Al respecto se consideraron los criterios nacionales publicados en 1982. c) Normas establecidas en otros paises . Al respecto se consideraron los valores presentados en la Tabla 5 .1. 5 .3 .3 Factibilidad Técnica de Reducir Emisiones. Considerando que la emisión de partículas se depura en un 99 .8% y la de SO 2 en un 80%, los niveles de emisión resultantes se presentan en la Ta-bla 5 .2. 5 .3 .4 Necesidades de M,.intener la Calidad del Aire en la Zona Aledaña a las Instalaciones Dentro de las Normas de Calidad de Aire. Al respecto, la Tabla 5 .3 presenta las bases de cálculo utilizadas para el análisis de dispersión de los contaminantes, 1s ..Tabla 5 .4 presenta las ecuaciones utilizadas para el cálculo-de la misma y la Tabla 5 .5 presenta los resultados obtenidos. Como . puede verse de esta última, las concentraciones máximas permisiblesdeben de situarse entre 475 y 1965 microgramos/m 3 para las partículas y entre 605 y 2502 microgramos/m 3 para el SO3 . 5 .3 .5 Reglamentación Internacional. De la Tabla 5 .1 se puede señalar que, el rango de concentraciones admisibles de partículas se encuentra entre 100 y 300 mg/m 3N, mientras que en el caso del bióxido de azufre entre 5 y 20 Kg/Ton . T A B L A 5 .2 NIVELES DE EMISION CON LA TECNOLOGIA DISPONIBLE a) Proceso Kraft Partículas 0 b) * ** SO2 0 .2 Kg/Ton . (66 mg/m 3N)* .54 Kg/Ton . (180 mg/m3N)* Proceso Sulfito Partículas 0 .002 Kg/Ton (0 .42 mg /m3N) ** SO 2 6 .7 Kg/Ton . (1396 mg/m3N) ** Considerando 3000 m3N gases/Ton. Considerando 4800 PNUMA OP . cit . m 3N gases/Ton. TABLA 5 .3 BASE DE CALCULO PARA LA DISPERSION DE LOS CONTAMINANTES a) Condiciones Meteorológicas a.1) Caso critico Estabilidad F Velocidad de viento 2 m/seg. a.2) Caso normal Estabilidad D Velocidad de viento 5 m/seg. b) Características de la . Emisión Altura de emisión 40 m. c) Concentraciones Máximas Permisibles a Nivel Piso Partículas 275 microgramos/m 3 N Bióxido de azufre 350 microgramos/m 3 N TABLA 5 .4 ECUACIONES UTILIZADAS a) Para determinar la distancia de la emisión máxima. BH2 1/2b a 2 (d+b) b) Para determinar la magnitud de la emisión Q = (C76eq'y U) exp (0 .5 1 NO) 2 Simbologla : a, b, c, d, parámetros para cálculo de . H altura de la emisión y (Porter) desviación estandard en dirección Z, y U FUENTE : velocidad del aire Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates Dispersión Equation Solutions by Calculator TABLA 5 .5 EMISIONES MÁXIMAS PERMISIBLES' PARA MANTENER LAS NORMAS DE CALIDAD Proceso Kraft. a .1) a .2) Condición mis adversa. Partículas 2 .28 Kg/ton . = 760 mg/m3 N S0,2 2 .90 Kg/ton . = 968 mg /m 3 N Condición más frecuente. Partículas 5 .90 Kg/ton. 1965 mg /m3 N .50 kg/ton 25C2 mg /m 3 N 7 50 2 b) Proceso al sulfito . b .l) b .2) Condición más ádver.sa. .475 mg/m 3 N Partículas 2 .28 kg/ton . S0 2 2 .90 kg/ton . _ :1)05 mg /m3 N . 5 .90 kg/ton = 1228 mg /m3N 7 .50 kg/ton = 1564 mg /m3 N Condición más frecuente. Partículas SO 2 5 .3 .6 . Valores Propuestos para Normas de Emisión. La Tabla 5 .6 presenta los valores de limites de emisión evaluados en base a cada uno de los criterios previamente anotados. De ella se sugiere que las normas de emisión de este sector se 'establezcan en el rango mostrado en las figuras 5 .1 y 5 .2 TABLA 5 .6 LIMITES PERMISIBLES DE'E.MISION a) Por tecnología de control. a .l) a .2) b) Proceso Kraft 0 .2 kg/ton. Proceso Sulfito 0 .002 kg/ton . 66 mg/m 3N 0 .42 mg/m3N SO2 Proceso Kraft 0 .54 kg/ton . 180 mg/m3N Proceso Sulfito 6 .7 kg/ton . 1396 mg/m 3N Para mantener la calidad del aire b .l) b .2) c) Partículas Partículas Proceso Kraft 2 .28 - 5 .90 kg/ton 760 - 1965 mg/m 3N Proceso Sulfito 2 .28 - 5 .90 kg/ton 475 - 1228 mg/m3N Proceso Kraft 2 .90 - 7 .50 kg/ton . 968 - 2502 mg/m3N Proceso Sulfito 2 .90 - 7 .50 kg/ton 605 - 1564mg/m3N SO2 Reglamentación internacional. c .l) Partículas c .2) SO 2 0 .3 - 1 .44 kg/ton . 5 - 20 kg/ton . 100 - 300 mg /m3N . 1042 - 6666 mg /m3 N NORMAS DEEMISION PROPUESTAS INDUSTRIA INSTALADA 150 300 INDUSTRIA NUEVA -- w""0000 66 150 CRITERIOS REGLAMENTACION INTERNACIONAL 300 500 NORMA DE CALIDAD DEL AIRE TECNOLOGIA DISPONIBLE 475 do. 1965 ~ 66 (--N --~ ~--' 500 EMISI0i } 1 4 4 1 1000 (MG/M 3 ) Part .% :utas FIG . .5 .1 Rango propuesto para las normas de emisión. Celulosa y Papel l NORMAS DE EMISION PROPUESTAS s INDUSTRIA INSTALADA nD - 1000 INDUSTRIA NUEVA -10 2000' 1000 CRITERIOS REGLAMENTACION INTERNACIONAL 10 NORMA DE CALIDAD — DEL AIRE TECNOLOGIA DISPONIBLE 6666 605 180 2500 1400 1000 2000 3000 4000' EMISION (MG/M 3 ) 5000 Bióxido de Azufre FIG .5 .2. Rango propuesto para la g: normas de emisión. Celulosa y Papel 6000 PROCESOS METALURGICOS C O N T E N I D O 1.- ACERACION (ARCO ELECTRICO) 2.- FIERRO GRIS (CUBILOTE) 3.- PRODUCCION PRIMARIA DE COBRE 1 .- ACELERACION (ARCO ELECTRICO) 1 .1 CONSIDERACIONES GENERALES. Existen diversos procesos de producción del acero dependiendo del tipo de horno que se utilice ;los cuales pueden ser: - De . oxígeno básico - De arco eléctrico - De hogar . abierto - De inducción En México, gran parte de la producción de acero (43%), se realiza en hor-nos de arco eléctrico . Mientras que el 57% utiliza horno de hogar abierto o de oxigeno básico. En general los procesos productivos de acero originan emisiones contaminan tes a la atmósfera, tanto en polvos como de diversos gases (CO,NOx ) los -cuales requieren ser controlados utilizando los equipos de control más efi cientes. A fin de establecer los valores de emisión máxima permitida para este proceso industrial, en el presente estudio se analizan los procesos productores, sus emisiones sin control, la factibilidad técnico-económica de control y la legislación internacional en la materia, estableciendo como con- clusión de este análisis el rango de valores de emisión adecuado .para México . 1 .2 DESCRIPCION DEL PROCESO. 1 .2 .1 Producción de Acero Mediante Horno de Arco Eléctrico. El objeto de este proceso es obtener acero mediante la refinación de arrabio, fierro esponja ochatarra. El proceso de producción (fig . 1 .2 .1) consta de 4 etapas básicas que se realizan en el horno. a) Carga delhorno. La carga inicial del horno la - :componen el mineral reducido y la chatarra . Esta operación se lleva a cabo descargando por la parte de arriba del horno, el contenido de una ollacesta sostenida por -una grua viajera. b) Fusión de la carga. Una vez cargado el horno, se tapa colocando la bóveda en su sitio y se introdúcen los electrodos para iniciar la fase de fusión. Puesto que no toda la carga puede introducirse en una sola opera--ción, es necesario hacerlo en partes para obtener con cierta facili dad un baño de mete: fundido . Posteriormente, son introducidos con tinuamente al horno el fundente y el mineral reducido, a través de una puerta lateral ; .operaci6n . que elimina la necesidad de abrir la parte superior del horno. c) Afinación. Concluida la fusión , se inicia el periodo de afinación a ajuste de c CARGA FUSION 3 AFINACION DESCARGA 4 5 (1) .Mineral Reducico (2) Chatarra (3) Fundente (4) EscOrias (5) Acero FIGURA 1 .2 .1 Proceso de Producción del Acero (Horno de Arco Eléctrico) la composición del acero, que se logra analizando el metal dentro del horno por medio de un espectógrafo de masas . Los resultados analíticos indican que ajustes en la calidad del acero se deban hacer, eliminando para ese efecto las impurezas, tales como azufre, fósforo,etc ., o bien, descarburando el acero mediante el -uso de- oxidantes y la alimentación de los gases directamente al : .r baño del metal fundido, hasta lograr la composición especificada del acero . La adición de los elementos empleados para la-afina--ción, se Lace para la puerta de carga, la que también sirve para descorificar. d) Descarga del horno. Cuando ha terminado la afinación, se procede a vaciar el horno '.nclinándolo hacia una olla previamente calentada que recibe el acero líquido . Por medio de una grita la olla es izada y colocado - - arriba de la plataforma de colada en fuente para llevar las lingoteras, en donde el acero se enfría y toma la forma y tamaño reque rido. La fig . 1 .2 .2 presenta en forma esquemática un horno de arco eléctrico. El proceso anterior se repite cíclicamente durante el periodo de trabajo . Un ciclo típico para la producción de 115 Ton . de acero en . 3 horas. Es necesario mencionar que existen hornos de arco eléctrico direc- 6 2 _L 7 5 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) Cables de energía Tapa giratoria Puerta del horno Horno Refractario Electrodos Pared refractaria Chatarra. FIG .1 .2 .2 Horno de Arco Eléctrico to e indirecto. El de arco indirecto se distingue porque los electrodos se encuen-tsan arriba del metal (chatarra) que es fundido por radiación . Mien tras que en el de arco indirecto, la corriente pasa por un electrodo sobre el metal . (proceso anteriormente descrito). El horno de arco indirecto puede ser: - De linea ácida - De línea básica El de línea ácida presenta hogar de arcilla y paredes de ladrillo - de sílice, este tipo de horno se usa para producir acero de baja -aleación, mientras que el de línea básica presenta hogar de magnesi ta con paredes de aluminio y magnesita, este tipo de horno se utili za para producir cualquier grado de acero. 1 .3 EMISIONES A LA ATMOSFERA. 1 .3 .1 Aspectos cualitativos. Todo el proceso descrito anteriormente emite en mayor o menor grado diversos contaminantes a la atmósfera, destacando partículas, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno (fig . 1 .3 .1). Sin embargo, estas emisiones no son constantes a lo largo del proce so sino que varían en su composición, granulometria y magnitud a lo largo del mismo . PART i Cli tiCo PART . S0 2 CO PART S0 2 PART. ESCARG 5 (1) Mineral Reducico (2) Chatarra (3) Fundente (4) Escorias (5) Acero FIGURA 1 .3 .1 Emisiones en el Pr'ceso de Producción del Acero (Horno de Arco Eléctrico) Así, la figura 1 .3 .2 presenta la variación típica de las emisiones de partículas durante un ciclo operativo, a su vez, las tablas 1 .3 .1 y 1 .3 .2 presentan las variaciones en composición y granulometría de las mismas. 1 .3 .2 Aspectos cuantitativos. Desde el punto de vista cuantitativo, la Tabla 1 .3 .3 presenta los factores de emisión, para el proceso descrito, publicados por la Environmental Protection Agency de los Estados Unidos. Estos valores representan emisiones sin control en instalaciones operando bajo condiciones normales de mantenimiento. Por otra parte, en la Tabla 1 .3 .4 se presentan factores de emisión publi cados en otros paises. 1 .3 .3 Mediciones nacionales. Dentro del sector siderúrgico se han llevado a cabo mediciones de las emisiones para el posterior diseño de equipos de control . La Tabla 1 .3 .5 presenta los resultados de algunas mediciones realizadas en México. 1 .3 .4 Factores de emisión propuestos. De los valores presentados en la Tabla 1 .3 .5 se puede ver que la emisión promedio de partículas, en el caso de establecimientos nacionales, es 25 .5 kg/ton .-Como este valor representa sólo un 2% arriba del valor publicado por EPA, se ' considera que, en ausencia de mediciones nacionales de CO y NO X son válidos los valores publicados en Estados Unidos . Afinación Fierro Esponja Chatarra 50 , 40 ~ 30 00 20 10 T 0 50 n 100 150 200 minutos Fig . 1 .3 .2 Variación de la emisión con el tiempo. T A B L A 1 .3 .1 COMPOSICION DE LAS EMISIONES DURANTE LA OPERACION DE UN HORNO DE ARCO ELECTRICO (%) Operación Fe 2 0 3 Cr 2 0 3 Fusión 56 .75 1 .32 10 .15 Oxidación 66 .00 1 .32 Soplado 65 .37 Afinación 26 .60 MnO CaO MgO Al 2 0 3 P205 SO 2 9 .77 3 .39 0 .46 0 .3i 0 .60 2 .08 5 .81 0 .76 6 .30 0 .59 6 .00 .0 .86 9 .17 2 .42 3 .10 0 .76 1 .84 0 .53 6 .70 35 .22 0 .55 7 .55 FUEÑTE : Contaminación en Siderurgia ILAFA - UNESIA Madrid 1975 SiO 2 , trazas T A B L A 1 .3 .2 GRANULOMETRIA DE LAS EMISIONES DURANTE LA OPERACION DE UN HORNO DE ARCO (%) .< 5pm 5 - 10 pm Carga 65 .85 17 .86 . Fusión 62 .86 35 .43 90 .65 7 .40 84 .89 12 .00 Afinación >10 pm 16 .47. 1 .71 :. .1 .95_ Finalización de afinación FUENTE : Estudio de contaminación de TAMSA BIDYPSA - 1972 3 .11 TABLA 1 .3 .3 FACTORES DE EMISION EN LA PRODUCCION DE ACERO POR ARCO .ELECTRICO OPERACION Carga del horno CONTAMINANTE `'- '? ÉMISiON Kg/Ton. Partículas 0 :7 Partículas 19 .0 Fundición y refs nación Proceso Integral Monóxido de carbono 9 .0 Oxidos de nitrógeno '0 .1 Partículas FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors AP-42 4 E Ed . Sept . 1985 U .S . Environmental Prote .tion Agency 25 .0 4 T A B L A 1 .3 .4 FACTORES DE EMISION PUBLICADOS EN OTROS PAISES España (1) . Con inyección de 0 2 12 Kg/Ton Kg/Ton Sin inyección de 0 2 G . Bretaña (2) Con inyección de 0 2 10 U .S .A . (3) FUENTES : Proceso total (1) Contaminación en Siderurgia ILAFA - UNESIA - MADRID 1975 (2) Industrial Air Pollution Handbook Parker A .- Mc . Graw Hill 1978 (3) Air Pollution (Vol IV, Stern A - Academic Press 1977 .5 Kg/Ton 5 - 25 Kg/Ton TABLA 1 :3 .5 MEDICIONES NACIONALES DE EMISIONES DE PARTICULAS DE HORNOS DE ARCO ELECTRICO HYLSA (1) 24 .6 Kg/Ton TAMSA (2) 27 .7 Kg/Ton FHASA (3) 28 .9 Kg/Ton Aceros Nacionales (3) 20 .8 Kg/Ton FUENTES : (1) Experiencias con una instalación para extracción y colec ción de polvos en un horno de arco para producción de -acero - Garza A, Treviño A Instituto Mexicano del Hierro y del Acero. (2) Estudio de contaminación del aire debida a polvos de las plantas TAMSA, FERALVER y METALVER BIDYPSA - 1972. (3) Cámara Nacional de la Industria del Hierro y del Acero - 1987. De lo anterior, la Tabla 1 .3 .6 presenta la propuesta de factores de emi sión nacionales, considerando la distribución en el tiempo del ciclo de proceso para la emisión de partículas. 1 .4 : FACTIBILIDAD TECNICO - ECONOMICA DE REDUCCION DE EMISIONES .' 1 .4 .1 Experiencia Internacional. De acuerdo con EPA (AP-42) la industria de acero utiliza preferentemente los equipos de control que se indican en la Tabla 1 .4 .1 con las eficiencias que se indican ; por otro lado, en el Parker (Industrial Air Po llution Handbook) se señala que én Gran Bretaña los equipos más utilize dos en este sector son los precipitadores electrostáticas y los res húmedos . En el caso de los gases, lavado- no se :lar: desarrollado sistemas de control dada su baja contribución al problema general de la contaminación atmosférica. 1 .4 .2 Experiencia Nacional. Las empresas mexicanas han utilizado en general sistemas convencionales de control en sus plantas, presentándose en la Tabla 1 .4 .2 los sistemas utilizados en las diversas instalaciones productivas ; sin embargo las eficiencias logradas pueden mejorarse con una buena operación y adecuado mantenimiento. 1 .4 .3 Costos de Control. Aunque en el momento actual es dificil el analizar costos de inversión y operación debido al alto indice de inflación que afecta nuestra eco-- T A B L A 1 .3 .6 FACTORES DE EMISION PROPUESTOS Descarga del horno T O T A L 25 =_=_== Monóxidó de carbono 9 Oxidos de nitrógeno '0 .1 T A B L A 1 .4 .1 TECNOLOGIA DE CONTROL UTILIZADA EN U .S .A. PRODUCCION DE ACERO Horno de arco eléctrico: Partículas: Precipitador Electrostático (92 - 98%) Lavador Venturi (94 - 98%) Casa de Bolsas (98 - 99%) FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors AP-42, 4a . Edición, Sept . 1985. US . Environtal Protection Agency. T A B L A 1 .4 .2 SISTEMAS DE CONTROL UTILIZADOS EN ALGUNAS EMPRESAS NACIONALES (1) Aceros Solar Bolsas Siderúrgica Tultitlán Bolsas Aceros Nacionales Bolsas Industrias Nylbo : Bolsas Fundición de Hierro y Acero Bolsas Aceros Corsa Bolsas Amsco Mexicana Bolsas Campos Hermanos Bolsas FUENTE : (1) Cámara Nacional del Hierro y el Acero 1987 . nomía, es factible el analizar en forma relativa los costos que implican los diversos sistemas de control utilizados en este sector en función de la eficiencia de control a lograrse. Así en el caso de las partículas, las opciones de control más utilizados han sido los .precipítádores electrostáticos, casa de 'bolsas y,lava rl dor venturi, presentándose en la Figura i .4 .1 un análisis comparativo de sus costos. Conjuntando la información anterior con la de la Tabla 1 .4 .1 podemos se ñalarque la solución de las casas de bolsas representa la opción más económica, por lo cual debe servir comc base para la reglamentación correspondiente. 1 .5 .0 REGLAMENTACION DE EMISIONES 1 .5 .1 Experiencia Internacional. Las emisiones atmósféricas de la industria del acero han sidoreglamentadas en diversos paises ; la Tabla 1 .5 .1 presenta los valores deemi- sión máxima permisible para las emisiones generadas en diversos paises. Como puede verse en esta Tabla, la preocupación fundamental se orienta al control de parti, :ulas. 1 .5 .2 Experiencia Nacional. A la fecha el único reglamento aplicable a las emisiones atmosféricas es el aplicable a las emisiones de partículas en el cual se establecen valores de emisión en función del peso del proceso (Art . 21 Tabla 1) - COSTOS DEL CONTROL PARA HORNOS DE ARCO ELECTRICO COSTO/TON/AÑO 100 50 0 0 25 150 a = Lavador venturi b = Precipitador electrostático c = Casas de bolsas Costo de inversión Costo de operación 250 T AB L A 1 .5 .1. REGLAMENTACION INTERNACIONAL DINAMARCA: - Partículas i .e . 500 mg/Nm3 i .n . 150 mg/Nm3 ESPAÑA : - Partículas i .e . 500 mg/Nm3 i .n . 350 mg/Nm 3 GRAN BRETAÑA: - Partículas 460 mg/Nm 3 JAPON : Partículas n .g . 400 mg/Nm3 n .e . 200 mg/Nm 3 T A B L A 1 .5 .1 CONTINUACION REP . FED . DE ALEMANIA: - Partículas 150 mg/Nm 3 SUIZA : - Partículas i .e . 0 .6 Kg/Ton. i .n . 0.3 Kg/Ton. SUECIA : - Partículas i .e . = Instalaciones existentes i .n . = Instalaciones nuevas n .g . = Normas generales n .e . = Normas especiales 50 mg/Nm 3 de volumen de gases (Art . 21 Tabla 2) con valores que en general resul tan muy laxos comparados con las normas internacionales. 1 .5 .3 Fundamentación Técnica de los Valores Propuestos para Normas de Emisión. 1 .5 .3 .1 Contaminantes por Reglamentar. De acuerdo con el análisis previo se considera que dentro del sector -de fundición de acero deberán reglamentarse las emisiones de partículas, ya que no se han desarrollado sistemas de control económica y técnicamente factibles para el CO y 1 .5 .3 .2 los NOx . Criterios para el Establecimiento de las Normas. Como criterio básico para el establecimiento de las normas de emisión se consideraron: a) Factibilidad Técnico - Económica de control. Al respecto se considera como más adecuado- .el uso de casa de bolsas, por lo cual las eficiencias de control potencialmente alcanzables se considera de 98 a 99%. b) Necesidad de mantener la calidad del aire en la zona aledaña a las instalaciones dentro de las normas de calidad del aire. Al respecto se consideraron los criterios nacionales publicados en 1982. c) Necesidad de reducir la emisión visible. Al respecto se consideró adecuado el establecer una opacidad Taxi ma de pluma del 20%. d) Normas establecidas en otros países. Al respecto se consideraron los valores presentados en la Tabla 1 .5 .1. 1 .5 .3 .3 Factibilidad Técnica de Reducción de Emisiones. Considerando como opción más adecuada de control el uso de casas de bol sas, las emisiones esperadas estarían en el rango de 0 .25 a 0 .50 Kg/Ton, lo cual, considerando el flujo promedio de gases que se generan en el proceso, daría concentraciones entre 340 y 680 mg/m 3N. 1 .5 .3 .4 Concentraciones máximas para no rebasar la norma de calidad de aire. Para este efecto, se consideró la dispersión de las partículas suponieñ do diversas condiciones de estabilidad. La Tabla 1 .5 .2 presenta las bases de cálculo utilizadas, la Tabla 1 .5 .3 las ecuaciones de cálculo y la Tabla 1 .5 .4 los resultados obtenidos. Como puede verse, en el caso de las partículas las concentraciones máxi mas permisibles deberán encontrarse entre 546 y 565 mg/m 3 . 1 .5 .3 .5 Concentraciones máximas para que la opacidad de la pluma no rebase el 20%. Tomando en consideración las características dispersivas del polvo emitido, así como su granulometría, en la Tabla 1 .5 .5 se presentan las bases de cálculo empleadas para estimar la opacidad de la pluma, en la Ta- T A B L A 1 .5 .2 BASES DE CALCULO PARA LA DISPERSION DE LOS CONTAMINANTES a) Condiciones Meteorológicas: a.1) Caso Critico Estabilidad F Velocidad de Viento a.2) 2m/seg . Caso Normal Estabilidad D Velocidad de Viento b) 5 m/seg. Características de la Emisión: Altura de la Emisión 25 m c) Concentraciones Máximas Permisibles a Nivel Piso Partículas (México) 275 mg/m3 T A B L A 1 .5 .3 ECUACIONES UTILIZADA .,- a) Para determinar la distancia de la dmisión máxima: 2 d = m a 1/2b (d+b) b) ' Para determinar la magnitud de la emisión: Q = ( c I~ fÍ~Q-y U) exp (0 .5 á~ 2) Simbologia : a,b,c,d, H y parámetros para cálculo de (Ft y (i y (Porter). Altura de la emisión. Desviación estandard en dirección, z,y U Velocidad del aire. FUENTE: Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates Dispersion Equation – Solutions . T A B L A 1 .5 .4 EMISIONES MÁXIMAS PERMISIBLES EN FUNCION DE LA DISPERSION Situación Critica Partículas 15 .93 Kg/hr Situación Normal 16 .48 Kg/hr Considerando las capacidades normales de las plantas (10 - 50 Ton/hr) Situación Critica Emisión (kg/Ton .) 1 .59 Situación Normal 1 .65 Concentración en los gases (mg/m3 N) 546 565 T A B L A 1 .5 .5 BASES DE CALCULO DE LA OPACIDAD DE PLUMA Máxima opacidad 20% (0 .2) Densidad del polvo 2 .1 g /cm 3 Indice de refracción del polvo 1 .46 Distribución de partículas pm Z. 5 X 71 .9 5-10 8 .3 10-20 6 .1 . 20-40 7 .5 . >40 6 .3 bla 1 .5 .6 se presentan las ecuaciones correspondientes y en la Tabla - 1 .5 .7 los resultados obtenidos. 1 .5 .3 .6 Normas vigentes en otros países. De la Tabla 1 .5 .1 se puede observar que los limites de emisión estableci dos en otros paises están generalmente en el rango de 150 a 500 mg/m3N ó entre 0 .3 y . 0 .6 Kg/Ton. 1 .5 .3 .7 Valores propúestos para normas de emisión. La Tabla 1 .5 .8 presenta un resumen de los valores resultantes de aplicar los criterios antes señalados. De la información de la misma se propone el establecer las normas de emi sión en el rango que se presenta . en la Fig . 1 .5 .1 . TABLA 1 .5 .6 ECUACIONES UTILIZADAS PARA EL CALCULO DE OPACIDAD 0 '1 100-T '= T = W - 3 {b 2 Ki = c.e (1) F Ki (2) dí (7 (2x i i (n- 1) ) (3) Tr d i i (4) 0 = Opacidad T = Transmitancia 0 = Diámetro de chimenea e Densidad de las . partículas = n = Indice de refracción W i = Peso de partículas de diámetro ñ = Longitud de onda (524 nm) FUENTE: Ledbetter J Air Pollution i T A B L A 1 .5 .7 CONCENTRACIONES MAXIMAS PARA QUE LA OPACIDAD DE LA PLUMA NO REBASE EL 20% b) Diámetro de chimenea 1 .5 m Concentración máxima 340 mg/m3 Diámetro de chimenea Concentración máxima _ 1 m 509 mg/m 3 T A B L A 1 .5 .8 RANGOS DE EMISION MAXIMA ACEPTABLE SEGUN LOS DISTINTOS CRITERIOS a) Por tecnología aplicable: 340-680 mg/m 3 N Para evitar el que se rebasen las normas de calidad del aire: 546 - 565 mg/m3 N c) Para evitar que la pluma rebase el 20% en opacidad: 340 - 509 mg/m3 N d) Rango de la legislación internacional. 150 - 500 mg/m3 N NORMAS . DE EMISION PROPUESTAS ) INDUSTRIA INSTALADA 340 INDUSTRIA NUEVA 150 500 340 CRITERIOS REGLAMENTACION INTERNACIONAL 150 500 NORMA DE CALIDAD DEL AIRE - ... 546 565 OPACIDAD 340 509' TECNOLOGIA DISPONIBLE . 340 •• ~~—; ZMISION (MG/M 3 ) ! 500 Partículas Fig . 1 .5 .1 Rango própuestopara"las normas de emisión. (Horno Eléctrico) ► 680 2. FUNDICION FIERRO GRIS (CUBILOTE) 2 .1 CONSIDERACIONES GENERALES: En México, la producción de hierro gris se realiza principalmente en hornos - de cubilote. De acuerdo con las necesidades nacionales se produce en diversas instalaClones como : - Fundición Pantitlán, S . A. - Fundidora Brigam, S . A. - Fundidora de Occidente, S . A. - Fábricas Orión, S . A. En general los procesos productivos de hierro gris originan emisiones conta minantes a la atmósfera, tanto de polvos como de diversos gases (CO x , NO x ) las cuales requieren ser controladas utilizando los equipos de control más eficientes. A fin de establecer los valores de emisión máxima permitida para este ramo industrial ., en el presente estudio se analizan los procesos productores, sus emisiones sin control, la factibilidad Técnico-económica de control y la legislación internacional en la materia, estableciendo como conclusión de este análisis el rango de valores de emisión adecuado para México. 2 .2 DESCRIPCION DEL PROCESO. 2 .2 .1 Producción de Hierro gris mediante horno de cubilote. El objetivo de este proceso es obtener hierro gris con el menor costo de operación posible y con un mínimo de mantenimiento del horno . El proceso de producción Fig . 2 .2 .1 se inicia con la carga'lel horno de cubi lote de : arrabio, chatarra de hierro gris, chatarra de acero, coque como com bustible y piedra caliza como fundente. La carga de hierro gris y coque debe ser en forma alternada en .una proporción de 1 a 10 respectivamente. Una vez cargado eL .horno se inicia su operación . Teoricamente se requierede 5 .78 m 3 de aire, con una presión que debe mantenerse dependiendo de: - Tamaño del cubilote - La clase de hierro que se fundirá Así, los cubilotes pequeños requieren'de una presión de 1200-2000 Pa . y los grandes requieren 7000 Pa. En ocasiones para mejorar la combustión en el cubilote se precalienta el aire por lo que el horno recibe el nombre de cubilote de aire caliente. El aire es introducido por medio de toberas, las cuales dependen del diámetro del cubilote, así los cubilotes pequeños utilizan 4 toberas y los grandes 8 o más . - La piedra caliza se agrega como fundente para: - Eliminar impurezas en el hierro - Protegerlo de la oxidación - Mantener a la escoria como fluido para retirarla fácilmente Una vez fundidos-todos los materiales con que se alimentó el cubilote, el hierro gris fluye hacia el vertedero de colada y la escoria fluye hacia el vertedero de escoria . Fundente Aire 1 3 4 5 (1) (2) (3) (4) (5) Materia Prima Horno de Cubilote Hierro gris fundido Vertedero de colada Vertedero de escoria. FIG .2 .2 .1 Prodruccibn de Hierro Gris El tiempo de operación de este tipo de horno es aproximadamente de 2 a 24 hras. continuas, después de las cuales debe pararse y dejarse enfriar para rea izar el mantenimiento de rutina (reconstrucción de la zona de fusión o cuba de cri-sol). En la Fig . 2 .2 .2 se muestra este tipo de horno. 2 .3 2 .3 .1 EMISIONES A LA ATMOSFERA .Aspectos Cualitativos. Todo el proceso descrito anteriormente emite, en mayor o menor grado diversos contaminantes a la atmósfera, destacando partículas, bióxido de carbono, bióxido de azufre, monóxido de carbono Fig . 2 .3 .1 . El tiempo de operación de este tipo de horno es aproximadamente de 2 a 24 hrs. continuas, después de las cuales debe pararse y dejarse enfriar para realizar el mantenimiento de rutina (reconstrucción de la zona de fusión o cuba de crisol). En la Fig . 2 .2 .2 se muestra este tipo de horno. 2 .3 EMISIONES A LA ATMOSFERA 2 .3 .1 Aspectos Cualitativos. Todo el proceso descrito anteriormente emite, en mayor o menor grado diversos contaminantes a la atmósfera, destacando partículas, bióxido de carbono, bióxido de azufre, monóxido de carbono Fig . 2 .3 .1. 2 .3 .2 Aspectos Cuantitativos. Desde el punto de vista cuantitativo, la Tabla 2 .3 .1 presenta los factores de emisión, para el proceso descrito, publicados por la Environmental - Protection Agency de los Estados Unidos. Estos valores representan emisiones sin control en'instalaciones operando bajo condiciones normales de mantenimiento. A su vez, la Tabla 2 .3 .2 presenta los factores de emisión presentados por - -otros autores. Por último, desde el punto de vista del tamaño de las partículas, la tabla - 2 .3 .3 presenta la granulometría de las emisiones de horno de cubilote. 2 .3 .3 . Mediciones Nacionales. Dado el problema que representan este tipo de hornos, la industria nacional ha PEE ;achis Eia .. . i ¡ .- . .r~~ 1171'rE . ~ i _ J 1 . :_~ .L-Í~y . . r . ~, L,:'i I {i_].! ...1 . i ü ; . .;, _ 1_1_1E4 _1 jr ;.7;l 1 , I,.: tr., .41,1 L I 1 , Puerta de carga I de L 11_ 1 r .. ; .E._ n E ;.',., ij' ';'- [- El .."L J7: ;1 :1 t7m,-- ...3. ..1 Piso ..; I , ---y ._i— ,; _ L... carga i Er— ----: 7 Cargas de metal 7)' -" ~~~' Wl', Boc Eri ,ia> de escoria-- i Inlrinas . I1 ir .n. ' ~,? ~i ` n..r n r''S ; .:In , Puertas rnleno :es en posiciOn Estaca aOleEEa r : : , ,rr A''' e 'd d e 'a n '' ' a --- Ye : ledor Carne ne vet* , FIG . 2 .2 .2 Diagrama de un horno de Cubilote . Fundente (1) (2) (3) (4) (5) Materia Prima Horno de Cubilote Hierro gris fundido Vertedero de colada Vertedero de escoria. FIG .2 .3~.1 Emisiones en la Producción de Hierro Gris TABLA 2 .3 .1 FACTORES DE EMISION EN EL PROCESO DE HIERRO GRIS (CUBILOTE) Partículas Monóxido de carbono 8 .5 Kg/ton. 145 . Kg/ton Dióxido de azufre 0 .6 kg/ton Plomo 0 .5-0 .6 kg/ton FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors AP-42 4a . Edición 1985 U .S . Environmental Protection Agency TABLA 2 .3 .2 FACTORES DE EMISION PARA CUBILOTES (PARTICULAS) Stern 5-22 kg/ton Parker 7-11 kg/ton TABLA 2 .3 .3 GRANULOMETRIA DE LAS EMISIONES DE HORNO DE'CUBILOTE ~m ‘ 2 14 2 - 5 10 5 - 10 10 10 - 20 . 10 20 - 50 17 50 - 100 17 100 - 200 15 ~ - 200 7 FUENTE : Compilation of Air Pollutants Emision Factors EPA AP-42 llevado a cabo mediciones de emisiones de partículas en varias instalaciones. Al respecto, la información recabada (SIDENA, METALVER) señala emisiones de partículas en el rango de 1 a 23 Kg/Ton . dependiendo del tamaño, carga de coque y limpieza de la chatarra utilizada. En el caso del CO, las mediciones realizadas en diversas fundiciones por la extinta SMA dieron valores de emisión entre 6 y 10 Kg/Ton . con postcombustión correspondiendo a valores entre 120 y 200 Kg/Ton . sin control. 2 .3 .4 F, .ctores de Emisión Propuestos. De la información anterior, podemos señalar que, en ' el caso de partículas, la emisión promedio nacional (12 Kg/Ton .) rebasa en un 41% al factor de la EPA,sin embargo es congruente con los valores publicados en otras fuentes. De lo anterior, para fines de estimación de emisiones, se proponen los factores de emisión que se presentan en la Tabla 2 .3 .4. 2 .4 FACTIBILIDAD TECNICO - ECONOMICA DE REDUCCION DE EMISIONES. 2 .4 .1 Experiencia Internacional. De acuerdo con EPA (AP-42) la industria del hierro gris utiliza preferentemen te los equipos de control que se indican en la Tabla 2 .4 .1 con las eficien- cias que se indican, por otro lado, en el Parker (Industrial Air Pollution -Handbook) se señala que en Gran Bretaña los equipos utilizados, en este sec-tor son los colectores de impacto, secos para pequeños hornos de cubilote y húmedos para cubilotes mayores. Como sistema de control en este último país, se ha desarrollado el llamado - TABLA 2 .3 .4 FACTORES DE EMISION PROPUESTOS Partículas ** 12 kg/ton CO 160 kg/ton SO 2 0 .8 kg/ton ** Plomo 0 .8 kg/ton ** Se consideró un incremento del 41% sobre los valores de EPA TABLA 2 .4 .1 TECNOLOGIA DE CONTROL UTILIZADA (USA) 1 .- PRODUCCION DE HIERRO GRIS - Partículas Lavadors húmedos alta energía 95% Casa de bolsa 98% - Monóxido de carbono incineradores 95% FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors AP-42, 4a . Edición, Sept . 1985 US . Environmental Protection Agency cubilote sin coque, el cual utiliza diesel o gas natural como combustible y con ello se abaten las emisiones de partículas en más del 80%. 2 .4 .2 Experiencia Nacional. Las empresas mexicanas han utilizado en general sistemas convencionales de control en sus plantas, presentándose en la Tabla 2 .4 .2 los sistemas utilizados en las diversas instalaciones productivas ; sin embargo las eficiencias logradas pueden mejorarse reduciéndose con ello las emisiones actuales. 2 .4 .3 Costos de Control. En el caso de los hornos de cubilote los costos de los equipos de control re presentan un factor critico, ya que usualmente, para hornos existentes repre sentan un costo mayor que el del propio horno. Ya un estudio realizado en 1982 por la extinta SMA señalaba como opción más económica el cambio de'proceso (cubilote sin coque u horno rotatorio) que la instalación de lavadores húmedos ; por lo anterior, desde el punto de vista de costos, la selección del sistema de control debe tomar en cuenta la vida útil del equipo instalado, sus costos de operación, el costo actual de un -sistema de control y comparar estos resultadós con la posibilidad de cambio de tecnología. Para los efectos de este estudio se considerarân sin embargo, lbs lavadores de alta energía (tipo venturi) ya que de todas formas son una opción más eco nómica que las casas de bolsas. ' En el caso del CO, la instalación de postquemadores ha demostrado ser la solución más económica . TABLA 2 .4 .2 SISTEMAS DE CONTROL UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA NACIONAL SISTEMA EFICIENCIA Capuchón húmedo 50% Lavador húmedo 80% Cubilote sin coque 87% 2 .5 .0 REGLAMENTACION DE EMISIONES. 2 .5 .1 Experiencia Internacional. Iras emisiones atmosféricas de la industria de la fundición de hierro gris han sido reglamentadas en diversos países ; la Tabla 2 .5 .1 presenta los va lores de emisión máxima permisible para las emisiones generadas en diver- sos países. Como puede verse en esta Tabla, la preocupación fundamental se orienta al control de partículas. 2 .5 .2 . Experiencia Nacional. Ala fecha el único Reglamento aplicable a las emisiones atmosféricas es "el aplicable a las emisiones de partículas, en el cual se establecen v .slo res de emisión en el Artículo 26. Señalándose que se deberán instalar equipos de control con una eficiencia minima del 80%, reglamentación muy laxa comparada con la de otros países. 2 .5 .3 Fundamentación técnica de los valores propuestos para normas de -emisión. 2 .5 .3 .1 Contaminantes por reglamentar. De acuerdo con el análisis previo, se considera que dentro del sector de fundición de hierro gris deberán reglamentarse las emisiones totales de -partículas y monóxido de carbono. 2 .5 .3 .2 Criterios para el establecimiento de las normas. Como criterios básicos para el establecimiento de las normas de emisión - TABLA 2 .5 .1 REGLAMENTACION INTERNACIONAL FRANCIA CAPACIDAD 2 ton/ h 2- 10 ton/h - 10 ton/h PARTICULAS 2 kg/t 2 .3 - 0 .15 T kg/t 28/4 .5 T Kg/t (T = toneladas/hora de capacidad) -GRAN BRETAÑA De aire caliente 115 mg PS/m 3 N De aire frío Capacidad 3 ton/h Partícula 9 3 7 .1 4 7 .8 8 .2 5 6 7 8 9 10 > 10 kg/h 8 .6 8 .9 9 .2 9 .5 9 .8 10 + 0 .24 TA (TA = toneladas adicionales a 10) JAPON Partícula General Cubilotes pequeños 400 mg/m 3 N cubilotes grandes Zonas especiales Partículas 200 mg/m 3 N cubilotes pequeños 200mg/m 3 N cubilotes grandes SUECIA . 35/T + 3 (T = prod . anual en miles de toneladas) 100 mg/m 3 N TABLA 2 .5 .1 (CONTINUACION) URSS 80 - 100 mg /m 3 N Partículas < 0 .1 % CO YUGOESLAVIA Partículas mg/m 3N Flujo gases .20 000 m 3 N/h 20 000 - 60 000 R .D .A. (i) = instalado <10 % CO Partículas < 1000 mg /m3N ESPAÑA 400 (n) 600 (i) 150 (n) 500 (i) ? 60 000 (n) = nuevo 600 (n) 800 (i) Zona Industrial < 400 mg /m3N Residencial poco poblada < 150 mg /m3 N Residencial muy poblada Producción Partículas mg/m 3N < 5 t/h 800 (i) - 600 (n) >5 t/h 600 (i) - 300 (n) (i)= instalado (n)= nuevo DINAMARCA Partículas (n) 35/(A + 3) kg/ton (i) 50/(A + 3) kg/ton A = Producción miles ton/año R .F .A . Producción Partículas 14 t/h 1 .5 kg/ton 14 t/h 0 .25 kg/ton se consideraron: a) Factibilidad técnico - económica de control. Al respecto se considera como mg s adecuado el uso de lavadores húmedos, por lo cual las eficiencias de control potencialmente alcanzables se consideran de 95%. b) Necesidad de mantener la calidad del aire en la zona aledaña a las -instalaciones dentro de las normas de calidad de aire. Al respecto se consideró los criterios nacionales publicados en 1982 y en caso de contaminantes no normados en México, se . consideraron normas de di-versos países. c) Necesidad de reducir la opacidad de la pluma visible. Al respecto se considera adecuado el aceptar la opacidad de 20% dependiendo de la ubicación de la fuente y su magnitud. d) . Normas establecidas en otros países. Al respecto se consideraron los valores presentados en la Tabla 2 .5 .1. e) Tamaño y producción del horno. Dadas las características de esta industria se considera adecuado que la -reglamentación tome en cuenta tanto el tamaño del cubilote como su período de producción. 2 .5 .3 .3 Factibilidad técnica de reducción de emisiones. Al respecto, considerando para las partículas el uso de lavadores venturi - con 95% de eficiencia, y para el CO postquemadores con 95% de eficiencia, las emisiones finales resultan de 0 .6 Kg/Ton para las partículas y de 8 Kg/Ton para el CO . Considerando que en promedio el volumen de gases es de 2500 m 3 N/Ton las concentraciones resultantes soh de 240 mg/m 3 N para -las partículas y de 0 .25% en volumen para el CO. 2 .5 .3 .4 . Concentraciones máximas para no rebasar la norma de 'calidad del aire. Para este efecto, se consideró la dispersión de las part :colas suponiendo diversas condiciones de estabilidad. La Tabla 2 .5 .2 presenta las bases de cálculo utilizadas, la Tabla 2 .5 .3 las ecuaciones de cálculo y la Tabla 2 .5 .4 los resultados obtenidos. Como puede verse, en el caso de las partículas las concentraciones máximas permisibles deberán encontrarse entre 9 y 24 Kg/Ton o considerando el volu men de gases, entre 71 y 726 mg/m3 N dependiendo del tamaño del cubilote. 2 .5 .3 .5 Concentraciones para que la opacidad de la pluma no rebase el 20%. Al respecto la Tabla 2 .5 .5 presenta las bases del cálculo, la Tabla 2 .5 .6 las ecuaciones utilizadas y la Tabla 2 .5 :7 los resultados obtenidos . Como puede observarse, el rango de concentraciones admisibles está entre 716 y 1074 mg/m 3 N. 2 .5 .3 .6 Reglamentación Internacional. Del análisis de la información de la Tabla 2 .5 .1 destacan los siguientes criterios: a) Establecer los limites de emisión en función del tamaño del horno,y TABLA 2 .5 .2 BASES DE CALCULO PARA LA DISPERSION DE LOS CONTAMINANTES a) COÑDICIONES METEOROLOGICAS a.1) Caso crítico Estabilidad F Velocidad de viento 2 m/seg. a.2) Caso normal Estabilidad D Velocidad de viento 5 m/seg. b) CARACTERISTICAS DE LA EMISION Altura de la emisión c) 10 m. CONCENTRACIONES MAXIMAS PERMISIBLES A NIVEL PISO Partículas (México) 275 microgramos/m 3 TABLA 2 .5 .3 ECUACIONES UTILIZADAS a) Para determinar la distancia de la emisión máxima 1/2b ' bH 2 a 2 (d+b) b) Para determinar la magnitud de la emisión. 2 Q = (C'TC 6~ Q"y U) exp ((Q .5) TE 1 Simbología: a,b,c,d parámetros para cálculo de( ri y ry (Porter) H altura de la emisión Desviación estándard en dirección z,y U Velocidad del Aire. FUENTE : Workbook of .(Atmospheric Dispersion Estimates. Dispersión Equation solutions by Calculator TABLA 2 .5 .4 CONCENTRACIONES MAXIMAS PERMISIBLES PARA CUMPLIR CON LA NORMA DE CALIDAD DEL AIRE (PARTICULAS) Emisión en condición más desfavorable 492 mg/seg = 1,77 kg/hr Emisión en condición normal 1512 mg/seg = 5 .4 kg/hr Considerando el tamaño del cubilete para 3 ton/hr. Cond . desfavorable 236 mg/m3 r' (0 .59 kg/ton) Cond . favorable 726 mg/m3 N (1 .8 kg/ton) Para 5 ton/hr Cond . desfavorable 142 mg/m3 N (0 .35 kg/ton) Cond . favorable 435 mg/m 3 N (1 .08 kg/ton) 71 mg/m 3 N (0 .18 kg/ton) 218 mg/m3 N (0 .54 kg/ton) Para 10 ton/hr Cond . desfavorable Cond . favorable TABLA 2 .5 .5 BASES DE CALCULO DE LA OPACIDAD DE PLUMA -Máxima opacidad 20 - 40 % Densidad del polvo 3 .3 g/cm3 Indice de refracción del polvo 1 .46 Distribución de partículas L 5 Fuente : 71 .9 5 - 10 8 .3 10 - 20 6 .1 20 - 40 7 .5 i40 6 .3 Air Pollution Engineering Manual US EPA AP-40 1973 (0 .2 - 0 .4 ) T A B L A 2 .5 .6 ECUACIONES UTILIZADAS PARA EL CALCULO DE OPACIDAD 0 = 100-T Ln T = - 3 0 2 ~ f ( 2 Ki = (1) E KiW i 1=1 di (n-1) ) 'T d i X 0 = Opacidad T = Transmitancia 0 t = Diámetro de chimenea = Densidad de las partículas n = Indice de refracción Wi = Peso de partículas de diámetro Longitud de onda (524 nm) FUENTE : Lebetter J Air Pollution (2) (3) (4) TABLA 2 .5 .7 CONCENTRACIONES MAXIMAS PARA QUE LA OPACIDAD DE LA PLUMA NO REBASE EL 20% a) Diámetro de chimenea Concentración máxima b) 1 .5 m 716 mg/m3 Diámetro de chimenea Concentración máxima 1074 mg/m 3 b) Establecer diversos limites según la zona de ubicación. Los valores límites más generalizados a nivel internacional están en el rango de 80 .a 800 mg/m 3N, o entre 0 .25 y 1 .5 Kg/Ton. 2 .5 .3 .7 Valores propuestos para normas de emisión. Considerando todos los factores analizados, se considera adecuado el esta blecer las normas de emisión para los hornos de cubilote en función de su tamaño y ubicación como se presenta en la Fig . 2 .5 .1 . NORMAS DE EMISION . PROPUESTAS INDUSTRIA INSTALADA nOOOI•..•I• 350 650 INDUSTRIA NUEVA 200 500 CRITERIOS REGLAMENTACION INTERNACIONAL 80 NORMA DE CALIDAD DEL AIRE 800 71 726 OPACIDAD 716 TECNOLOGIA DISPONIBLE 1074 200 240 --1-f F I ! . 500 EMISION (MG/M 3 ) 1000 Particulas Fig .2 .5 .1 Rango propuesto para - las normas de emisión. (Cubilote paraHierro Gris) 1500 3 .0 FUNDICION PRIMARIA DEL COBRE 3.. .1 CONSIDERACIONES GENERALES En México se tiene dos grandes fundiciones de cobre ubicadas en el Estado de Sonora, cuyo control ambiental ha quedado plasmado en el Conve nio México - Estados Unidos para reducir la contaminación en la franja fronteriza (Anexo IV). En general el proceso productivo del cobre origina emisiones contami-nantes a la atmósfera, tanto de polvos como de diversos gases(SOX -- NOx ), las cuales requieren ser controladas utilizando los equipos de control más eficientes. A fin de establecer los valores de emisión máxima permitida para esteramo industrial, en el presente estudio se analiza el proceso producti vo, sus emisiones sin control, la factibilidad técnico - económica de control y la legislación internacional en .la materia, estableciendo co mo conclusión de análisis el rango de valores de emisión adecuado para México. 3 .2 .DESCRIPCION DEL PROCESO 3 .2 .1 FUNDICION PRIMARIA DEL COBRE (PROCESO REVERBERO) El proceso de producción (Fig 3 .2 .1) parte del minera]. llamado calcopiri ta, el cual es pulverizado y mezclado con cal y materiales silicos. A continuación pasa a tolvas de estratificación para concentrar el cobre, una vez realizado ésto, se tuesta el mineral para formar una mez-cla de FeO, S1O 2 ,FeS y CuS denominada mezcla calcinosa . . Esta mezcla -pasa al horno de reverbero para ser fundida, donde se le agrega caliza entonces la mayor parte de hierro es eliminado como escoria y una mez-cla de hierro y cobre (ganga) pasa al convertidor I 0 Quijadas quebradoras Tolvas de ettratificaciÓn Tostador de gas Tostaci0n ~ Calentador para planta de poder Concentrados de tostación !'.orno de reverbero " Ganga " de > Vaciado de escoria cobre Convertidor > "Cobre "blister" ---- ; Refinado FIG .3 .2 .1 Producción de Cobre (Proceso de Reverbero) El convertidor se abastece con aire para que el sulfuro de cobre se con vierta en óxido de cobre. Cuando se elimina el aire, el óxido de cobre reacciona con el sulfuro cuproso, formándose el cobre blister. Finalmente el cobre blister es refinado mediante diversos procesos de-pendiendo del uso final a que se destine el cobre. 3 .2 .2 FUNDICION PRIMARIA DEL COBRE (PROCESO FLASH) En este proceso se integran en una sóla operación el tostado de los mine rales y su fusión, las cuales en el proceso de reverbero se llevan a ca bo en equipos independientes. Existen dos tipos fundamentales de hornos para el proceso flash : uno que trabaja con soplado de oxigeno y otro que utiliza soplado de aire precalentado. A diferencia del horno del reverbero la fuente principal de calor para el proceso es el concentrado de sulfuros que se procesan. Este proceso se presenta en la Fig . 3 .2 .2 ; los concentrados secos se -alimentan junto con un aditivo fundente en el reactor u horno en el - cual se inyecta una corriente precalentada de aire o de oxigeno. El tostado y la fusión toman lugar simultâneamente, .convirtiindose las partículas de concentrado en una masa liquida, generándose suficiente calor de la reacción que se presenta, el cual mantiene la masa fundida. La " ganga " formada es extraída en forma continua . 1 3 5 { s) a 8 1. Concentrados Secos 2. Aditivos (fundentes) 3. Reactor u Horno 4. Aire Precalentado u Oxigeno 5. Ganga 6. Convertidor 7. Cobre Blister 8. Refinación FIG . 3 .2 .2 PRODUCCION DE COBRE (PROCESO FLASH) Entre los hornos mg s utilizados en este proceso se tiene el Outukumpu, el INCO y el Kivcet. La " ganga " producida es tratada posteriormente en convertidores conven cionales para obtener el cobre " blister " , el cual se refina de acuerdo con su uso final. 3 .3 EMISIONES A LA ATMOSFERA 3 .3 .1 ASPECTOS CUALITATIVOS. Los procesos anteriormente descritos emiten en mayor o menor grado di-versos contaminantes a la atmósfera, destacando partículas (fundamental mente de cobre y hierro) y dióxido de azufre (Fig . 3 .3 .1 y 3 .3 .2). Es importante el anotar que, en el caso de los hornos de reverbero la emisión de SO 2 se dá en concentraciones bajas lo cual crea serios pro-blemas para su control ; por el contrario el proceso flash dá origen a una corriente rica en SO 2 lo cual facilita su control. 3 .3 .2 ASPECTOS CUANTITATIVOS. Desde el punto de vista cuantitativo, la Tabla 3 .3 .1 .presenta los facto res de emisión, para los procesos descritos, publicados por la Environ mental Protection Agency de los Estados Unidos. Estos valores representan emisiones sin control en instalaciones, operando en condiciones normales de mantenimiento . Mine 1 calo hita Tostada de gas FIG . 3 .3 .1 Emisiones en la Producción de Cobre (Proceso de Reverbero) ./ PART PART SO 2 Concentrados 1. Secos 2. Aditivos (fundentes) . 3. Reactor u Horno 4. Aire Precalentado u Oxigeno 5. Ganga 6. Convertidor 7. Cobre Blister 8. Refinación FIG .3 .3 .2 EMISIONES EN LA PF!)UCCION DEL COBRE (PROCESO FLASH) T A B L A 3 .3 .1 FACTORES DE EMISION EN LA FUNDICION PRIMARIA DE COBRE a) Proceso con horno de reverbero a .l) Tostador de hogar múltiple-horno de reverbero-convertidor Partículas SO 2 a .2) 530 Kg/Ton. Tostador de lecho' móvil-horno de reverbero-convertidor Partículas SO 2 b) 65 Kg/Ton. 43 Kg/Ton. 540 Kg/Ton. Proceso flash Secador de concentrados-horno flash-convertidor Partículas SO 2 FUENTE : Compilation of Air Pollutant Emission Factors AP-42 4a . Edición 1985 US . E .P .A . 80 Kg/Ton . 531 Kg/Ton. 3 .3 .3 MEDICIONES NACIONALES De información proporcionada por la Asociación Nacional del Cobre, la Tabla 3 .3 .3 presenta losvalores de emisión determinados para el proceso de reverbero. Como puede notarse, los valores nacionales en el caso del horno de re verbero son menores que los publicados en otros paises ; a su vez, el SO2 generado en el convertidor presenta valores mayores que los de -EPA. 3 .3 .4 FACTORES DE EMISION PROPUESTOS En base a lo anterior, considerando que la información nacional es muy puntual, se recomienda el tomar como factores de emisión de este pro-ceso los valores publicados por la EPA. 3 .4 FACTIBILIDAD TECNICO-ECONOMICA DE REDUCCION DE EMISIONES. 3 .4 .1 EXPERIENCIA INTERNACIONAL De acuerdo con EPA (AP-42), la industria del cobre utiliza preferente mente los equipos de control que se indican en la Tabla 3 .4 .1 .con las - . eficiencias que se indican ; por otro lado, en el Parker (Industrial -Air Pollution Handbook) se señala que en la Gran Bretaña los equipos m g s utilizados, en este sector industrial son los precipitadores electrostáticos y las casas de bolsas . TABLA 3 .3 .3 MEDICIONES NACIONALES Horno reverbero Partículas 188 17 Kg/Ton. S0 2 Kg/Ton. Convertidor 500 S0 2 Kg/Ton. FUENTE : Asociación Nacional del Cobre . TABLA 3 .4 .1 TECNOLOGIA DE CONTROL UTILIZADA (USA) Partículas: Precipitador Electrostático Precipitador Electrostático Caliente de Etapa Simple (20-80%) Precipitador Electrostático Frío de Etapa Simple (99%) Dióxido de Azufre: Plantas de Acido Sulfúrico: Planta de Acido de Contacto Directo (96%) Planta de Acido de Contacto Doble (99 .8%) 3 .4 .2 EXPERIENCIA NACIONAL En el caso de las fundiciones mexicanas se pueden considerar dos situaciones diferentes ; por una parte, tecnología de control ineficiente en plantas antiguas como es el caso de Cananeay por otra plantas modernas donde es factible el instalar sistemas de control de alta eficiencia co mo es el casó de La Caridad. En ambos casos sin embargo, el control se ha orientado fundamentalmente a las partículas, sin considerar integralmente al bióxido de azufre. Así, en el caso de horno de reverbero se han utilizado lavadores húme-dos con baja eficiencia. En todo caso, las eficiencias actuales de control pueden mejorarse conuna adecuada- operación y buen mantenimiento. 3 .4 .3 . COSTOS DE CONTROL No existiendo opciones tecnológicas para el control de partículas en -adición al uso de precipitadores, no se presentan opciones económicas alternas . En el caso del bióxido de azufre, las opciones técnicas de conversión a ácido sulfúrico o a azufre elemental tienen un fuerte componente en la demanda de estos productos, siendo actualmente más favora ble la producción de ácido . 3 .5 REGLAMENTACION DE EMISIONES 3 .5 .1 EXPERIENCIA INTERNACIONAL Las emisiones atmosféricas de la industria del cobre han sido regla-mentadas en diversos países ; la Tabla 3 .5 .1presenta:losvalores de emi sión máxima permisible para las emisiones generadas en el proceso defabricación del cobre. Como puede verse de esta Tabla, la preocupación fundamental se orienta al control de partículas y bióxido de azufre, cuyos efectos sobre todo de este último como precursor de la lluvia ácida son bien conoci dos. 3 .5 .2 EXPERIENCIA NACIONAL A la fecha el•último Reglamento aplicable a las emisiones atmosféricas es el relativo a las partículas, en el cual se establecen valores de emisión en función del peso del proceso (Art . 21, Tabla 1) del volumen de gases (Art . 21, Tabla 2) con valores que, en general, resultan muy laxos comparados con las normas internacionales . Respecto del bióxido de-azufre no existe normatividad de emisiones. Adicionalmente, tanto para partículas como para gases, son aplicables los valores establecidos en 1982 como criterios de calidad de aire, de las cuales es aplicable 'en forma directa para el caso de la industria del cobre el de partículas (275 Ug/m 3 ) y el. de bióxido de azufre (0 .13 ppm) . a T A B L A 3 .5 .1 REGLAMENTACION INTERNA.CIONAL ESPAÑA : Dióxido de Azufre - - i .e . 5700 mg /Nm 3 i .n . 2850 mg /Nm 3 Partículas Para la Fusión i .e . 400 mg /Nm 3 i .n . 300 mg /Nm 3 Para la Refinación i .e . 600 mg /Nm 3 i .n . 500 mg /Nm3 --_.ESTADOS UNIDOS: - Dióxido de Azufre - Partículas 0 .065% volumen 50 mg/Nm3 DINAMARCA : - Partículas i .e . 4 Kg/Ton. i .n . 2 Kg /Ton. T A B L A 3 .5 .1 (CONTINUACION) GRAN BRETAÑA : Partículas 115 mg/Nm3 Partículas 400 mg/Nm 3 JAPON: i .e. Instalación ya establecida. i .n . Instalación nueva . 3 .5 .3 FUNDAMENTACION TECNICA DE LOS VALORES PROPUESTOS PARA NORMAS DE EMISION. 3 .5 .3 .1 CONTAMINANTES POR REGLAMENTAR De acuerdo con el análisis previo, se considera que dentro del sec-tor del cobre deberán reglamentarse las emisiones totales de partícu las y bióxido de azufre. 3 .5 .3 .2 . CRITERIOS PARA EL ESTAi,LECIMIENTO DE NORMAS Como criterios básicos pare el establecimiento de las normas de emi- sión, se consideraron: a) Factibilidad técnico-económica de control. Al respecto se considera como más adecuado para las partículas el -uso de precipitadores electrostáticos, por lo cual las eficiencias de control potencialmente alcanzables se consideran del 99% ; en el caso del SO 2 la opción de control es su conversión a ácido súlfurico con más de 99% de eficiencia. b) Necesidad de mantener la calidad del aire en la zona aledaña a las instalaciones dentro de las itormas de calidad del aire. Al respecto se consideraron los criterios nacionales publicados en 1982 . c) Normas establecidas en otros países. Al respecto se consideraron los valores presentados en la Tabla 3 .5 .1 3 .5 .3 .3- FACTIBILIDAD TECNICA DE REDUCIR EMISIONES La Tabla 3 .5 .2 presenta los valores de emisión que se tendrían en los procesos de producción del cobre al aplicar la tecnología de control . disponible . .Es importante el aclarar que la recuperación del bióxido de azufre dependerá en-gran parte del poceso que lo genere, ya que tanto eco nómica como técnicamente depende de la concentración en que se pre sente en la emisión, siendo más factible en el caso del proceso -flash que en el de horno de, reverbero. 3 .5 .3 .4 3 .5 .3 .5 'CONCENTRACIONES MAXIMAS PARA NO REBASAR LA NORMA DE CALIDAD DEL AIRE Para este efecto, se consideró la dispersión de contaminantes anota dos suponiendo diversas condiciones de estabilidad. La Tabla 3 .5 .3 presenta las bases de cálculo utilizadas, la Tabla 3 .5 .4 las emisiones de cálculo y la Tabla 3 .5 .5 resultados obteni-dos. VALORES PROPUESTOS PARA NORMAS DE EMISION Conjuntando los tres criterios señalados previamente, en la : Fig . -3 .5 .1 se presentan los rangos propuestos para normas de emisión máxima permitida para la industria de fundición primaria de -cobre. En el caso del bióxido de azufre, de acuerdo con el Convenio México-USA sobre control ambiental en la zona fronteriza (Anexo IV), la emisión máxi ma permisible de SO 2 para fundidores de cobre debe ser 0 .065% en volumen . T A B L A 3 .5 .2 VALORES DE EMISION UTILIZANDO LA TECNOLOGIA DE CONTROL DISPONIBLE Proceso con hornos de reverbero 2. Partículas 0 .43-0 .65 Kg/Ton. S0 2 5 .4-1 .06 Kg/Ton. Proceso con hornos flash Partículas 0 .8 Kg/Ton. SO 2 5 .3-1 .06 Kg/Ton . T A B L A 3 .5 .3 BASES DE CALCULO PARA LA DISPERSION DE LOS CONTAMINANTES Condiciones Meteorológicas. a .l) Caso Critico. Estabilidad F. Velocidad de Viento a .2) 2m/seg. Caso Normal. Estabilidad D. Velocidad de Viento . : b) Características de la Emisión . Altura de la Emisión . c) 5m/seg. Concentraciones Máximas Permisibles a 50 m. Nivel Piso. Partículas :(México) 275mg/m 3 Bióxido de Azufre 350mg/m3 T A B L A 3 .5 .4 . ECUACIONES UTILIZADAS a) Para deteriinar la distancia de la emisión máxima. d = bH m a2 (d+b) b) Para determinar la magnitud de la emisión. Q = (c1Í54 (ri u) exp (0 .5 [_H l 2) J Simbologia: Parámetros para cálculo de Gz y a,b,c,,d (1-y (Porter) H Altura de la emisión. Desviación estandard en dirección z, y. \z s'Ty U FUENTE : Velocidad del aire. Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates Dispersion Equation Solutions by Calculator T A B L A 3 .5 .5 CONCENTRACIONES MÁXIMAS PARA NO REBASAR LA NORMA DE CALIDAD DEL AIRE Peor condición de dispersión b) Partículas 2 .47 Kg/Ton. SO 2 3 .14 Kg/Ton. Condición más común de dispersión Partículas 3 .48 Kg/Ton. SO 2 4 .43 Kg/Ton . NORMAS DE EMISION PROPUESTAS INDUSTRIA INSTALADA-200 400 INDUSTRIA NUEVA --,10 n 200 CRITERIOS REGLAMENTACION INTERNACIONAL _115 NORMA DE CALIDAD DEL AIRE TECNOLOGIA DISPONIBLE 400 200 350 .43 .8 5 EMISION ( :Kg/Ton .) 10 Partículas FIG .3 .5 .1 Rango propuesto para las normas de emisión. Fundición del Cobre COMBUSTION INDUSTRIAL C O N T E N I D O 1.- CONSIDERACIONES GENERALES 2.- DESCRIPCION DEL PROCESO 3.- EMISIONES A LA ATMOSFERA 4.- TECNOLOGIA DE CONTROL 5.- REGLAMENTACION DE EMISIONES 1 . CONSIDERACIONES GENERALES La combustión representa el proceso más común de obtener -energía para las diversas actividades de transformación,y, por ello, es a la vez el mayor contribuyente estacionario — de contaminantes atmosféricos, en los asentamientos urbano— industriales de México. Dependiendo del tamaño y tipo de equipo de combustión, su — estado de mantenimiento y la calidad del combustible, las — emisiones variarán cuantitativamente pero, en todos los casos contendrán partículas, óxidos de azufre, óxidos de ni-trógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos. El control de las emisiones contaminantes, a nivel mundial se ha enfocado, en cuanto desarrollo tecnológico, a las par ticulas y los óxidos de azufre y de nitrógeno ya que, las — emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos se pueden reducir fácilmente mediante una operación y mantenimiento — adecuados. A nivel de fuentes pequeñas, la solución óptima es el utili zar combustibles menos contaminantes, ya que el uso de equi pos de control resulta muy costoso tanto en instalación como en operación . En el presente estudio se analiza el proceso de combus---tión industrial, sus emisiones y las opciones de su con- trol, a fin de dar una sustentación técnica adecuada a las normas de emisión que SEDUE publique en la materia . 2. DESCRIPCION DEL PROCESO. 2 .1 La combustión. El proceso de la combustión consiste en la reacción entre un material - denominado combustible - y el oxigeno - - comburente - que siendo de naturaleza altamente exotérmica, genera energía térmica aprovechable . Los combusti- bles más utilizados en la industria son el carbón y diver sos productos del petróleo - líquidos o gaseosos .- . Desde un punto de vista teórico, la combustión completa entre carbón y oxígeno, produce bióxido de carbono de - acuerdo con la reacción C + 02 ---10 CO 2 En el caso de los hidrocarburos, la reacción de combustión completa genera adicionalmente agua en estado de vapor _ CnH2n+2 + ( 311+1 )0 2 ---,jp nCO 2 + (n+1)H 2 0 2 En el caso de que el oxigeno presente sea deficiente, parte del carbón del combustible se oxidará únicamente hasta mo-nóxido de acuerdo con : - Energía térmica indirecta - Calderas - Sistema de transporte de calor. Exigiendo en el segundo caso, la existencia de un fluido (agua, Dow Therm, etc .) que sirva de transporte del calor. 2 .2 Equipos de Combustión .. En general, para poder llevar a cabo el proceso de combustión se requieren de equipos consistentes fundamentalmente en un sistema de adición de combustible, un sistema de adi ción de comburente y una v cámara donde llevar a cabo la com bustión ; dependiendo del tipo de combustible utilizado, -así como de la utilización directa o indirecta del calor generado se tendrán diversos equipos de combustión. Así, en el caso de utilización directa del calor se tienen los hornos de diversa finalidad (secado, tratamiento térmi co, cocido, etc .) los cuales normalmente utilizan combusti bles líquidos o gaseosos . En el caso de utilización indirecta, los equipos más comúnmente utilizados son las calde ras que pueden quemar combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. Desde el punto de vista de este estudio, el componente _ fundamental del equipo es el quemador, ya que es el compo nente en el cual se proporcionan el combustible y el comburente en las condiciones termodinámicas requeridas para llevar a cabo la reacción, y de sus características depen derán, en gran parte, las emisiones generadas. Así, en el caso de combustibles sólidos, los quemadores — más comúnmente utilizados para la combustión de carbón -son : a) De parrillas De carbón pulverizado c) De horno ciclónico Los quemadores de parrillas como su nombre lo indica consisten en parrillas sobre las cuales se dispone el carbón para su combustión . Existen diversos tipos de quemadores de parrillas según la capacidad térmica que se desea al-canzar . En general el encendido inicial se logra utili-zando un quemador auxiliar de combustible liquido o gaseo so, cuya flama incide sobre la parrilla hasta que se en-ciende el carbón y su combustión se vuelve autosostenida. (Fig . 2 .1). En el caso de los quemadores de carbón pulverizado ; el -combustible sólido se pulveriza finamente (99% menor de 300 micrómetros) y es inyectado en forma fluidizada en -- 2C + 02 2C0 Adicionalmente, en función de la temperatura de la combustión, el nitrógeno atmosférico presente reaccionará con el oxigeno para generar óxidos de nitrógeno N 2 + 02 2N0 2N 2 + 30 2 ---)p ► 2N 2 0 3 Por último, las impurezas presentes en el combustible también sufrirán un proceso de oxidación, siendo la impureza más común el azufre, el cual origina óxidos de azufre de acuerdo con: S + 02 2502 + 0 2 —O —~ S0 2 2S0 3 La energía térmica generada en las diversas reacciones sentadas es utilizada industrialmente para obtener: - Energía térmica directa - Hornos - Secadores - Estufas pre Tolva Alimentador .LLJ .. ._`~__ _ ; . . . . .. .. :__ _ ... _r- . Parrillas Fig . 2 .1 Quemador de parrillas una corriente de aire . El encendido se hace con un quema dor auxiliar de combustible liquido . (Fig . 2 .2). Por último, los hornos ciclónicos se emplean con carbón — triturado a malla 4 y la inyección del combustible se ha— ce en una corriente ciclónica de aire que permite la to-tal combustión del carbón . (Fig . 2 .3). En el caso de combustibles líquidos, los quemadores más — son : comunes a) Quemador circular b) Quemador de celda c) Quemador tangencial En el quemador circular (Fig . 2 .4) el combustible es atomi lado con vapor o aire inyectado en forma mecánica en el -centro del quemador (Fig . 2 .5 y 2 .6) mezclándose con el -aire de combustión que se inyecta en la zona anular que ro dea al inyector . de combustible. En el caso de los quemadores celulares, la inyección del — combustible se realiza a través de varios inyectores colocados en una corona alrededor del impulsor de aire (Fig . — 2 .7), siendo los inyectores similares a los del quemador — central . Parrilla de .carbón Encendido f Fig . 2 .2 Quemador circular de carbón pulverizado Fig . 2 .3 Horno ciclónico Aire 2 2 Fig . 2 .4 Quemador circular Atomizador Fig . 2 .5 Inyectores de vapor Fig . 2 .6 Inyectores mecánicos Cabezal distribuidor Fig . 2 .7 Quemador celular Finalmente, en los quemadores tangenciales los inyectores se colocan en los vértices de la cámara de combustión, a fin de lograr una mezcla más efectiva con el aire inyectado en la zona central . (Fig . 2 .8). Para el caso de gas los quemadores más usados son similares a los combustibles líquidos, con la diferencia de no requerir atomización en el inyector . Adicionalmente se utilizan : a) Quemador atmosférico b) Quemador de baja presión c) Quemador de alta presión En general, los tres tipos de quemador mencionados consis 0 ten en tubos venturi difiriendo en las presiones de inyee ción del gas y del aire . 2 .3 (Fig . 2 .9). Combustibles. Dentro de la industria nacional, los combustibles más uti lizados son el combustóleo residual, el diesel, el gas na tural y el gas licuado, utilizándose el carbón (bituminoso) únicamente en la generación deenergia eléctrica. La tabla 2 .1 presenta las características básicas de los diversos combustibles utilizados en México . CORTE VISTA FRONTAL Fig . 2 .8 QUEMADORES TANGENCIALES ALTA PRESION (2 pasos ) ATMOSFERICO . ...~"s~ v - ;,►+. ''r 1 ~Ill ; 9ktaxennJ BAJA PRESION Fig . 2 .9 QUEMADORES DE GAS T A B L A 2 .1 CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES NACIONALES Valor Combustible Calorífico Kcal/Kg Carbón bituminoso Combustóleo Diesel Gas natural Gas licuado * Kcal/m3 FUENTE : PEE( Azufre Cenizas (%) (%) 6 316 0 .6-0 .7 14-16 9 714 3 .5-4 .2 0 .2-0 .5 10 047 1 .1-1 .5 0 9 300 * 10 907 - 0 .009 - - 3 . LAS EMISIONES A LA ATMOSFERA 3 .1 Análisis teórico. Tomando en cuenta la descripción del proceso de combustión presentada en el inciso 2 .1, se puede señalar que, desde — el punto de vista cualitativo, la combustión, sin importar el tipo de combustible o de equipó de combustión, genera— rá emisiones de partículas, óxidos de azufre, óxidos de ni trógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos, dependiendo I de la magnitud de las mismas, de la calidad del combusti-ble, del tipo y mantenimiento del equipo y de las condicio nes operativas del mismo. Ahora bien, considerando el proceso de combustión desde un punto de vista teórico es factible el estimar las posiblés emisiones en función, básicamente, de las características del combustible y de operación de la combustión. Así, la emisión de óxidos de azufre es función únicamente del contenido de azufre del combustible, variando la pro-porción de SO 2 /SO 3 en función del contenido de metales pe- sados del mismo, el exceso de oxigeno de la combustión y — la temperatura de la misma (Fig . 3 .1). En general la emisión de SO 2 representa del 98 al 9.9 .5% de % Oz. Fig . 3 .1 FORMACION S0 3 EN FLAMAS 0 'STERN A . AIR POLLUTION ACADEMIC PRESS 1978 CO 2 máximo en gases chi menea 02 Deficiencias aire — Exceso de aire Mezcla estegiométrica Fig . 3 .2 FORMACION DE CO 2 EN COMBUSTION FUENTE USHEO,COMBUSTION EVALUATION :SOURCES & CONTROL DEVICES 1976 la emisión total de óxidos de azufre, mientras que sión de SO 3 la emi- representa del 0 .5 al 2% de la misma. Considerando las ecuaciones involucradas S + 02 2S + 302 S0 2 2SO 3 - Y suponiendo una relación SO 2 /SO 3 máxima (99 .5/0 .5) relación mínima (98/2), las emisiones esperadas y una de óxidos — de azufre serian: Para la relación máxima SO 2 /SO 3 SO 2 = 19 .9 S (Kg/Ton) 50 3 = 0 .125 .S (Kg/Ton) Para la relación mínima S0 2 /S0 3 = SO 2 19 .6 S (Kg/Ton) = SO 3 0 .5 S (Kg/Ton) Siendo S el porcentaje de azufre en el combustible. Dependiendo de la alcalinidad de las cenizas presentes, --- parte de estos óxidos de azufre reacciona con ellas, reduciéndose la emisión hasta en un máximo del 57. A su vez, la emisión de monóxido de carbono es función de la cantidad de oxigeno presente, ya que si se tiene la can tidad estequiométrica precisa las reacciones de combustión serian : C + 02 —~ CO 2 2H 2 + 02 ---, 2H 2 0 Convirtiéndose la primera en: 2C + 0 2 --' 2C0 Al reducirse el contenido de oxigeno. La Fig . .3 .2 presenta la relación entre la concentración de CO 2 en los gases de chimenea y el aporte de aire para com-- bustión, notándose el punto de combustión perfecta o este-quiométrica, arriba del cual normalmente debe operarse todo sistema de combustión. La presencia de CO en los gases de combustión, existiendo — exceso de oxigeno se debe fundamentalmente a la presencia — de reacciones reversibles como : CO 2 1 02 2 C0+ CO 2 + H2 CO + H 2O ~- Cuyo equilibrio depende de la temperatura del sistema y de las concentraciones de las diversas especies quimics co-existentes . (Fig . 3 .3). La presencia de hidrocarburos no quemados q 'parcialmente que. mados tiene un origen similar al del CO, resultando inicial- . mente de combustión bajo condiciones deficientes de oxigeno, si éste se presenta en exceso, su formación depende del equi librio químico de las reacciones reversibles en que están -involucrados . (Fig . 3 .4). La generación de los óxidos de nitrógeno es a su vez funcióii. de las temperaturas de operación, tipo de quemador y exceso de oxigeno presente. La reacción fundamental de formación de NO es: N 2 + 02 - .'fr 2N0 Siendo equilibrada por la reacción de descomposición del NO 2N0 --`-)b N2 + 02 Las constantes de velocidad de reacción para ambos procesos 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -10 4 /T°K Fig : 3 .3 Constantes de equilibrio en reacciones de combustión FUENTE NIESSEN , COMBUSTION & INCINERATION . PROCESSES ' DEKKER j.978 16 , iT,' Tr " i-:41 42: , , 11-,„-- -L. .4 ''I L tt-t ;3-1- - ,---, [ Ldi _ i4i -44 n.rli ;4. 14 ,J11. 1- iFT 1_-i ,i . y , , t . ' 13 - . . ---, Ll 4- -2. -- . - L 'I- . ' , 71* - - . ' - i- i _, ,-i , , t ' -:TF [DI : - -. ITL'i. p, ,-i, :i -'t L I' i 1 ' 12 , L r; - , :; -,I-' , .14 1=715 :: ,. . I . . i -14 -I rt. 'r -r t. r : ,, L , i i i 1 4' r-l-i 11 --i--.-;---- , i :-:--:-- ; , -' 1. . Ji::_1 7-14-2 , ;it! 1%1 7,i i-; -, ,_.:._'..L .L.-'----y'4 It . 1¡ , ' , I-q I tt .74 I . 11 ;1 4-0 -i ;, I .t i '- r , I 10 , i-' , '-'--,,--;” y ;7 -ri ' ftl i 'i, 1' -T;T.n it n Tn: L.l .1 ILI .1; •I, iti-i ' 4, , i 9 d L t.:1, t -1-rl 1, : i ^ n ttl'-fl i :-., - .'.-i' ::: ::: : L :::::::: 1, ::: : : :::: ::: : : : ¡fill, rl t :: : : : ::: :: :::::::: : : : : ::: :: ::::::::::: qIF: :111!: : : : : : : : : :: : : : ., : : : ::3:: : : ::: : : ::: :: iLrEirdT:: : ::: ::: :::: :: :: :: i. i-, :::: :: ::: :: :: ::: :!.ag , F. 4, 4 t %Jr, :: : ::: : :::: : :::: :: :: :::: :::: :: :: ::: : :::: :: : ::: :: ::: : ::::: :::: : ::: :: ' :: ::: : : ::::: : :::: : : : ::: : :::: ' -" t t L .."y. 4,_ : ::::: : : :::: : : :::: : ::::: , . L do ft. 'J1-i I-i 't, i giisrad:iiifiiiiii:: iiii . : i::: : :::: : : :::: : ::: : i i -HT : giaifnIF : ::: : :: ::: : :::: : : : ::: : ::: :: : 1: 1: 3: : : ::: : :::: : : : ::: : ::: :: i.i ., t : : :: :.:H: : : :: :q : :: ::: : : : ::: : :::: „ .„,„ : :::1in:FF:1 :::: : : : ::: : :::: F',,;tr 14114 : :: ::: : :it::: : : ::: : ::: : ::: :: i : : : :::: : ::: : : : ::: : :::: : ::: : ::::: , ts]:'i .11. . : :l:: ::: : : ::: : : ::: : : : ::: : ::::: " ' 1—r : : :: : : :::: : : ::: : : : : :: , 'r ,_,i! it : i :: : :::: : : : ::: : : :: :: ' A-. 1-,4--;L ,-17 ::: : : ::: : : ::: : : : ::: : ::: :: :::: : ::: : : : ::: : : ::: : : : ::: : : :: :: Mff=ll r 11MILLMIMIL :111C : :::: : : 3 :: : :: :: : : ::: : : ::: : : : ::: : : : :: : : : ::: : : : : :: _-'- '4.: Li.tf-l-i- , 1- ., :'--- : : :: : :::: -H :::: :::: : : ::: : : : :: : : : ::: : ::: i : 7 --i'-_i:::21-;7. .-. , 4'1 : :: :: :: : : ::: : :: : : : :::: : : :::: : : : ::: : : ::: :: ::::40 .00via .0000 ::: : : ::: : : ::: : : ::::: : ::: : : : :: . ,:,,.4..t: . , -.,ti 1 , -.-i - j r l ;i1 ri--L 4—4 ::: : :::: : .::: : : :::: : ::: : : : :::: : ::: : : :: - .14 -1t rI .11 -- L ti [- it; ' . ,i ' t _ ' , i t' . i 1T4,r J : 110!gi: :::: : :: : :::: : : i ' ' ,4 ; i ILI I :::: : ::: : , ;,' tl rl „-::I I . '1' i -, _, ,-L .4 .i ,r-i-. ,, , :: ::: ' ' -i "11171 F 1' 1 111- 1 . . rh lii!i::: :: -,1 ' 7 1.'1 17 ', I .; , , : IJ pit, + 15 3 : : ::: : :::: :::: : :: , ,T--F. -" 'TT.- -7 -7; : .'" t 'IMO . - .T7--+ t -tT.t :: : : :: : :: :: : : ::: : :: : = 4w-. :::: :: t- .'T' ,.„t -. 1 rt., .iTA, ih,;' „;i 411_ --,I r-r-, 1r -J.. ; TI y, ,diii: :: : : :::: : : ::: : : ::: :: : ::: : : :: ', 4 .,-.; rt rtTi i”, 4 ' Hi— -'ft, n 44i-jLrT.,: : :::: : : ::: : : ::: : : : :: :: : ::: : :: . "" : :: : : : : :: : :s :: ::: : : :: . r' 41- L-:'t'l Y.fter=10 . 111=:::1Z.:: :: :: ~ i t r -':_. 'r it' ., 1' y :_-- Lit : l it* ID r : 'y '- ._ ", 4 ,- ,:tf 1'4-4 - 1 1 '4 , i-l-. . ., .'..„:.'_ -:..,:-. i i ' ' -,- 4 :r:I . 41- '44 ,- ; Ll r r -.- t -_.,'-. i I, , L_l t .; 7L t'-i, ,_a'.i'#',.r_t ' ,-1-i .1 i :; t i- : I . „, ' ' . i '-ii- ,- -2 r -3 I .t ii ., , ,, . ti : '- , i , ' . 1 i --J. _. I . ., r--rt 1 i t —t-t ,' -, !-,.-,,i i", Vt'' -. 1 -' ' , i, -, , . 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' -, 9 10 11 12 13 14 15 l~~~ ti .~~ Fig . 3 .4 Constantes de equilibrio en reacciones de combustión se muestra en las figuras 3 .5 y 3 .6, notándose que un enfrió miento rápido de los gases provoca la permanencia del NO. El efecto del exceso de oxigeno se ve reforzado por la tempe ratura, como puede verse en la Fig . 3 .7. A su vez, la Fig . 3 .8 muestra los valores de la constante de equilibrio del sistema: 2N0 N2 + 02 Del cual pueden estimarse las concentraciones del NO en base a la temperatura del sistema y las concentraciones de los ga ses involucrados. Adicionalmente a la presencia del nitrógeno atmosférico en — el comburente hay que anotar el nitrógeno contenido en el -propio combustible que se encuentra formando parte de diversos compuestos. Por último, la Fig . 3 .9 presenta las curvas de formación de NO x en función de la temperatura de flama y el exceso de oxi geno, las cuales sirven de fundamento a la expresión NO x (lb/10 6 btu) = ( 5340 15 .35 (EA + 38) Siendo T la temperatura de flama en °F y EA el porcentaje ' — 10 3 ~-. 10 5 u a) co 10 2 ~ E .0 r+ 10 c~ 10 a) > 10_ N J U N +O // i 2 :_1_1 1 2 3 ~ 2NO 1 < a) 1 -10' `1 1,200 2,000 2,800 3,600 4,000 5,200 Temp . of Formación de NO Fig . 3 .5 FUENTE FREY J . THE LOW NOx C — E CONCENTRIC FIRING, COMBUSTION'1978 2N0--N 2 +0 2 c~ .. 10 3 (NI / 0 a) / 10 2 1,200 , I 1 1 ! I I I i_. 2.,000 2,800 3,600 4,400 5,200 6,000 Temp . o f Disociación de NO Fig . 3 .6 FUPNTF : FRFY OP .CIT . , 6 5 4 3 o z 2 1 1,800 2,200 2600 3,000 600 2,400 3,200 4,000 Temp . °F Temp . °F Fig . 3 .7 Efecto del exceso . de oxigeno en la formación de NO FUENTE FREY OP,CITJ N ? +02 — r 2NO 10 103 105 . 1l P tJ0) 10 k = PN 2 P0 2 10 ' 1Óa 1,200 1 2,000 I I 1 2,800 3,600 4,400 5,200 Temp . °F Fig . 3 .8 Constante de equilibrio formación NO 4,800 Exceso aire (%) Fig . 3 .9 Formación de NO en flamas FUENTE FREY OP .CIT . de exceso de aire presente. Por lo que corresponde a la emisión de partículas, no sólo sólidas sino en general, desde un punto de vista teórico,— su emisión dependen de las características físicas y químicas del combustible y del exceso de oxígeno presente . Así, la mayor emisión se presenta en el caso de los combustibles sólidos, continuando con los líquidos por grado de viscosidad para terminar con los gaseosos. En general la emisión de partículas dependen del contenido de cenizas del combustible, así como de su grado de molienda, en el caso de los combustibles sólidos, y de su viscosi dad en el caso de los líquidos. 3 .2 Factores de emisión. Las tablas 3 .1, 3 .2, 3 .3 y 3 .4 presentan los factores de -emisión publicados por EPA para diversos combustibles y di— versos equipos de combustión . A su vez las tablas 3 .5 y -3 .6 presentan los factores de emisión propuestos por Stern para combustión de'combustóleo y de gas natural. 3 .3 Factores que afectan la emisión. Como ya se señaló previamente, las emisiones procedentes de T A B L A 3 .1 FACTORES DE EMISION ( Kg/Ton ) COMBUSTION DE CARBON BITUMINOSO (EPA AP-42) N C O Tipo quemador Partículas SO HC x x 5C 19 .5 S 10 .5 0 .3 0 .055 3 .5C 19 .5 17 0 .3 0 .055 1C 19 .5 C 18 .5 0 .3 0 .055 30 19 .5 S 7 2 .5 0 .055 8 10 .5 S 3 .25 3 0 .055 7 .5 15 .5 S 4 ;75 5 .5 1 .05 Carbón pulverizado Fondo seco Fondo húmedo Horno ciclónico S Parrillas De distribución De alimentación sobre parrilla De alimentación bajo cama D C = % cenizas S = % azufre T A B L A 3 .2 FACTORES DE EMISION ( Kg/mil litros ) COMBUSTION DE COMBUSTOLEO ( EPA AP-42 ) N C O Equipo Partículas SO X X HC Calderas de potencia . 19 .34 S 5-12 .6 0 .6 0 .12 Calderas y hornos industriales 19 .24 S 6 .6 0 .6 0 .154 Calderas y hornos comerciales 19 .24 S 6 .6 0 .6 0 .197 Grado 6 S = % azufre 1 .25 S + 0 .38 - Grado 5 1 .25 - Grado 4 0 .88 T A B L A FACTORES DE EMISION 3 :3 (Kg/10001ts) COMBUSTION DE DIESEL (EPA AP-42) Equipo Partículas Calderas y Calderas Calderas SO X NO X CO HC industriales 0 .24 17 .24 S 2 .4 0 .6 0 .03 y hornos comerciales 0 .24 17 .24 S 2 .4 0 .6 0 .066 y hornos residenciales 0 .3 17 .24 S 2 .2 0 .6 0 .30 hornos S = % azufre AS- T A B L A 3 .4 FACTORES DE EMISION COMBUSTIBLES GASEOSOS (EPA AP-42) GAS NATURAL ( Kg /millón m 3 ) Partículas SO x NO Calderas de potencia 16-80 9 .6 Calderas de hornos industriales 16-80 Calderas y hornos comerciales y domésticos 16-80 GAS LICUADO ( Kg/ 1000 1 CO HC 8 800 640 27 .8 9 .6 2 240 560 92 9 .6 1 600 320 127 x ) B 0 .01-0 .06 0 .01 S 1 .58 0 .4 0 .06 P 0 .01-0 .05 0 .01 S 1 .49 0 .37 0 .06 Calderas y hornos B 0 .01-0 .06 0 .01 S 1 .13 0 .23 0 .09 comerciales P 0 .01-0 .05 0 .01 S 1 .05 0 .22 0 .09 Calderas y hornos industriales S = % azufre B = butano P = propano TABLA 3 .5 FACTORES DE EMISION COMBUSTION DE COMBUSTOLEO (Stern) Grado PS SO (Kg/1000 1) x NO x 0 .6 CO HC 0 .06 0 .020 0 .6 0 .14 17 .0 S 2 .4 +9 .35N~ 6 (20+78N 4 1 .68 18 .4 S 2 .4+10 .19N 0 6 (20+85N 0 0 .11 0 .029 5 3 .24 19 .1 S 2 .4+10 .43N 0 6 (20+87N 0 6 ) 0 .13 0 .034 6 4 .31 19 .4 S 2 .4+10 .67N 0 .6 (20+89N . ) 0 .14 0 .035 ) 6) 0 .6 S = % azufre N , = % nitrógeno TABLA 3 .6 FACTORES DE EMISION COMBUSTION DE GAS NATURAL (Stern) Partículas SO 2 NO x (Kg/10 6 m á ) 96 9 .6 1 600 HC 64 CO 321 la combustión dependen fundamentalmente de: a) b) c) Carácteríst_cas del combustible - Estado físico - Contenido de inertes (cenizas) - Contenido de azufre - Contenido de nitrógeno - Viscosidad Características del equipo - Tipo de inyector - Tipo de quemador Características de operación - Presión de inyección - Temperatura de flama El efecto de alguno de estos factores ha sido analizado en el inciso 3 .1, sobre todo lo correspondiente a los aparta-dos a y c previos ; en el caso del apartado b, se tiene como ejemplo en la Fig . 3 .10 la concentración de partículas en los gases de combustión para diversas presiones de inyección de combustible líquido ; y, en las figuras 3 .11 y 3 .12 el --efecto del tipo de quemador en la emisión de NO X para combustibles líquidos gaseosos . o Presión de atomización ----- __—_—_ ! .(, 02 en la salida del economizador Fig . 3 .10 Efecto del exceso de aire y presión de atomización del'combustible en la emisión de partículas. PUENTE ,. U SH AW ) 0p CIT. r 700 ----- - o ~---^-- .r é 1 I 'óQuemador ------ 600 ~ -'- a ' -- 1. horizonta~ i - At a' 500 4 00 ,; — Quemador — Tangencial 200 :;i RStf 100 .: ® ~ - --- _ 0 .•i.+' 2 e~>kFOE'rt~.;ií+. .. l .i i •rv7gt .•rY;a' a .d, .•A :..y .,a n ,~nan,+J'.A~..:..tY,~ .M,.^~~.A,a^hrx'- 3 .~ .., :. .r .,:~ 4 Exceso 0 2 % Fig . 3 .11 Generación NO x según el tipo de quemador. (Combustóleo) FUENTE USHEWD OP,CIT. 700 Quemador A-3 600 D- o Horizontal Horizontal F— Q Tangencial 500 400 O — ~ a -'a o 200 _ _ ----- 100 -- - — -- ---...__ _--.-_ _~ o ~~ 0 2 3 4 Exceso 0 2 % Fig . 3 .12 Generación NO según quemador (combustión de gas). FUENTE USHEWD OP . CIT . 5 4. TECNOLOGIAS DE CONTROL 4 .1 Equipo La tecnología de control. del control de emisiones de fuentes de combus tión se ha orientado fundamentalmente al control de particu las, bióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, ya que representan los contaminantes que no pueden reducirse sustancial mente por una operación óptima. En el caso de las partículas,dependiendo de la magnitud de la emisión se utilizan: - Precipitadores electrostáticos - Casas de bolsas Lavadores húmedos - Colectores mecánicos (ciclones) Siendo estos últimos los sistemas más utilizados en hornos y calderas industriales . El uso de lavadores húmedos coadyuva al control de las emisiones de óxidos de azufre y de nitrógeno. El control de los óxidos de azufre en los gases de combus-tión se ha desarrollado-pararlas fuentes muy grandes (plan-tas termoeléctricas), consistiendo fundamentalmente en una absorción de los óxidos de azufre en una solución alcalina 9 (método húmedo) o mediante reacción de los mismos con polvos alcalinos (método seco). Para el control de los óxidos de nitrógeno se han desarrolla do diversos sistemas de reacción química, destacando los que utilizan amoniaco a fin de regenerar nitrógeno molecular. Las tablas 4 .1, 4 .2, 4 .3 y 4 .4 presentan un resumen de las — características de estos métodos de control. En el aspecto económico, los métodos de desulfurización de — gases de chimenea y de reducción de NO x en los mismos son ge neralmente muy costosos tanto por la inversión que represen— tan, como por los gastos de operación involucrados . Al respecto, se considera más económico el control por otros me--dios (uso de combustibles bajos en azufre ; cambio del tipo — de quemador, etc .) . En el caso de fuentes de combustión me— dianas y pequeñas, estos sistemas son inaplicables por los -costos y los requerimientos especiales involucrados. 4 .2 Reducción de emisiones por cambio de combustibles. Una de las soluciones más prácticas de reducción de emisio-nes, sobre todo en zonas criticas ha sido la sustitución de combustibles por aquéllos que son menos contaminantes, lo -cual generalmente, en el caso de los combustibles líquidos — y gaseosos requiere cambios menores en los equipos de combus tión . Al respecto, la tabla 4 .5 presenta las reducciones -- TABLA 4 .1 EQUIPOS PARA CONTROL DE PARTICULAS Equipo Eficiencia Precipitador electrostático Casa de bolsas 90-99 .9 99 .8 Lavador 50-60 (95% SO 2 ) Colector mecánico (multiciclón) 20-75 FUENTE EPA AP 42 TABLA 4 .2 TECNOLOGIA DE CONTROL DE SO 2 (via húmeda) Tecnología Descripción Eficiencia Combustion Engineering Caliza y dolomita en el horno y posterior lavado de gases con agua 90-95% Wellman Lord Lavado de gases con ción Na 2 SO 3 /Na HSO 3 solu 95% Wade Ovitron Lavado con solución amoniaco de 97% Chemico Lavado con lechada de MgO Ionics - Stone & Webster Lavado con solución de NaOH 7 90% Fuente : Universidad de Loviana 60 Procedes de desulfuration des fumees 95% TABLA (via 4 .3 seca) TECNOLOGIA DE CONTROL DE SO 2 Tecnología Descripción Wickert Adición de caliza dolomita en polvo Bureau de Minas Adición de alúmina alcalina 90% Rein1uft Adsorción en activado 99% Monsanto Oxidación catalítica y absorción en H 2 SO 4 ESSO - Adsorción -absorción en CaO Fuente : Universidad de Lovaina op . cit. Eficiencia y carbón 30-90% 90% 100% TABLA 4 .4 SISTEMAS DE CONTROL DE NO x Tecnología Descripción Exxon Reacción a alta temperatura con amoníaco e hidrógeno 55% Hitachi Idem pero utilizando catalizador 85% Shell Reacción con amoniaco en presencia de CaSO 4 proce 90% Eficiencia dente de la reacción de CuO con SOx Shell - UOP Idem pero utilizando K 2 CO 3 Fuente : Cooper Present Status of NO x removal processes on combustion process flue gas streams 90% TABLA 4 .5 REDUCCION DE EMISIONES POR CAMBIO DE COMBUSTIBLE c PS SO X NO X Diesel 95% 62% 59% Gas natural 98 .4% 99 .98% 64 .9% Gas LP 98 .4% 99 .98% 63% CO (15%) ( 75% 3% 37 .5% 3%) 37 .5% Las reducciones se consideraron sobre las emisiones de combustóleo para cargas térmicas iguales,( ) indican incremento : de emisión. HC potencialmente alcanzables al cambiar de tipo de combustible. 4 .3 Otros sistemas de reducción de emisiones. En el caso de los óxidos de nitrógeno, se han desarrollado di versas tecnologías de reducción de emisiones centradas en cam bios en los equipos de combustión o en las condiciones de ope ración, obteniéndose resultados satisfactorios . Al respecto, en adición al uso de quemadores tangenciales cuyo efécto se — mostró en las figuras 3 .11 y 3 .12, se han desarrollado sistemas de recirculación de gases de combustión y de inyección de agua obteniéndose diversos grados de reducción de las emisiones de NO R . (Fig . 4 .1 y 4 .2) . 10 2 .0 o z 40 50 60 70 0 5 10 15 % Recirculación Fig . 4 .1 Efecto de la recirculación de . gases en la reducción de NO %I II . - 20 Recirculación I Fig . 4 .2 Efecto de recirculación de gases e inyección de agua en la reducción de NO. FUENTE USHEWD, OP,CIT, 5 . REGLAMENTACION DE EMISIONES. 5 .1 Reglamentación internacional. Tomando en cuenta que la combustión es el proceso contaminan te a la atmósfera más extendido en todo el mundo, en múlti-pies paises se han establecido normas que limitan sus emisio nes . El enfoque de estas normas se ha orientado en dos di-recciones básicas ; por una parte, en diversos paises se han desarrollado limites de emisión máxima permitida, fundamentalmente para partículas y bióxido de azufre ; por otra par-te, en otros paises la reglamentación se ha desarrollado en base al uso de combustibles de mejor calidad . Al respecto,la tabla 5 .1 presenta la información sobre reglamentación de emisiones en diversos paises y la tabla 5 .2 la información sobre reglamentación de calidad de combustibles. 5 .2 Fundamentación de la propuesta de norma nacional. Considerando la ventaja que representa para México el con- - tar con la diversidad total de combustibles, se propone que, en el caso de hornos, calderas y otros sistemas de combus- tión industrial y de servicios, la norma se establezca en -función de la calidad de los combustibles a utilizar en las diversas áreas del país, teniendo como marco . de referencia -- los valores de calidad del aire establecidos en el Acuerdo del 29 de noviembre de 1982 . TABLA 5 .1 NORMAS INTERNACIONALES DE EMISION Partículas - Dinamarca Combustibles sólidos < 30 MW 300 mg/Nm 3 > 1000 MW 150 mg/Nm 3 intermedia interpolación lineal Combustibles líquidos 30 a 300 MW > 300 MW - 1 .5 1 . g/Kg comb. g/Kg comb . España Combustibles sólidos ‹.50 MW 50-200 400 mg/Nm 3 /500 mg/Nm 3 MW 200 MW Combustibles 300 mg/Nm 3 /350 mg/Nm 3 200 mg/Nm 3 líquidos <50 MW 200 mg/Nm 3 50-200 MW 175 mg/Nm 3 200 MW 150 mg/Nm 3 - Estados Unidos Plantas térmicas >73 MW 13 ng/J Inst . industriales 773 MW 43 ng/J TABLA 5 .1 (CONTINUACION) - Francia Combustibles líquidos (general) 75 Mkcal/h-8000 Mkcal/h >8000 Mkcal/h 200 mg/Mkcal 150 mg/Mkcal Combustibles sólidos (general) 75 Mkcal/h - 3000 Mkcal/h 3 000 - 8 000 Mkcal/hr 150 - 1 000 mg/Mkcal 200 mg/Mkcal 78 000 mg/Mkcal Mkcal/hr. Gran Bretaña Combustible liquido o gas 245 - 140 800 Mkcal/hr 465-180 mg /Mkcal Combustible sólido 245 - 140 800 Mkcal /Hr - 2 000 - 800 mg /Mkcal Japón Combustibles líquidos <40 000 m 3 /hr gases 40 000 - 200 000 m 3 /hr gases 7200 000 m 3 /hr gases - 300 mg/Nm 3 200 mg/Nm 3 100 mg/Nm 3 Suiza Combustible liquido 201-1 000 Kg/hr 71 000 Kg/hr 75 mg/Nm 3 150-200 mg/Nm 3 Combustible sólido <1 000 Kg/hr 150 mg/Nm 3 >1 000 Kg/hr 100 mg/Nm 3 TABLA 5 .1 (CONTINUACION) Oxidos de Azufre - Bélgica Combustibles líquidos Plantas térmicas Otras ( - 100 000 000 Kcal/hr) 5g/Nm 3 2g/Nm 3 España Combustibles líquidos - Plantas térmicas 4 500 mg/Nm 3 Industria (según grado) 1 700-5 000 mg/Nm 3 Estados Unidos Combustibles sólidos Termoeléctricas ("73 MW) 520 ng /J Industria ( > 73 MW) 520 ng /J Combustibles líquidos Termoeléctricas 340 ng/J Industria 340 ng/J Oxidos de nitrógeno - Estados Unidos Combustibles sólidos Termoeléctricas ( >73 MW) 210 ng /J Industria ( :> 73 MW) 300 ng /J TABLA 5 .1 (CONTINUACION) Combustibles líquidos Termoeléctricas 130 ng/J Industria 130 ng /J Combustible gaseosa Termoeléctricas 86 ng /J Industria 86 ng /J Japón Combustibles sólidos >100 Nm 3 /h de gases 400 ppm 40-100 Nm 3 /h de gases 480 ppm <40 Nm 3 /h de gases 400 ppm Combustibles líquidos >500 Nm 3 /h de gases 130 ppm 500 - 10 Nm 3 /h de gases 150 ppm <10 Nm 3 /h de gases 180ppm Combustibles gaseosos -;7 500 Nm 3 /h gases 500 - 40 Nm 3 /h gases 40 - 10 Nm 3 /h gases <10 Nm 3 /h gases 60 ppm 100 ppm 130 ppm 150 ppm TABLA 5 .2 NORMAS DE CALIDAD DE COMBUSTIBLES Austria Contenido de azufre en combustibles líquidos: Combustóleo pesado 3 .5% Combustóleo medio 2 .5% Combustóleo ligero 1 .5% Diesel 0 .8% Bélgica - Contenido de azufre en combustibles líquidos: Combustóleo residual 3 .5% Combustóleo pesado 2 .6% Combustóleo medio 1 .9% Combustóleo ligero Diesel 0 .5% 0 .3% k Dinamarca Contenido de azufre en combustibles líquidos: Diesel 0 .8% Combustóleo 2 .5% máx. (Combustóleo Copenhague) 1% Francia - Contenido de azufre en combustibles líquidos: General Combustóleo 2 4% Combustóleo 1 2% Zonas especiales 1 - 2 gS/Mkcal n .~L n _ 1 TABLA 5 .2 (CONTINUACION) Contenido de cenizas en combustibles sólidos: Paris <20% Gran Bretaña Contenido de azufre en combustibles líquidos: Diesel 0 .5 - 0 .8% Combustóleo ligero 3 .5% Combustóleo medio 4% Combustóleo pesado 4 .5% Combustóleo residual 5% Japón - Contenido de azufre en combustibles líquidos: 0 .5 a 1 .2% según la región Un segundo parámetro a considerar seria la magnitud del equi po de combustión, estableciendo para ello tres categorías -- Kcal ; y, Q hr 5 .3 L 100 000 Kcal ; 100 000 4Q ._4.1 000 000 — hr 1 000 000 kcal . ) hr fundamentales ( Q Valores propuestos para las normas de emisión. Los valores de emisión máxima permisible que se proponen con sideran el uso de los combustibles más idóneos, por tamaño — de fuente y ubicación, que se presentan en la tabla 5 .3. La tabla 5 .4 presenta los valores propuestos para las normas de emisión por proceso de combustión industrial y comercial. El caso de las plantas termoeléctricas no se consideró, ya — que la SEDUE está desarrollando un estudio especifico al res pecto. TABLA .5 .3 ZONIFICACION DE COMBUSTIBLES Capacidad del aire* Calidad <100 000 (,300 300 - 400 >400 Conc . nivel piso SO 2 (Kcal/hr) 1000 000 - 1 000 000 Diesel/Combustóleo ' Combustóleo° >1 000 000 Combustóleo Diesel Diesel/Combustóleo Gas/Combustóleo Gas LP/Diesel Diesel/Combustóleo Gas natural promedio 24 hrs. Donde se plantean opciones la primera es preferente . TABLA 5 .4 EMISIONES MAXIMAS PERMISIBLES ( mg/10MKcal ) PS SO x NO 6 80 7 0 .6 0 .2 Diesel 0 .3 30 3 0 .6 0 .1 Gas natural 0 .1 0 .01 2 .5 0 .6 0 .1 Gas LP 0 .1 0 .01 2 .5 0 .6 0 .1 Combustible ' Combustóleo x CO HC B I B L I O G R A F I A 1. Adams R . L. Design and Operation of a Pulse jet Baghouse. Journal of the Air Pollution Control Association, Vol . 31, Pag . 1058. 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