Universidad Veracruzana

Universidad Veracruzana
Facultad de Ciencias Químicas-Xalapa
Ingeniería ambiental
Impacto ambiental y reúso de energía en
una planta siderúrgica
Tesina que presenta
Edgar Sindahir Lee González
Para acreditar la experiencia educativa de
Experiencia Recepcional
Asesor:
Dr. Epifanio Morales Zárate
Xalapa, Ver. Junio de 2013
INDICE
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
JUSTIFICACIÓN
OBJETIVOS
1
2
4
5
6
CAPITULO 1
Antecedentes
1.1 Industria e impacto ambiental.
1.1.1
La industria siderúrgica.
1.2 La evaluación de los impactos ambientales.
1.2.1
Matriz de impactos ambientales.
1.2.2
Lista de chequeo.
1.3 Reúso de energía.
1.4 Combustibles y calentamiento global.
1.4.1
Energía eléctrica.
1.4.2
Impactos ambientales asociados a la generación de energía eléctrica.
7
8
9
10
12
13
15
15
16
17
CAPITULO 2
Impactos ambientales y energía en la industria siderúrgica
2.1 Proceso de producción de acero.
2.2 Impactos ambientales.
2.2.1
Etapa de construcción.
2.2.2
Etapa de operación.
2.2.2.1
Contaminantes atmosféricos.
2.2.2.2
Contaminantes del agua.
2.2.2.3
Contaminantes del suelo
2.2.2.4
Contaminación térmica.
2.2.2.5
Efectos en la salud asociados a la industria siderúrgica.
2.3 Procesos de transferencia de calor.
2.3.1
Transferencia de calor en palanquillas.
2.3.1.1
Transferencia de calor por radiación.
2.3.1.2
Transferencia de calor por convección.
2.3.2
Transferencia de calor en un horno de arco eléctrico
2.3.2.1
Transferencia de calor por radiación.
2.3.2.2
Transferencia de calor por convección.
2.3.2.3
Transferencia de calor por conducción.
2.3.3
Transferencia de calor en la salida de los gases del horno de arco eléctrico.
2.3.3.1
Transferencia de calor por convección.
2.3.3.2
Transferencia de calor por radiación.
2.3.3.3
Transferencia de calor por conducción.
20
22
22
23
26
26
27
27
28
29
29
30
31
32
32
33
34
35
36
37
37
CAPITULO 3
Balance de energía y reúso
3.1 Balance de radiación superficial.
3.2 Flujos de energía recuperables.
3.2.1 Cálculo de energía radiante en el horno.
3.2.2 Cálculo de energía radiante en la chimenea.
3.2.3 Cálculo de energía radiante en la escoria.
3.2.4 Cálculo de energía radiante en las palanquillas.
3.3 Aplicaciones de la energía recuperable.
39
42
43
43
43
44
44
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFIA
APÉNDICE
47
48
52
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1
Generación de energía eléctrica por combustible
16
Figura 1.2
Generación de energía eléctrica por sector
17
Figura 2.1
Esquema de la sección transversal de un horno de arco eléctrico
21
Figura 2.2
Lingoteras para colada continua
22
Figura 2.3
Palanquilla de acero al carbón al rojo vivo
29
Figura 2.4
Transferencia de calor por radiación de un metal caliente al
30
ambiente
Figura 2.5
Transferencia de calor por convección entre un metal y el aire
31
Figura 2.6
Transferencia de calor por radiación en un horno de arco eléctrico
33
Figura 2.7
Transferencia de calor por convección en un horno de arco
34
eléctrico
Figura 2.8
Transferencia de calor por conducción en un horno de arco
35
eléctrico
Figura 2.9
Transferencia de calor por convección en la chimenea
36
Figura 2.10
Transferencia de calor por radiación en la chimenea
37
Figura 2.11
Transferencia de calor por conducción en la chimenea
38
Figura 3.1
Balance térmico en la superficie
40
Figura 3.2
Flujos de energía de desperdicio
42
INDICE DE TABLAS
Tabla 1.1
Matriz de impactos ambientales del sector industrial
11
Tabla 1.2
Lista de chequeo para un complejo de condominios
12
Tabla 1.3
Emisión de distintos contaminantes, medida en toneladas
18
producidas al generar 1 GWh de energía eléctrica
Tabla 2.1
Matriz de impactos ambientales de la fabricación de palanquillas
24
Tabla 2. 2
Lista de chequeo ambiental para la producción de palanquillas
25
Tabla 2.3
Efectos en la salud de diferentes contaminantes atmosféricos
28
RESUMEN
En este trabajo se presenta un análisis preliminar de los impactos ambientales
generados por una planta siderúrgica y de cómo algunos de estos impactos ambientales
pueden disminuirse si se reutiliza la energía residual producida en el proceso de producción
de palanquillas de acero.
Inicialmente se identificaron los impactos ambientales originados por la operación de
la planta, para lo cual se aplicó una matriz de impactos ambientales y una lista de chequeo.
Posteriormente se llevó a cabo un balance de energía básico sobre el entorno de la planta
y se determinó que la presencia de la planta ocasiona que no toda la energía recibida del
sol sea absorbía por el suelo ya que el concreto y la lámina de la nave reflejan energía hacia
la atmósfera lo que puede ocasionar el calentamiento del entorno.
También se cuantificó la energía que es emitida en algunos puntos clave del proceso
y estableció que si esta energía es reutilizada para precalentar la materia prima (chatarra)
se pueden lograr significativos ahorros de gas natural y electricidad, lo cual implicaría un
ahorro económico y la disminución de los impactos ambientales relacionados con la emisión
de energía a la atmósfera y de gases de efecto invernadero
1
INTRODUCCIÓN
Aunque la industrialización ha ido determinando el desarrollo de la humanidad,
también ha tenido efectos contraproducentes sobre el ambiente y por consiguiente sobre la
vida en el planeta. Un elemento fundamental de dicho desarrollo industrial ha sido la energía
obtenida de diversas fuentes. Actualmente la mayor parte de la energía que se consume
en el mundo proviene de fuentes no renovables y particularmente de la quema de
combustibles fósiles, lo cual genera emisiones de gases de efecto invernadero que
contribuyen al calentamiento global.
Debido a que las actividades antropogénicas consumen la mayor parte de los
energéticos, se han planteado formas alternativas de energía y se realizan esfuerzos para
hacer más eficientes los procesos existentes. El biodiesel, el bioetanol, el metano, el
hidrógeno, la energía eólica o la energía solar son tan solo algunos de los ejemplos de
combustibles y energías alternativas que pueden emplearse para sustituir a los
combustibles fósiles. Sin embargo, aún no es posible el aprovechamiento integral de la
mayor parte de estas fuentes de energía ya que no se cuenta con la tecnología adecuada
para producirlas o aprovecharlas. Como una alternativa a lo anterior, se debe considerar
que en muchos procesos pueden existir flujos de energía que son desperdiciados y que
podrían ser reutilizados y de esta manera se estarían reduciendo los costos y el consumo
de combustibles, lo que traería como consecuencia la reducción de las emisiones de gases
de efecto invernadero y de los impactos ambientales asociados.
En ese sentido, en este trabajo se presenta un análisis preliminar sobre como la
reutilización de la energía residual producida en un proceso siderúrgico puede contribuir a
disminuir los impactos ambientales generados por el mismo proceso. Se identifican los
impactos ambientales y posteriormente se llevan a cabo algunos cálculos energéticos que
permiten establecer cuanta energía podría reutilizarse.
Es importante destacar que para un ingeniero ambiental es fundamental entender
las bases científicas de la problemática ambiental, para poder establecer las causas y
efectos de manera cualitativa, lo cual le permitirá formular una descripción del problema y
plantear una solución. Para llevar a cabo lo anterior, el ingeniero ambiental debe hacer uso
de las herramientas teóricas y prácticas que aprende durante su formación, tales como
2
matemáticas, termodinámica, balances de materia, fenómenos de transporte, gestión
ambiental, etc. Estas ideas son las que subyacen en la realización de este trabajo.
En el Capítulo 1 se presentan los aspectos básicos sobre impactos ambientales y
reúso de energía. Se describen algunas herramientas para diagnosticar impactos
ambientales y algunos casos prácticos relacionados con la reutilización energética. En el
Capítulo 2 se hace una descripción del proceso de producción de acero en una planta
siderúrgica y se identifican los impactos ambientales relacionados con el proceso. En el
Capítulo 3 se lleva a cabo el balance de energía sobre la planta y se determina la cantidad
de energía residual. Finalmente se presentan las conclusiones del trabajo.
3
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La actividad industrial ha potencializado el desarrollo humano pero también ha
generado
impactos
ambientales
que
han
contribuido
al
deterioro
ambiental.
Particularmente, debido al uso de combustibles fósiles para obtener energía se han
generado grandes cantidades de gases de efecto invernadero, los cuales son responsables
del calentamiento global. Debido a lo anterior, actualmente se buscan fuentes alternativas
de energía, pero aún no se cuenta con la tecnología adecuada para producir y aprovechar
de forma efectiva la energía de dichas fuentes.
Como alternativa a esta problemática se plantea la reutilización de la energía residual
que se produce en los procesos industriales, lo que además de disminuir los costos puede
minimizar los impactos ambientales. Sin embargo, para diseñar los equipos y los procesos
que permitan lograr lo anterior, primero es necesario identificar las partes del proceso en
donde se produce energía residual, cuantificar esta energía, establecer los mecanismos
mediante los cuales se puede recuperar esa energía y definir las partes del proceso en
donde se podría utilizar.
4
JUSTIFICACIÓN
Identificar las partes del proceso en donde se produce energía residual, cuantificar
esta energía, establecer los mecanismos mediante los cuales se puede recuperar esa
energía y definir las partes del proceso en donde se podría utilizar, permitirá contar con
información básica que permitirá establecer la viabilidad de llevar a cabo este proceso de
reutilización de energía residual.
5
OBJETIVO GENERAL
Establecer cómo el reúso de la energía producida puede reducir los impactos
ambientales generados en una planta siderúrgica
OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Identificar los impactos ambientales producidos por una planta siderúrgica

Realizar un balance de energía térmica sobre la planta siderúrgica

Cuantificar la energía residual que se produce en la planta siderúrgica

Identificar las partes del proceso en las cuales se puede reusar la energía
residual
6
CAPÍTULO 1
ANTECEDENTES
En el presente capítulo, se muestra la relación entre el crecimiento demográfico y el
impacto ambiental generado por la industria. También se describe a la evaluación de
impacto ambiental y las herramientas que utiliza para cuantificar impactos ambientales.
Finalmente se muestra el impacto ambiental ocasionado por el uso de combustibles fósiles
y electricidad.
1.1. Industria e impacto ambiental
En el pasado se consideraba poco probable que las actividades antropogénicas
causaran un impacto ambiental que afectara considerablemente al clima global. Estas
suposiciones se fueron descartando debido a que se logró documentar que desde el
comienzo del siglo XX hasta el presente, la temperatura media global ha aumentado 0.76ºC
y los científicos han llegado a la conclusión de que los gases de efecto invernadero (GEI)
provenientes de actividades humanas son los responsables del calentamiento global. Estas
actividades se deben principalmente a las necesidades que el ser humano ha ido
desarrollando con el transcurso del tiempo debido al crecimiento demográfico (Sánchez,
2008).
El acelerado crecimiento demográfico y su distribución desequilibrada, son algunos
de los factores que pueden afectar directamente al ambiente. Una consecuencia del
crecimiento demográfico es la producción incontrolada de residuos sólidos, que generan
una problemática ambiental importante. La disposición final incorrecta de los residuos
sólidos generados ha provocado la construcción de tiraderos a cielo abierto, en los cuales
no se tienen control en los subproductos que se generan como los lixiviados o el biogás,
que causan daños al ambiente ya que contaminan el suelo, los mantos acuíferos y la
7
atmósfera. Además, la operación de los tiraderos representa un riesgo de salud púbica ya
que provocan la proliferación de fauna nociva y la generación de partículas que portan
patógenos (Cruz, 2002).
El acelerado crecimiento poblacional, requiere de productos y servicios que solo las
industrias pueden satisfacer, sin embargo, como ya se mencionó, la actividad industrial
genera impactos ambientales. Los efectos ambientales producidos por la actividad
industrial comienzan por la generación de residuos sólidos, líquidos y gaseosos
potencialmente dañinos para el sitio de disposición final, con la consiguiente contaminación
del suelo, del agua y de la atmósfera. Además, en muchas ocasiones la expansión industrial
implica la tala inmoderada, el cambio de uso de suelo, la extinción de especies animales,
la explotación recursos energéticos (carbón, petróleo y gas natural) y minerales. Por otro
lado, la energía residual generada en los procesos, generalmente es transferida a la
atmósfera lo cual también contribuye al calentamiento global.
La expansión del sector industrial requiere de la realización de estudios de impacto
ambiental que establezca como se puede afectar al ambiente. Cuando estos estudios de
impacto ambiental no se llevan a cabo de manera correcta se pueden provocar daños
irreversibles tanto en la población como en el ambiente. Tal es el caso de la explotación de
oro en la mina Caballo Blanco, ubicada en el municipio de Alto Lucero en el Estado de
Veracruz, en donde de acuerdo con estudios realizados en diversas universidades se
determinó que el impacto ambiental de la mina era mucho mayor al evaluado por la empresa
misma (CCDS, 2012).
1.1.1. La industria siderúrgica
La industria siderúrgica mexicana se remonta a 1900, cuando fue creada la primera
compañía fundidora privada de Monterrey, Nuevo León, con una capacidad de producción
de 100 mil toneladas al año. Posteriormente, 40 años después, se crea la primera empresa
estatal en el Estado de Coahuila, con una capacidad instalada de 60 mil toneladas al año.
Al término de la segunda guerra mundial, la demanda creciente del acero impulsó a la
formación de nuevas empresas acereras en México y en 1970 se consolida la industria
siderúrgica nacional ubicada en las Truchas, en el Estado de Michoacán. A principio de los
años 80, la Cámara Nacional de la Industria y el Acero participó en la creación de
organismos auxiliares con funciones de coordinación, asesoría e investigación que dio
8
impulso al sector siderúrgico. Posteriormente en 1991, la privatización de la industria
siderúrgica paraestatal constituyó uno de los sucesos más relevantes. Durante ese mismo
año, debido a la aplicación de las políticas ambientales en el sector, muchas empresas
tuvieron que cerrar temporalmente para readecuarse y cumplir con la normatividad
ambiental, mientras que otras empresas
tuvieron que suspender sus actividades
definitivamente (SE, 2011).
En México existen 17 empresas dedicadas al ramo siderúrgico que en el año 2010
tuvieron una producción de 17 millones de toneladas. Las plantas de producción y centros
de distribución se concentran en los estados de Baja California, Coahuila, Nuevo León,
Tamaulipas, San Luis Potosí, Jalisco, Guanajuato, Michoacán, Estado de México, Tlaxcala,
Puebla, Veracruz y Yucatán. Por esta razón, el 40.6% del territorio nacional está vinculado
de manera directa con la industria del acero (SE, 2011).
Los métodos de producción empleados en esta industria están basados en hornos
de conversión de oxígeno y en hornos eléctricos, los cuales emplean electricidad y gas
natural para fundir el metal a una temperatura de 1640°C. Durante estos procesos se
producen polvos y escoria a alta temperatura, además del metal fundido que posteriormente
se transforma en placas de acero y toda la energía que se libera cuando se enfrían estos
productos es transferida a la atmósfera, lo cual puede representar una pérdida económica
y la generación de impactos ambientales(Lizcano, 1996).
1.2. Evaluación de los impactos ambientales
La industrialización y la urbanización requieren de estudios de impacto ambiental
para conocer el efecto negativo que tiene su crecimiento sobre el ambiente y la sociedad.
Los impactos de la urbanización son un poco más difíciles de definir y evaluar. Los efectos
del ruido, de la contaminación del aire y el agua sobre la salud y las tensiones psicológicas
no se cuantifican con facilidad. Sin embargo, los efectos de la industrialización se pueden
identificar y evaluar mediante herramientas o instrumentos para la evaluación de impactos
ambientales que permiten analizarlos (Glynn, 1999).
9
La evaluación de impacto ambiental, es un instrumento de la política ambiental que
tiene su principal aplicación en actividades de producción, que permite plantear opciones
de desarrollo que sean compatibles con la preservación del medio ambiente y los recursos
naturales y que garantice un enfoque preventivo que ofrezca seguridad acerca de la
viabilidad ambiental de diversos proyectos (INE, 2000). La Ley general de equilibrio
ecológico y protección al ambiente (LGEEPA) define al impacto ambiental, como la
modificación del ambiente ocasionada por la acción del hombre o la naturaleza. Por otro
lado esta misma ley define a la Manifestación de Impacto Ambiental (MIA) como el
procedimiento a través del cual la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales
(SEMARNAT), establece las condiciones a que se sujetará la realización de obras y
actividades que puedan causar desequilibrio ecológico o rebasar los límites y condiciones
establecidos en las disposiciones aplicables para proteger el ambiente y preservar y
restaurar los ecosistemas, a fin de evitar o reducir al mínimo sus efectos negativos sobre el
ambiente (INE, 2000).
1.2.1. Matriz de impactos ambientales
La evaluación de impacto ambiental cuenta con algunas metodologías que
desempeñan el papel de herramientas o recursos técnicos, que posibilitan o facilitan la
ejecución y el desarrollo de la gestión ambiental. Dos de las metodologías más usadas en
la evaluación del impacto ambiental son las matrices de impactos ambientales y las listas
de chequeo. La matriz de impactos proporciona un inventario y una presentación con
variantes de los impactos ambientales.
El trabajo pionero en esta área fue el trabajo de Leopold y ha sido reseñado por
Munn (Glynn, 1999). En este tipo de matrices los impactos identificados se pueden clasificar
como graves, moderados, leves o nulos y también se pueden utilizar esquemas numéricos.
Debido a que la clasificación de los impactos ambientales es subjetiva, de preferencia se
deben de realizar a cargo de varios especialistas en el área. Un ejemplo de este tipo de
herramienta se puede visualizar en la Tabla 1.1, en donde se presenta una matriz de
impacto ambiental del sector industrial en general (Glynn, 1999).
10
Tabla 1.1 Matriz de impactos ambientales del sector industrial (Glynn, 1999).
Componente Industrial
Consecuencias
Ambientales
Petroquímica
Metales
Emisiones a la
atmósfera de las plantas
de refinación y
procesamiento (nocivas,
tóxicas)
Emisiones de
partículas y gases
durante la forja, el
labrado y la
fabricación
Hidrósfera
Emisiones de plantas a
cuerpos de agua
receptores
Descarga de licores
de talleres
limpiadores de
metales. Otras
descargas de
residuos en
cuerpos de agua.
Liberación de
metales pesados
Litósfera
Eliminación de sólidos y
lodos de desecho en
rellenos de tierras.
Derrames accidentales
durante el transporte y
almacenamiento
Eliminación de
escoria y productos
de desecho del
procesamiento
Impacto
humano
Ciertos productos y
desperdicios tóxicos
para muchas formas de
vida. Perturbación del
estilo de vida por
emisiones nocivas
Efectos en la salud
por los tóxicos
liberados al
ambiente
Atmósfera
Alimentos /bebidas
Minería
Agricultura
Pulpa y papel
Emanaciones
nocivas del
procesamiento de
alimentos
Partículas de
materia derivadas
de la explotación
superficial.
Emanaciones
nocivas de la
fundición
Arrastre de rocíos
agrícolas. Escape de
polvo y polen por
operaciones los
campos
Desprendimiento de
emanaciones
nocivas durante el
procesamiento
Desagüe de
desechos de minas.
Residuos de
procesamiento
descargados
directamente en
cuerpos de agua
Escurrimiento
superficial y
percolado de
plaguicidas y
fertilizantes a aguas
subterráneas.
Azolvado de cuerpos
de aguas por
prácticas agrícolas
deficientes
Desperdicios de
fábrica
contaminados.
Acarreo fluvial de
pendientes
deforestadas.
Pérdida de hábitats
Erosión de la
superficie del suelo.
Agotamiento de
material orgánico y
microorganismos
necesarios del suelo
Degradación del
ecosistema de áreas
desmontadas.
Erosión de tierras no
protegidas
Peligro para la salud
por pescado y
mariscos
contaminados con
mercurio
Peligro para la salud
por pescados y
mariscos
contaminados por
mercurio
Los desperdicios
suelen tener un alto
contenido orgánico
Descarga de
desechos de minas.
Trastorno de la
agricultura y la
silvicultura por
minas a cielo
abierto
Peligro para la
salud de los
mineros (mercurio,
asbesto y
explotación de
carbón)
11
En la Tabla 1.1, se puede observar que el eje horizontal lista diversos aspectos de
la industrialización, mientras que el eje vertical, contiene los componentes del ambiente: la
atmósfera, la hidrósfera, la litósfera y los impactos humanos. Los elementos de la matriz,
identifican interacciones potenciales entre cada actividad y cada característica ambiental.
De esta manera se pueden plantear preguntas acerca de cada elemento de la matriz.
1.2.2. Lista de chequeo
La lista de chequeo dentro de la evaluación del impacto ambiental, es un listado
simple en donde se identifican los impactos ambientales generados por una actividad
industrial. Esta herramienta en particular se ha desarrollado con el propósito de ayudar al
evaluador a decidir si un proyecto en particular requiere trámite ambiental, considerando
las características del proyecto y su entorno ambiental. Existen listas de chequeo de los
siguientes tipos: listas de chequeo simples (SI / NO), listas de chequeo tipo cuestionarios y
listas orientadas a un tipo de proyecto (MA, 2002). En la Tabla 1.2, se muestra un ejemplo
de esta herramienta aplicada al desarrollo de un proyecto de
construcción de 500
condominios.
Tabla 1.2 Lista de chequeo para un complejo de condominios (MA, 2002).
LISTA DE CHEQUEO PARA LA EVALUACIÓN CASO A CASO
Preguntas por considerar
Sí / No / ?
Breve descripción
¿Es probable que resulten
efectos negativos
significativos?
Sí / No / ?
¿Por qué?
Breve descripción del proyecto:
Desarrollo de un complejo de condominios de 500 casas entre los municipios de ABZ y XYZ. El complejo
se ubica en un área de 100 ha sobre la cual tendría jurisdicción la CRA y CARDIQUE
¿La construcción y/o operación del Sí, el proyecto incluye el
proyecto implicará acciones que desarrollo de un área extensa, Sí, pérdida de suelo para
causarán cambios físicos en la localidad con uso actual de agricultura, y agricultura, y uso recreativo del
(topografía, uso del suelo, cambios en lo atraviesa un pequeño río.
suelo.
cuerpo, etc.)?
¿El proyecto implica el uso, el
almacenamiento, el transporte, el No, excepto en cantidades No.
manejo o la producción de sustancias o mínimas por el uso doméstico.
materiales que pueden ser nocivos
para la salud humana o el ambiente, o
incrementa actuales riesgos en la salud
humana?
Sí,la construcción requerirá la Sí,el transporte puede traer
¿El proyecto produce residuos sólidos excavación de una colina, impactos significativos en los
durante la construcción, la operación o transporte, disposición y uso vecinos
de
la
cabecera
el desmantelamiento?
del material deteriorando la municipal de ABC.
calidad del aire.
12
No.
¿El proyecto modificará algunos
aspectos sociales, como demografía,
actividades tradicionales o empleo?
¿Existe algún otro factor que deba
considerarse como consecuencia de
las
actividades
y
que
pueda
representar potencialmente efectos
ambientales o impactos ambientales
acumulativos o que interfiriera con otra
actividad existente o proyectada en la
localidad.
¿Existen área o aspectos de alguna
importancia histórica o cultural en los
alrededores de la localidad o sobre el
sitio del proyecto que puedan verse
afectada por el mismo?
¿En el área de influencia del proyecto
hay presencia de comunidades
étnicas?
No, solo se espera alguna
oferta de empleo durante la
construcción.
Sí,el proyecto requerirá una
extensión de alcantarillado del
municipio de ABC, el cual ya
está sobrecargado.
Sí,no hay mucho espacio para
ampliar
el
sistema
de
tratamiento de alcantarillado, el
cual ya presenta problemas de
olores.
?, No existe información
disponible acerca del área.
?, requiere futura investigación
Sí,
comunidades negras,
indígenas y raizales.
Sí, cambios culturales
En la Tabla 1.2 se puede observar que en el eje vertical se plantean las diferentes
preguntas enfocadas hacia el impacto ambiental del proyecto. En la segunda columna se
responde a las preguntas planteadas, junto con una breve descripción, mientras que en la
tercera columna se explica si habrá algún efecto negativo importante.
1.3. Reúso de energía
Debido al fuerte impacto ambiental que provoca el uso de combustibles fósiles junto
con las emisiones a altas temperaturas, el aumento en el costo de los combustibles y su
limitada disponibilidad en el mercado, es necesario plantear diferentes alternativas para
poder elevar la producción con el menor impacto ambiental y el menor costo posible. Hoy
en día se manejan diferentes opciones para el ahorro energético, entre las cuales se
encuentran los planes de gestión ambiental aplicados a las industrias, la adquisición de
maquinaria innovadora que provoca un impacto ambiental mucho menor que la maquinaria
antigua y el uso de biocombustibles o fuentes alternas de energía. Sin embargo, muchas
veces no son suficientes para disminuir el impacto ambiental o se requiere una inversión
demasiado grande que no todas las empresas pueden costear. Por esta razón, nace la
necesidad de aprovechar la energía de desperdicio que se produce en la elaboración de
los productos en la industria y utilizarla como fuente de calor para otros procesos.
13
La existencia de una fuente de calor de desperdicio saliente de un proceso, es una
alternativa significativa para reusarla como calor de baja o alta temperatura en otro proceso,
ya que como lo indica uno de los principios básicos de la termodinámica, el calor solo se
puede transferir de los cuerpos más calientes a los más fríos, por lo tanto, para poder
incrementar la temperatura en un proceso se necesita una fuente de energía más caliente.
Esta fuente de energía solo puede ser utilizada en otro proceso siempre y cuando la
temperatura sea más alta que la requerida por el proceso receptor, en caso contrario
muchas de las veces la energía se desecha. Sin embargo, si esa fuente de calor es más
caliente que la necesaria para otra tarea, por ejemplo, el agua de enfriamiento a 40°C, es
más caliente que la requerida para calefacción de oficinas o agua para duchas, se puede
dejar de considerar desperdicio y utilizarse como una fuente de energía para minimizar
gastos y optimizar el suministro.
Como ya se mencionó anteriormente, ciertos impactos ambientales provocados por
la industria se deben al uso excesivo de los combustibles fósiles y a las emisiones de
energía generadas en los procesos que contribuyen al calentamiento de la atmósfera. En
este sentido, actualmente, ciertos sectores industriales como la industria siderúrgica y la
industria del petróleo, reutilizan la energía liberada por un proceso para ser aprovechada
en otro. Lo anterior es debido a que si se desperdicia la energía que se genera en los
procesos, el proceso es ineficiente y costoso y por otro lado el uso de combustibles fósiles
provoca un gran impacto ambiental.
Así por ejemplo, Guijosa (2009), trabajó en la recuperación de energía a partir de
gases de combustión en una chimenea. En este caso el flujo de gases de la chimenea se
dividió en dos partes, una parte sigue el trayecto normal de la chimenea hasta la salida a la
atmósfera, mientras que la otra parte pasa por un proceso de recuperación de calor. De tal
forma, que estos gases son enfriados y posteriormente liberados hacia la atmósfera. El
calor recuperado fue entonces utilizado en otra parte del proceso, lo cual representó un
ahorro de combustible y debido a que los gases salen más fríos, el impacto ambiental en la
atmósfera es mucho menor.
Por otro lado Paz (2010), analizó un sistema de recuperación de calor de un tornillo
rotatorio para el precalentamiento de agua en una caldera. A partir de un balance de
energía, determinó que el calor recuperable a partir del aceite de un compresor de tornillo
de 75 hp era de 27.83 kW y que con esta energía recuperada el agua se podía calentar
14
hasta 70ºC. Calderón y Pachacama (2011), diseñaron un sistema de recuperación de calor
a partir de los gases de combustión de los motores Mitsubishi MAN-18V40/54, que se
emplean en las centrales termoeléctricas. Los autores aprovecharon la energía de los gases
de combustión de los motores de combustión interna que se encuentran en las centrales
termoeléctricas. Demostraron que el calor recuperado era suficiente para generar vapor
para el precalentamiento de los combustibles de las unidades generadoras, lo cual implicó
una disminución significativa en el consumo de diésel, en los impactos ambientales y por lo
tanto un ahorro económico.
Flores y col. (2011), diseñaron un recuperador de energía en una instalación de aire
acondicionado. Particularmente diseñaron un banco de tubos mediante los cuales fue
posible la recuperación de calor y por lo tanto se lograron ahorros energéticos y económicos
sustanciales. Ruiz (2012), diseñó una caldera con recuperación de calor para la refinería
de PETROECUADOR. Este diseño utiliza la energía de desperdicio almacenada en el
escape de una turbina de gas de ciclo combinado para generar vapor saturado. Con el
aprovechamiento del calor residual de la chimenea se logró tener un ahorro de combustible
de 353.81 kg que se tradujo en un ahorro de $608,256.00 dólares anuales. Recientemente
Lescieur (2010) diseñó y construyó un intercambiador de calor para aprovechar la energía
proveniente de los gases calientes producidos por un motor de combustión interna de un
automotor, con el fin de producir vapor y con esto generar electricidad.
En el caso de la industria siderúrgica, la electricidad empleada para fundir metal se
produce en procesos que generan gran cantidad de contaminantes, algunos de los cuales
contribuyen al calentamiento global. Por otro lado, en la producción de acero en la
siderúrgica, existen diversas fuentes de energía que son desperdiciadas y cuyo reúso en el
mismo proceso puede significar un ahorro económico y la disminución de los impactos
ambientales causados.
1.4. Combustibles y calentamiento global
Como se mencionó previamente, el crecimiento demográfico favorece y la actividad
industrial implican un aumento en el consumo de energía, y por lo tanto un mayor consumo
de combustibles fósiles que a partir de sus emisiones, contribuyen a la generación del
15
calentamiento global. A continuación se presentan diversos datos acerca del consumo de
energía eléctrica, sus fuentes y los contaminantes asociados.
1.4.1. Energía eléctrica
A nivel mundial, un número relativamente pequeño 25 países encabezados por
Estados Unidos y entre los que se encuentra México (lugar 14), producen el 83% de las
emisiones globales de GEI (Baumert, 2005). Según datos del World Resources Institute
(WRI), en el año 2005, las emisiones totales de GEI fueron de 44,153MtCO₂ equivalente1,
esto indica un crecimiento del 12.7% entre el año 2000 y 2005. De las emisiones de GEI
generadas en el año 2005, el 24.9% corresponde a procesos de generación de electricidad
y de calor. Particularmente, la industria del hierro y del acero produjeron el 4% de los GEI
(WRI, 2005). En 2005, México generó un total de 512 Mt de CO₂ equivalente; en 2006 se
produjeron 709 Mt y en 2010 se generaron 742.252 Mt (INE, 2006).
Del total de CO2 equivalente producido en México en 2006, el 16% se generó en la
producción de energía eléctrica, que es una de las principales fuentes de energía en la
industria siderúrgica. Entre los combustibles más usados para la generación de energía
eléctrica se encuentran el carbón, el combustóleo, el gas natural y el uranio. En la Figura
1.1se muestra la generación de energía eléctrica por combustible a nivel mundial para el
año de 2009 (IEA, 2011).
3.30%
16.20%
40.60%
Carbón
Petróleo
13.40%
Gas Natural
Nuclear
21.40%
Hidroeléctrica
Otros
5.10%
Figura 1.1Generación de energía eléctrica por combustible (IEA, 2011).
1
El CO2 equivalente es la concentración de CO2 que causaría el mismo forzamiento radiactivo medio mundial que la
mezcla dada de CO2 con otros gases de efecto invernadero.
16
Como se puede observar en la Figura 1.1, el 40.6 % de la energía generada en el
mundo en el año 2009, fue a partir de carbón mientras que, el 3.3% se generó a partir de
energías renovables como la energía eólica, geotérmica, solar y biocombustibles. En el año
2006, el 60% de la energía eléctrica se generó a partir de combustibles fósiles estos
(González, 2009). En el año 2010, la generación bruta de energía eléctrica en México fue
de 242TWh.y el estado de Veracruz es la entidad en donde se produjo la mayor cantidad
con un 12.8% del total. Este energía se produce principalmente en centrales termoeléctricas
con una generación de 81.6TWh que representa el 33.78%. En la Figura 1.2se muestra la
generación de energía eléctrica por sector en México.
6.83%
6.45%
2.43%
2.74% 0.07%
15.21%
Hidroeléctrica
Termoeléctrica
PEE´s
33.78%
32.49%
Duales
Carboeléctrica
Nucleoeléctrica
Geotermoeléctrica
Eoloeléctrica
Figura 1.2 Generación de energía eléctrica por sector (SENER, 2010)
En la Figura anterior se puede observar lo mencionado anteriormente, el sector
termoeléctrico y los productores externos de energía (PEE), son los que generan más
electricidad a nivel nacional, con el 37.78% y el 32.49% respectivamente, mientras que las
hidroeléctricas aportan el 15.21% y la nucleoeléctrica el 2.43%.
1.4.2. Impactos ambientales asociados a la generación de energía eléctrica
Toda tecnología usada para generar electricidad tiene impactos ambientales
asociados. Por ejemplo, las centrales que utilizan combustibles fósiles para la generación
de energía eléctrica, liberan óxidos de azufre (SOx), óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de
carbono (CO₂), monóxido de carbono (CO), partículas sólidas en suspensión (PSS),
hidrocarburos (HC), desechos nucleares (D. Nucl.) y otros compuestos a la atmósfera, que
17
contribuyen al aumento de la temperatura promedio del planeta o contaminación del medio
ambiente, todo en función de la cantidad de energía eléctrica producida. En la Tabla 1.7se
muestran, las emisiones de distintos contaminantes que van asociadas a la generación de
1GWh de energía eléctrica a partir de distintos combustibles.
Tabla 1.3 Emisión de distintos contaminantes, medida en Toneladas producidas al generar 1GWh
de energía eléctrica (González, 2009).
Fuente
CO₂
NO₂
SO₂
PSS
CO
HC
D. nucl.
Total
Carbono
1058
3
3
1.6
0.3
0.1
No
1066
Gás natural
824
0.25
0.34
1.18
Trazas Trazas No
825.8
Nuclear
8.6
0.034
0.029
0.003
0.018
12.3
0.001
3.64
En la Tabla 1.3, se puede observar que el combustible que produce más
contaminantes al generar 1GWh de energía eléctrica es el carbón, con un total de 1066
toneladas de emisiones de distintos contaminantes, seguido por el gas natural con un total
de 825.5 toneladas de emisiones y en tercer lugar el nuclear con un total de 12.3 toneladas,
siendo este último el que menos impacta con emisiones atmosféricas, pero si con desechos
nucleares con un total de 3.64 toneladas y estas emisiones contribuyen al calentamiento
global. Mediciones llevadas a cabo en las últimas décadas indican que la temperatura
media global de la atmósfera se ha incrementado debido a las emisiones de GEI,
principalmente de CO₂, (González, 2009). El calentamiento global ya ha sido causa de
procesos nocivos para la flora y fauna del planeta, al alterar los climas, haciéndolos más
extremosos y provocar, como consecuencia, el aumento de la frecuencia e intensidad de
huracanes, inundaciones, sequías y enfermedades (González, 2009).
Las tecnologías que no utilizan combustibles fósiles para la generación de energía
eléctrica como las plantas hidroeléctricas, pueden requerir la construcción de presas e
inundación de grandes extensiones de tierra, lo que ocasiona el desplazamiento de
comunidades enteras, la desviación del curso de ríos naturales, la destrucción del hábitat
de los animales silvestres y la liberación de metales tóxicos como el mercurio (Hg) del suelo
inundado. Las turbinas eólicas pueden generar ruido y, si no están bien ubicadas, pueden
ser peligrosas para aves en vuelo y tener un impacto visual en el paisaje. Las plantas
nucleoeléctricas al no utilizar combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica
se pueden considerar como plantas que utilizan tecnologías “limpias” ya que no emiten
contaminantes atmosféricos, pero el riesgo proviene del material radiactivo que se produce
18
durante la reacción de fisión nuclear y otros desechos generados por la generación de
energía eléctrica.
En el presente capítulo, se puede concluir que el acelerado crecimiento demográfico
que experimenta la población es un factor importante que ocasiona el aumento de
emisiones de gases de efecto invernadero, y por consiguiente el calentamiento global. La
industria siderúrgica en particular, es una de las que genera más emisiones de GEI, ya sea
por el proceso de producción de palanquillas de acero o por las grandes cantidades de
energía eléctrica y gas natural que consume. Para medir los impactos ambientales que
ocasionan las industrias, se crearon diferentes métodos, el más común utilizado
actualmente es la evaluación de impacto ambiental. La evaluación de impacto ambiental
utiliza diferentes herramientas para realizar el estudio pero existen dos herramientas que
son las más comunes, las matrices de impacto ambiental y las listas de chequeo. Estas
herramientas muestran un amplio panorama de los impactos ambientales generados por
las diferentes industrias.
19
CAPÍTULO 2
IMPACTOS AMBIENTALES Y
ENERGÍA EN LA INDUSTRIA
SIDERÚRGICA
En el presente capítulo, se muestra el proceso de producción de acero en la industria
siderúrgica, los impactos ambientales y los impactos en la salud asociados, desde la etapa
de construcción hasta la etapa de operación a partir del análisis de una matriz ambiental y
una lista de chequeo. También se realiza un análisis de los procesos de transferencia de
calor que existen en el proceso de producción de palanquillas de acero.
2.1. Proceso de producción de acero
Las industrias siderúrgicas utilizan hornos de arco eléctrico en la producción de
derivados del acero al carbón, (Figura 2.1). El horno opera con 3 electrodos de grafito que
requieren de aproximadamente 24,150kWh de electricidad y 277kg de gas natural para
fundir 60 toneladas de chatarra (Lizcano, 1996).
En la Figura 2.1, se puede observar que el horno tiene una capa interna de ladrillo
refractario y que cuenta 3 electrodos de grafito que forman el arco eléctrico para fundir la
chatarra contenida. El horno cuenta con dos salidas, la de los gases del proceso y la del
vaciado del metal fundido y vaciado de escoria. El horno también cuenta con una entrada
exclusiva para la inyección de oxígeno al proceso.
20
Electrodos
de grafito
Polvos
calientes
Acero
fundido
Pared del
horno
Figura 2.1. Esquema de la sección transversal de un horno de arco eléctrico, (Logar, 2011).
El proceso comienza con el depósito de la chatarra dentro del horno, posteriormente
se introducen los electrodos al horno que forman un arco eléctrico y funden la chatarra. Una
vez fundida la mayor parte de la chatarra, se le inyecta oxígeno al horno para eliminar los
elementos indeseables del baño como silicio, magnesio y fósforo; posteriormente se extrae
la escoria y se añade carbono o ferroaleaciones. Ya que se añadieron los compuestos se
continúa calentando hasta que la mezcla se funde completamente. Una vez fundida se lleva
a la estación de metalurgia secundaria, en donde se le hará un afino según las
especificaciones del cliente (Enríquez, 2009). Cuando la mezcla está lista, se pasa a la
estación de moldeado en donde se hace pasar el acero fundido a través de una lingotera
abierta por sus extremos superior e inferior, construida en cobre y refrigerada (Figura 2.2).
Se genera una palanquilla de acero que por contacto con las paredes de la lingotera da
lugar a una superficie solidificada. El acero fundido continúa pasando a través de la
lingotera ininterrumpidamente hasta que se ha vaciado completamente la cuchara
(Enríquez, 2009).
El acero aun líquido es enfriado a través de rociadores con agua, para que, al salir
de las lingoteras pueda estar en estado sólido. Cuando las barras salen de las lingoteras,
aún se encuentran al rojo vivo y emiten radiación térmica a los alrededores.
21
Cuchara de
colada
Acero
fundido
Lingoteras
de cobre
Figura 2.2. Lingoteras para colada continua (Enríquez, 2009)
2.2. Impactos ambientales
Los impactos ambientales que ocasiona una planta siderúrgica, comienzan desde la
etapa de construcción, debido a diversos factores como la mala planeación de la obra o el
uso de equipo y maquinaria que afecta al amiente local. En la etapa de operación se
concentran los impactos ambientales más fuertes, ya sea por las emisiones de
contaminantes que genera la planta o por la alteración del clima local debido a las altas
temperaturas a la que opera la planta.
2.2.1. Etapa de construcción
Durante la etapa de construcción de la planta siderúrgica, el tránsito se verá afectado
por el desplazamiento de camiones sobre calles y avenidas que transportan materiales
hasta el lugar de la obra. Debido a esto, se producen efectos de contaminación atmosférica
y contaminación por ruido. En muchos casos las estimaciones de impacto ambiental en la
mayoría de las obras, se realizan durante la ejecución de esta y no durante la planeación o
presupuestación, lo cual trae consigo diversos problemas.
Una vez elegido el sitio en donde se ubica la planta, se procede a retirar la cobertura
vegetal, ocasionando problemas como erosión, desplazamiento de especies animales y si
22
el suelo se encuentra contaminado, se transfieren los contaminantes a otro sitio. El depósito
de materiales que se realizan a cielo abierto producen contaminación atmosférica, cambios
en la composición física, química y biológica del suelo y cuando existen precipitaciones
pluviales se corre el riesgo de que los lixiviados lleguen a las aguas subterráneas o a los
cuerpos de agua superficial más cercanos (Grimaux, 2008).
2.2.2. Etapa de operación
En el proceso de acería eléctrica en las plantas siderúrgicas, existen impactos
ambientales importantes asociados. Esta problemática afecta directamente a las esferas
ambientales (atmósfera, hidrósfera, litósfera) y al ser humano. Para poder identificar los
impactos ambientales del proceso, se procederá a usar las herramientas mencionadas
anteriormente (matriz de impactos ambientales y lista de chequeo) para su análisis. En la
siguiente Tabla 2.1, se puede visualizar una matriz ambiental enfocada a la producción de
palanquillas de acero al carbón en una industria siderúrgica.
De acuerdo con el análisis realizado de la Tabla 2.1, se puede establecer que la
esfera ambiental en la que existe mayor impacto por la producción de palanquillas de acero
al carbón es la atmósfera. Las emisiones producidas durante el triturado no están
totalmente controladas y la exposición o inhalación de estas partículas es muy dañina para
la salud. También se puede correr el riesgo de que exista chatarra con radiactividad y
contamine el lugar o a los operadores de la planta. En el horno de arco eléctrico se tienen
controladas las partículas que se emiten en los gases de salida pero no se controla la
cantidad de calor que se desprende del proceso y que afecta al ambiente local provocando
islas o cúpulas de calor y perjudicando al ambiente local. En el enfriamiento de las
palanquillas la principal problemática es la cantidad de calor que emite la palanquilla hacia
el ambiente ya que contribuye al igual que el horno de arco eléctrico a la formación de islas
o cúpulas de calor que perjudican principalmente a los operadores de la planta.
En la tabla 2.1 se puede visualizar el impacto provocado en cada esfera ambiental y
el impacto en la salud de los seres humanos. En el eje vertical se enlistan las esferas
ambientales más importantes, mientras que en el eje horizontal se pueden visualizar las
principales partes del proceso de acería eléctrica. Dentro de la matriz se pueden identifican
los contaminantes que causan el impacto sobre las esferas ambientales y sus posibles
efectos.
23
Tabla 2.1 Matriz de impactos ambientales de la fabricación de palanquillas
Consecuencias
Ambientales
Almacenamiento, triturado,
separación de la chatarra
Atmósfera
Emanación de polvos durante el
almacenamiento y triturado
derivado de la chatarra. Riesgo de
contaminación radiactiva por
chatarra contaminada.
Hidrósfera
Lixiviación de compuestos férricos y
ácidos por agua pluvial que cae
sobre la chatarra.
Litósfera
Escoria y polvos producidos en el
triturado que se depositan sobre el
suelo.
Impacto
humano
Daños a la salud por la inhalación
de polvos y partículas metálicas.
Etapas del proceso
Fundición de la chatarra en horno de
arco eléctrico
Emisiones de partículas y gases
durante la fundición, el afino y la
colada del acero. Contaminación
térmica en el ambiente local.
Descargas de aguas residuales a altas
temperaturas. Descargas de purgas de
los conductos de los gases de
proceso. Descargas de aguas
residuales a altas temperaturas
Lodos de desecho resultantes del
proceso de fundición. Emisiones de
partículas durante la fundición, el afino
y la colada que se depositan en el
suelo.
Efectos en la salud por las emisiones
de partículas y gases. Efectos en la
salud por la contaminación térmica del
lugar donde se encuentra el horno.
24
Almacenamiento del producto
final
Emanaciones de partículas
superficiales de las palanquillas.
Contaminación térmica por el
enfriamiento natural de las
palanquillas
Lixiviación de compuestos
férricos y ácidos por agua
pluvial que caen sobre las
palanquillas
Daño al suelo por partículas que
se depositan sobre el suelo
donde se encuentran enfriando
las palanquillas.
Efectos en la salud por la
inhalación de partículas que se
desprenden de la superficie de
las palanquillas
En la Tabla 3.2 se puede visualizar una lista de chequeo enfocada a la producción
de palanquillas de acero al carbón en una planta siderúrgica.
Tabla 2.2 Lista de chequeo ambiental para la producción de palanquillas
LISTA DE CHEQUEO PARA LA EVALUACIÓN CASO A CASO
Preguntas por considerar
¿Es probable que resulten efectos
negativos significativos?
Sí / No / ?
Breve descripción del proyecto:
Impacto ambiental debido a la operación de una planta siderúrgica que fabrica palanquillas de acero al carbón.
No, la operación de la planta
1.¿En la fabricación de palanquillas, se siderúrgica no causará un
implicarán acciones que causen impacto sobre el suelo
alteraciones en el suelo de la localidad? además
del
ya
hecho
anteriormente
por
la
construcción de la planta.
2.¿La fabricación de palanquillas se Sí, en la operación de la planta
recurrirá al almacenamiento, uso o la siderúrgica se utilizan grandes
producción de sustancias peligrosas cantidades de combustibles
que puedan ser tóxicas para el ser que implican un riesgo para la
humano?
salud
humana.
En
la
operación de la planta y el
almacenamiento
de
los
productos se liberan grandes
cantidades de calor que
pueden afectar a la salud
humana.
Sí,en la fundición de la
3. ¿En la fabricación de palanquillas se chatarra en el horno de arco
producen residuos sólidos?
eléctrico se producen residuos
denominados escoria, que
tienen altas concentraciones
de óxidos de fierro y otras
aleaciones.
4. ¿En la fabricación de palanquillas se Sí, en la fabricación de
producen grandes cantidades de calor palanquillas
hay
sitios
que puedan afectar la salud humana? específicos en donde la
cantidad de calor puede ser
dañina para los operadores de
la planta.
5 ¿La producción de palanquillas Sí,la operación de la planta
modifica algunos aspectos sociales requerirá mano de obra que
como
demografía,
actividades fomentará más fuentes de
tradicionales o empleo?
empleo en las localidades
cercanas.
No
Sí, si las actividades no se realizan con
precaución pueden ocurrir accidentes de
trabajo. Pueden ocurrir afectaciones a la
salud por el uso y manejo de sustancias
peligrosas.
Sí,si no se les da el tratamiento adecuado
pueden afectar de manera importante a la
flora, fauna y al humano que rodea el sitio de
confinamiento de estos residuos.
Sí, si no se labora con el equipo adecuado
puede haber perturbaciones permanentes en
la salud humana de los trabajadores.
No
Se pueden observar las respuestas dadas a las preguntas planteadas relacionadas
con los impactos ambientales y sociales que trae consigo la operación de la planta
siderúrgica. A partir de estos resultados se puede inferir si la producción de palanquillas es
ecológicamente viable o no y en caso de no ser viable se puede proceder a prevenir o
remediar los impactos ambientales.
25
De acuerdo al análisis hecho de la lista de chequeo, se puede deducir que el principal
impacto que puede tener la industria siderúrgica sobre el ambiente local es el ocasionado
por la contaminación térmica y el uso o producción de sustancias nocivas para el ser
humano. Actualmente se elaboran planes de gestión para los residuos peligrosos
generados en las industrias pero aún no se cuenta con una solución enfocada a la
contaminación térmica y los problemas de salud que trae consigo la exposición prolongada
a altas temperaturas.
Independientemente del análisis realizado a partir de las matrices de impacto
ambiental y las listas de chequeo, se debe conocer a fondo y detalladamente los
compuestos químicos que libera la industria siderúrgica y que afecta directamente al
ambiente para poder prevenir su contaminación o en su defecto mitigarla.
2.2.2.1 Contaminantes atmosféricos
Las mayores concentraciones de emisiones en el proceso de acería, ocurren cuando
las tapas o puertas son abiertas para cargar, recargar, alear, inyectar oxígeno, remover la
escoria y al colar. El factor de emisión del horno de arco eléctrico es de 6.3 kg/ton de fierro
(Fe) fundido. Estas emisiones contienen dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrógeno
(NOx), óxidos de azufre (SO2), metano (CH4), componentes orgánicos volátiles (COVtot),
partículas suspendias (menores a 10 y 2.5 micrómetros) y metales pesados como Pb, Cd,
Hg, As, Cr, Cu, Ni, Se, Zn, V. Estos elementos gaseosos causan un impacto ambiental
negativo sobre los ecosistemas locales y regionales. Por otro lado, puede provocar daños
a la salud a los operadores de la planta y a las poblaciones aledañas al lugar (CONAMA,
1998).
2.2.2.2 Contaminantes del agua
Las aguas residuales tienen dos orígenes dentro del proceso de acería eléctrica,
pueden ser producidas por el ciclo de refrigeración del horno de arco eléctrico y por el ciclo
de refrigeración de los gases. Estas aguas contienen pequeñas cantidades de residuos de
cianógeno, azufre y fenoles, escorias de óxido de hierro y ácido silícico, partículas de
minerales, aluminio, carbono, así como compuestos de calcio y carbono. También se
pueden encontrar concentraciones elevadas de cloruros y contaminantes de la purga de los
gases de los conductos, como compuestos de Zn, cianuros y amonios en diferentes
26
porcentajes. Estos compuestos químicos provenientes de la industria siderúrgica, causan
un impacto ambiental importante a los cuerpos de agua receptores, principalmente a la flora
y fauna del cuerpo receptor si no son tratadas adecuadamente. Actualmente la mayoría de
las plantas siderúrgicas cuentan con una planta de tratamiento de aguas residuales en
donde se minimizan las cantidades de contaminantes del agua para poder ser descargadas
(CEPIS, 1991).
2.2.2.3 Contaminantes del suelo
El almacenamiento de chatarra al aire libre, puede ocasionar una problemática
ambiental importante, debido a que esta se encuentra expuesta a las precipitaciones
pluviales y se pueden generar lixiviados que contaminen el suelo y los cuerpos de agua
subterráneos. El almacenamiento de combustibles y el mantenimiento industrial, son
potencialmente contaminantes del suelo, debido al manejo de hidrocarburos (fuelóleo,
gasóleo, aceites, alquitranes y PCB) ya que los derrames accidentales de cualquiera de
estos compuestos afecta al suelo. Los elementos gaseosos y el material particulado que
emite la planta, causa un impacto ambiental negativo sobre el medio ambiente local,
afectando directamente al suelo, a la flora y la fauna así como a la población en general
(CICCP, 2007).
2.2.2.4 Contaminación térmica
El agua que utiliza la industria siderúrgica para enfriar materiales o equipos en las
distintas partes del proceso, contiene una gran cantidad de energía calorífica. Cuando el
agua de proceso es descargada directamente a los cuerpos de agua, causa una
problemática principalmente a la fauna del cuerpo receptor. Los efectos a corto plazo de
esta agresión térmica a los cuerpo acuáticos puede generar disminución de la reproducción
de diversos organismos, disminución del tamaño de diversas especies, disminución del
periodo de vida, cambios conductuales (periodo de desove, apareamiento, velocidad de
movimientos, etc.) y muerte. Una solución a este problema son las torres de enfriamiento
que evitan la contaminación térmica en los cuerpos acuáticos pero afectan directamente a
la atmósfera. Debido a que la gran cantidad de vapor generado por las torres de
enfriamiento va directamente a la atmósfera, crea problemas de elevación de la temperatura
de las capas de aire circundante y favorece la formación de neblina cuando hay frío, que
27
puede combinarse con contaminantes atmosféricos de diversa composición y descender a
la superficie(Albert, 1985).
El calor que producen las industrias y que es emitido a la atmósfera, junto con el
generado por el asfalto y muchas actividades humanas, contribuye a la creación de una
cúpula o isla de calor que afecta al clima del medio ambiente local. Esta cúpula puede influir
en la distribución de las lluvias en las zonas cercanas ya que actúa como barrera, desviando
las nubes (Albert, 1985). En el caso de la industria siderúrgica existen fuentes de energía
residual que son liberadas a la atmósfera y contribuye a la formación de estas cúpulas o
islas de calor.
2.2.2.5 Efectos en la salud asociados a la industria siderúrgica
Las emisiones de contaminantes a la atmósfera de forma incontrolada pueden
originar problemas de salud a las personas que conviven frecuentemente con el
contaminante, tal es el caso de la industria siderúrgica ya que los operadores de las plantas
junto con las poblaciones aledañas, son lo más expuestos a los contaminantes. El impacto
en la salud por las emisiones que produce la siderurgia se enlista en Tabla 3.3.
Tabla 2.3 Efectos en la salud de diferentes contaminantes atmosféricos (Zuk, 2006)
Contaminante
Dióxido de azufre (SO2)
Óxidos de nitrógeno (NOx)
Partículas suspendidas
(menores a 10 y 2.5
micras)
Metales pesados
Efecto en la salud
La exposición prolongada a este compuesto químico
puede ocasionar daños al sistema respiratorio por
actividades al aire libre, reducciones en la función
pulmonar, alteraciones de las defensas pulmonares,
agravación de problemas cardiovasculares, asma.
La exposición a este contaminante puede causar
irritación pulmonar, bronquitis y neumonía, así como
disminución de la resistencia a enfermedades
respiratorias. También puede causar síntomas de
asma, tos, gripe y dolor de garganta en niños
La exposición a partículas menores a 10 micras,
pueden penetrar directamente al sistema respiratorio
y depositarte en diferentes regiones de las vías
respiratorias como la nasofaríngea o el traqueo
bronquial. Las partículas menores a 2.5 micras y 1
micra logran llegar hasta la región alveolar y provocar
un cuadro sintomatológico de asma.
La exposición a los metales pesados puede ocasionar
bronquitis, cáncer de esófago, laringe, pulmón, vejiga,
próstata, riñón y otros problemas graves en la salud.
28
Actualmente la mayor parte de las industrias dedicadas al ramo siderúrgico, cuentan
con un sistema de captación de polvos residuales de la fusión del acero que permiten
recolectar los gases y las partículas para darle el tratamiento y disponerlos adecuadamente.
2.3. Procesos de transferencia de calor
En la producción de palanquillas de acero al carbón, los procesos de transferencia
de calor tienen un papel fundamental para analizar si es posible recuperar calor residual de
las diferentes partes del proceso, ya se del equipo y maquinaria o de las mismas
palanquillas de acero al carbón.
2.3.1. Transferencia de calor en las palanquillas
Las barras de acero al carbón (palanquillas) de sección cuadrada pueden variar en
tamaño dependiendo del uso o las especificaciones del cliente. Las barras de acero que
tienen un área superficial Α, salen al rojo vivo de las lingoteras con una temperatura superior
a los 1100°C (T)(Figura 2.3).Aunque en el enfriamiento de la barra, intervienen los tres
mecanismos de transferencia de calor(conducción, convección y radiación), el calor
transferido por radiación (Qrad) hacia los alrededores que se encuentran a la temperatura
(Talr), es mayor que el calor transferido por convección (Qconv) y por conducción (Qcond). La
barra de acero es enfriada por convección debido a las corrientes de aire que entran desde
el exterior del lugar. El mecanismo de conducción interna en la barra es el de menor
magnitud si se considera que debido a sus dimensiones y condiciones de producción, la
temperatura es uniforme en toda la barra y por lo tanto, en ella no existen gradientes de
temperatura.
Talr
Qconv
Qrad
T
k
Figura 2.3 Palanquilla de acero al carbón al rojo vivo
29
Como se puede observar en la Figura 2.3, la barra de acero al carbón se encuentra
al rojo vivo aumentando la temperatura ambiente de los alrededores, su conductividad
térmica facilita la transferencia de calor por conducción hacia la superficie.
2.3.1.1 Transferencia de calor por radiación
Las barras de acero al carbón al rojo vivo, se encuentran a altas temperatura y emiten
radiación térmica hacia los alrededores con un factor de emisividad (ε) (Figura 2.4). Una
parte del calor perdido por las barras (Qrad), es absorbido por el medio ambiente,
aumentando la temperatura de los alrededores. Una vez que la barra haya radiado toda su
energía térmica, se enfriará y alcanzará el equilibrio termodinámico con los alrededores. La
barra de acero al carbón además de radiar energía térmica a los alrededores, absorbe
radiación del ambiente.
Radiación de los
alrededores
Talr
Qrad
T
Emisión de
radiación
superficial
Figura 2.4 Transferencia de calor por radiación de un metal caliente al ambiente
En la figura 2.4, se puede visualizar como la barra de acero al carbón al rojo vivo a
una temperatura (T) y un factor de emisividad (ε), emite radiación térmica hacia los
alrededores aumentando y afectando la temperatura del medio ambiente.
La transferencia neta de calor por radiación (Qrad), puede ser calculada a partir de la
ley de Stefan-Boltzman (Holman, 1976; Incropera, 1999), que indica que un radiador
térmico ideal, emitirá energía de forma proporcional a la cuarta potencia de la temperatura
absoluta del cuerpo y directamente proporcional al área de la superficie, y se describe en
la siguiente ecuación:
Qrad   A(T 4  Talr 4 )
30
(0.0)
en donde σ es la constante de Stefan-Boltzman.
2.3.1.2. Transferencia de calor por convección
Cuando las barras de acero al carbón han finalizado la solidificación, se mueven a
una cama de enfriamiento en donde por convección natural, alcanzarán el equilibrio
termodinámico con el ambiente. Las barras son rodeadas por un flujo de aire del exterior a
temperatura ambiente, que atraviesa el lugar en donde están localizadas las para su
enfriamiento (Figura 2.5).
Talr
Flujo
de
aire
Figura 2.5 Transferencia de calor por convección entre un metal y el aire
En la Figura 2.5, se puede observar que las barras de acero al carbón al rojo vivo
están siendo sometidas a un flujo de aire continuo a temperatura ambiente que entra desde
el exterior de la planta, provocando su enfriamiento natural.
Cuando las barras son sometidas a flujo de aire, el enfriamiento de las mismas estará
controlado por la transferencia de calor por convección (Qconv). La expresión que describe
la transferencia de calor por convección es conocida como la ley de Newton del enfriamiento
(Holman, 1976; Incropera, 1999).
Qconv = hA( T- Talr)
en donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección.
31
(2.2)
Debido a que la magnitud del mecanismo de transferencia de calor por conducción
es menor a la de la transferencia de calor por radiación y por convección, ya que la placa
se encuentra uniformemente a la misma temperatura, se puede tomar como despreciable.
El calor que emiten las barras de acero no es el único que se puede recuperar de
todo el proceso de acería. El horno de arco eléctrico empleado para la fundición de chatarra
emplea temperaturas muy altas para el proceso y desperdicia una gran parte de la energía
térmica que produce.
2.3.2. Transferencia de calor en un horno de arco eléctrico
Cuando el horno de arco eléctrico se encuentra operando, intervienen los 3
mecanismos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación) en el proceso.
La conducción ocurre entre las zonas del horno, que están en contacto directo entre sí. La
convección está presente entre las tuberías que rodean al horno en donde pasa agua para
enfriamiento y entre el aire proveniente del exterior que circula afuera de las paredes del
horno. La radiación se da principalmente entre la superficie exterior del horno y el ambiente
y la energía que irradia el electrodo de grafito hacia las paredes del horno, entre otros
lugares.
2.3.2.1 Transferencia de calor por radiación
El mecanismo de transferencia de calor por radiación se encuentra presente adentro
del horno y fuera de él. Dentro del horno, se transfiere calor desde los electrodos de grafito
que son los encargados de formar el arco eléctrico hacia las paredes del horno que están
hechas de ladrillo refractario. También se puede encontrar en la escoria de acero fundida
que emite radiación térmica hacia las paredes del horno y una vez fuera del horno hacia el
ambiente. Otro punto clave en donde está presente la radiación es la superficie externa del
horno, que se encuentra a alta temperatura y es una fuente de radiación térmica que afecta
al ambiente (Figura 2.6).
En la Figura 2.6, se puede observar el calor radiante que se emite desde el interior
del horno, ya sea desde los electrodos de grafito, como del metal fundido hacia las paredes
del horno. Posteriormente este calor atraviesa la pared y se transfiere al ambiente
32
aumentando su temperatura. La transferencia neta de calor por radiación (Qrad), puede ser
calculada a partir de la ley de Stefan-Boltzman (Ecuación 2.1).
Talr
Qrad
Qrad
Qrad
Figura 2.6 Transferencia de calor por radiación en un horno de arco eléctrico, (Logar, 2011).
2.3.2.2. Transferencia de calor por convección
El mecanismo de convección (Qconv) está presente principalmente cuando se hace
pasar agua de enfriamiento a través del horno de arco eléctrico, ya que el calor que
atraviesa la tubería colocada dentro del horno, ocasiona que el agua de enfriamiento
alcance temperaturas muy altas y pueda llegar a evaporarse. Otro lugar en donde está
presente la convección es en el enfriamiento del horno, ya que pasan corrientes de aire
desde el exterior de la planta ocasionando que el horno se enfríe por convección natural
(Figura 2.7).
Como se puede observar en la Figura 2.7, el mecanismo de convección está
presente dentro del horno en los paneles de enfriamiento, ya que el calor se transfiere desde
los electrodos y el metal fundido a través de las tuberías de los paneles hasta llegar al agua
que es calentada por convección. Fuera del horno, el flujo de aire que entra desde el exterior
enfría al horno por convección natural. La transferencia neta de calor por convección en
tuberías (Qconv), puede ser calculada a partir de la Ecuación 2.2, descrita anteriormente.
33
Talr
Paneles de
enfriamiento
Flujo
de
aire
Qconv
Qconv
Figura 2.7. Transferencia de calor por convección en un horno de arco eléctrico, (Logar, 2011).
2.3.2.3. Transferencia de calor por conducción
La transferencia de calor por conducción (Qcond) comienza desde dentro del horno,
entre todas las partes que están en contacto directo entre sí. Cuando los electrodos de
grafito al carbón se encuentran en contacto directo con la chatarra sólida existe
transferencia de calor, ya que el objetivo de los electrodos es fundir la chatarra. En el fondo
del horno, el acero fundido transfiere su energía por conducción hacia las paredes del horno
de ladrillo refractario alcanzando temperaturas por encima de 1640°C. Otro lugar en donde
está presente la conducción dentro del horno, es en las tuberías de los paneles de
enfriamiento, ya que conducen el calor por a través de ellas hacia su interior. En las paredes
de ladrillo refractario, existe transferencia de calor desde el interior del horno hacia el
exterior (Figura 2.8).
En la Figura 2.8, se pueden observar los diferentes lugares en donde está presente
la conducción de calor, ya sea en los electrodos de grafito, en los paneles de enfriamiento
en donde circula un flujo de agua a temperatura ambiente o a través de las paredes del
horno.
34
Talr
Paneles de
enfriamiento
co
QQ
cond
Qcond
Qcond
Figura 2.8. Transferencia de calor por conducción en un horno de arco eléctrico, (Logar, 2011).
La transferencia neta de calor por conducción está dada por la ley de Fourier
(Holman, 1976; Incropera, 1999), que se describe por la siguiente ecuación (Ecuación 2.3).
Qcond  -kA
dT
dx
(2.3)
en donde dT/dx, es el gradiente de temperatura y k es la conductividad del material a través
del cual se transfiere calor.
2.3.3. Transferencia de calor en la salida de los gases del horno de arco eléctrico
Otro punto clave de donde se puede recuperar energía térmica, es en la chimenea
del horno. Los hornos de arco eléctrico generan gases de escape, que al salir del horno,
arrastran numerosas partículas finas. Estas partículas están compuestas por elementos
provenientes del acero, de la escoria y de la carga de chatarra incluyendo hierro, zinc y
metales pesados como el plomo y el cadmio, que se volatilizan durante el proceso.
La temperatura de las partículas que salen por la chimenea puede llegar hasta los
1550°C (Lizcano, 1996). Debido a que las partículas se deben de encontrar a una
temperatura adecuada para ser liberadas a la atmósfera, pasan por un sistema de
35
enfriamiento que disminuye la temperatura hasta 350°C (Nakayama, 2001). Al igual que en
las palanquillas y en el horno de arco eléctrico, los mecanismos de transferencia de calor
también participan en la salida de los gases del horno.
2.3.3.1. Transferencia de calor por convección
La transferencia de calor por convección se puede dar dentro de la chimenea y fuera
de ella. Cuando los gases del proceso salen a través de la chimenea, comparten su energía
térmica con las paredes de la chimenea por convección, debido a que hay un flujo de aire
caliente que aumenta la temperatura de ellas. Posteriormente cuando los gases salen a la
atmósfera, son enfriados por convección natural compartiendo su energía térmica con el
ambiente. La chimenea, debido a que se encuentra a altas temperaturas por el flujo de aire
caliente, está sometida a un flujo de aire desde el exterior que disminuye su temperatura
por convección natural (Figura 2.9).
Qconv
Flujo
de
aire
Talr
Chimenea
de polvos
calientes
Qconv
Figura 2.9 Transferencia de calor por convección en la chimenea, (Steinparzer, 2011).
Como se puede observar en la Figura 2.9, la transferencia de calor por convección
se encuentra presente dentro de la chimenea y fuera de ella. Las partículas calientes
favorecen la transferencia de calor debido a que comparten su energía térmica con el aire
que entra a la chimenea y una vez fuera del horno con el ambiente. La transferencia neta
de calor por convección (Qconv) está expresada por la ecuación (2.2).
36
2.3.3.2. Transferencia de calor por radiación
La transferencia de calor por radiación, se da principalmente fuera de la chimenea,
aunque dentro de ella también está presente. Dentro de la chimenea, las partículas
calientes que salen del horno irradian su energía térmica hacia las paredes del horno y
hacia otras partículas. Fuera de la chimenea, las partículas calientes que salen de ella,
llegan a la atmósfera, radiando su energía térmica hacia el ambiente, aumentando la
temperatura del lugar. La chimenea al encontrarse a altas temperaturas, irradia energía
térmica hacia los alrededores contribuyendo al aumento de la temperatura del lugar (Figura
2.10).
Qrad
Talr
Qrad
Figura 2.10 Transferencia de calor por radiación en la chimenea, (Steinparzer, 2011).
Como se puede ver en la figura 2.10, la radiación térmica de las partículas calientes
provenientes del horno, transfieren su energía hacia las paredes del horno, hacia otras
partículas y hacia el ambiente. La transferencia neta de calor por radiación (Qrad), puede
ser calculada a partir de la ley de Stefan-Boltzman (Ecuación 2.1)
2.3.3.2. Transferencia de calor por conducción
La transferencia de calor por conducción, se puede dar entre las partículas que se
quedan adheridas a las paredes del horno, que por estar en contacto directo, transmiten su
energía térmica directamente a la chimenea. Al recibir la pared interna la energía térmica
37
de las partículas, transferirá la energía por conducción hacia la pared externa de la
chimenea (Figura 2.11).
Talr
Qcond
Figura 2.11 Transferencia de calor por conducción en la chimenea, (Steinparzer, 2011).
En la Figura 2.11, se puede observar claramente como las partículas calientes
provenientes del horno, transfieren su energía principalmente hacia las paredes de la
chimenea, ya que las altas temperaturas de las partículas y su adherencia a la superficie
interna de la chimenea favorecen la transferencia de calor por conducción. La transferencia
neta de calor por conducción (Qcond) puede ser calculada por la ley de Fourier (Ecuación
2.3).
Existen diversas formas de aprovechamiento de la energía liberada por las barras,
el horno o la chimenea, pero una de las maneras más eficientes es la captación del calor
para calentar fluidos como el agua, hasta altas temperaturas para generar agua caliente o
vapor que puede ser reaprovechado en el proceso de acería eléctrica.
En este capítulo se pudieron identificar los impactos ambientales que una planta
siderúrgica ocasiona al producir palanquillas de acero al carbón. Se pudo concluir que la
esfera ambiental que recibe un impacto mayor es la atmósfera. Independientemente de los
daños ocasionados por las emisiones ya sea por la etapa de construcción u operación, la
energía térmica residual liberada directamente a la atmósfera, contribuye a la formación de
cúpulas o islas de calor que afecta al medio ambiente local.
38
CAPÍTULO 3
BALANCE DE ENERGÍA Y
REÚSO
En este capítulo se realizan los cálculos para cuantificar la cantidad de energía que
llega del sol a la superficie terrestre para determinar si influye en el cambio climático del
ambiente local. Partiendo del análisis realizado previamente de los procesos de
transferencia de calor, se procedió a realizar un diagrama de flujo identificando los lugares
específicos del proceso en donde se libera más energía para poder determinar si puede ser
recuperada. Posteriormente se realizaron los cálculos de la cantidad de calor que irradian
las palanquillas, el horno de arco eléctrico, la chimenea y la escoria para analizar su
influencia en el cambio climático local. Finalmente se planteó un cálculo para poder
determinar la cantidad de energía recuperable y cuantificar los ahorros en combustible (gas
natural) y energía eléctrica y su impacto en el medio ambiente.
3.1. Balance de radiación superficial
La cantidad constante de energía que emite el sol es vital para todos los seres vivos.
Esta energía calienta la tierra con una temperatura casi invariable. Debido a que la tierra es
un cuerpo caliente, regresa la energía recibida y esto solo lo puede hacer a través de
radiación (Figura 3.1). La fracción de radiación solar que se refleja desde la tierra, se le
conoce como albedo (a), y depende de la naturaleza del material que recibe la radiación
solar (suelo, plantas o agua). Debido a que la radiación que se regresa de la tierra al espacio
se encuentra entre 4000 y 50,000nm, se le llama radiación de onda larga. Cuando la
superficie de la tierra es calentada por la radiación proveniente de las nubes, dióxido de
carbono, vapor de agua, el ozono y los aerosoles se le llama radiación de onda larga
descendente de la atmósfera ( R  ) (Glynn, 1999).
39
Figura 3.1 Balance térmico en la superficie (Glynn, 1999)
En la Figura 3.1, se observan los factores que influyen en el calentamiento y
enfriamiento de la superficie terrestre. El término I, corresponde a la radiación solar (onda
corta) que entra, el término –aI, es la fracción de I que se refleja sin utilizarse, el término
εσT4, es la radiación de onda larga que se aleja de la superficie, el término R  , es la
radiación de onda larga que regresa del aire (del CO2, el vapor de H2O, el ozono y las
nubes).
Radiación neta o balance de radiación superficial (Rn) se le llama a la rapidez de
calentamiento o enfriamiento neto por radiación en la superficie terrestre. Esta cantidad de
radiación puede ser determinada a partir de la siguiente ecuación
R -εσT 4
↓
Rn = I(1- +a)
(0.2)
en donde Ies radiación solar en la superficie. La expresión anterior es una relación entre la
energía recibida y la energía emitida por una superficie.
A partir de la ecuación anterior se puede establecer el efecto que puede tener la
presencia de la planta siderúrgica en su entorno. Para lograr lo anterior primero se calcula
la radiación neta superficial sin considerar a la planta, es decir, suponiendo que el suelo
está cubierto con vegetación propia de un bosque de coníferas. Para este caso el valor del
albedo para es de 0.1, la emisividad del suelo es de 0.94 (Glynn, 1999) y la temperatura
promedio superficial en el bosque es de 15°C, por lo tanto, la radiación neta superficial Rnb,
es
40
Rnb= (1000 W/m2) (1-0.1) + 250 W/m2 – (0.94) (5.67x10-8 W/m2K4) (288K)4
Rnb= 783.32 W/m2
en donde se ha considerado el valor de radiación solar en la superficie (I) de 1000 W/m2 y
de la radiación de onda larga descendente de la atmósfera ( R  ) de 250 W/m2 debido a que
es la intensidad media real (el promedio de 24 horas) de radiación solar en el nivel del suelo
en un clima subtropical (Glynn, 1999). Ahora se calcula la radiación neta superficial para un
suelo cubierto de concreto Rnc, para el cual el albedo es de 0.075 (Zúñiga, 2010), su
emisividad es de 0.65 (METRING, 2009) y la temperatura superficial de 30°C, entonces
Rna= (1000 W/m2) (1-0.075) + 250 W/m2 – (0.65) (5.67x10-8 W/m2K4) (303K)4
Rna= 864.35 W/m2
De los resultados anteriores se puede observar que la radiación neta de un suelo
cubierto con concreto es mayor que la radiación neta de un suelo con vegetación. Lo
anterior implica que cuando se cubre un suelo con concreto habrá un calentamiento
significativo del mismo. Por otro lado si se considera la nave de lámina, la radiación solar
neta que llega directamente del sol a una lámina de aluminio (Rnla), con un albedo de 0.6
(EUF, 1997), emisividad de 0.15 (METRING, 2009) y temperatura superficial de 30°C, es
Rnla= (1000 W/m2) (1-0.6) + 250 W/m2 – (0.15) (5.67x10-8 W/m2K4) (303K)4
Rnla= 578.31 W/m2
En este caso, la energía neta que se recibe es menor a la recibida por un suelo
original, lo cual significa que una mayor cantidad de energía es emitida a la atmósfera, lo
cual contribuye a la formación de cúpulas de calor sobre la zona y se contribuye así al
calentamiento de la atmósfera. Por lo tanto, se puede establecer que la presencia de la
planta siderúrgica, inicialmente provoca un impacto ambiental debido a que su construcción
provoca el calentamiento del entorno.
41
3.2. Flujos de energía recuperables
En el proceso de la fabricación de acero al carbón, existen diversas fuentes de
energía desperdiciada que pueden recuperarse. En la Figura 3.2, se muestra un esquema
donde se indican los lugares específicos en donde se puede recuperar energía.
Chimenea con flujo
de aire y polvos
calientes.
(Flujo de energía
recuperable)
Adición de
materia prima
(Chatarra
ferrosa)
Horno de arco
eléctrico caliente.
(Flujo de energía
recuperable)
Palanquillas
Horno de
arco eléctrico
Flujo de energía
recuperable
Escorias a altas
temperaturas.
(Flujo de energía
recuperable)
Figura 3.2 Flujos de energía de desperdicio
En esta Figura 3.2 se pueden observar los 3 puntos específicos en donde se
desperdicia más energía: el horno de arco eléctrico, la chimenea del horno y las palanquillas
de acero al carbón. La energía que se liberan en estos puntos del proceso se llama energía
de desperdicio ya que no es necesaria para el proceso que la descarga pero puede ser
utilizada por otros procesos o sistemas. A continuación se presentan los cálculos sobre la
energía que puede ser recuperable en cada sección. En todos los cálculos se considera
que el principal mecanismo mediante la cual la energía se transfiere es por radiación.
42
3.2.1. Cálculo de energía radiante en el horno
La coraza del horno se encuentra hecha de una placa de ladrillo refractario que tiene
un espesor de 0.40m y una placa de acero al carbón que tiene un espesor de 0.05m
(Toulouevski, 2010). La pared de acero al carbón por ser la que se encuentra expuesta a la
superficie, transfiere su energía por radiación hacia el ambiente. La pared se encuentra a
una temperatura de 300ºC (Toulouevski, 2010) y su emisividad es de 0.8 y por lo tanto, la
energía emitida por el horno es
Qradh = (0.8) (5.67x10-8Wm-2 K-4) ((300 + 273)4 K4 – (40 + 273)4 K4)
Qradh = 4,454.44 W/m2
3.2.2. Cálculo de energía radiante en la chimenea.
Los gases residuales del proceso, que se encuentran a una temperatura de 1550ºC,
(Lizcano, 1996), se enfrían a través del mecanismo de radiación, liberando su energía hacia
el ambiente que se encuentra a una temperatura aproximada de 40ºC. Debido a que los
polvos calientes están compuestos en su mayoría de acero, el factor de emisividad se toma
como 0.8, entonces la energía emitida por los gases calientes es
Qradch = (0.8) (5.67x10-8 W m-2 K-4) ((1550 + 273)4 K4 – (40 + 273)4 K4)
Qradch = 500, 543.86 W/m2
3.2.3. Cálculo de energía radiante en la escoria.
La escoria que produce el horno de arco eléctrico se encuentra a una
temperatura de 1640ºC (Lizcano, 1996). La escoria es transportada desde el horno hacia
un sitio de confinamiento especial para darle tratamiento. La temperatura ambiente en
donde se encuentra la escoria es de 40ºC, por lo tanto, la energía emitida por la escoria es
Qrade = (0.8) (5.67x10-8 W m-2 K-4) ((1640 + 273)4 K – (40 + 273)4 K)
Qrade = 607, 045.95 W/m2
43
3.2.4. Cálculo de energía radiante de las palanquillas al rojo vivo.
Debido a que las palanquillas pasan por un sistema de enfriamiento cuando
se encuentran dentro de las lingoteras de cobre, su temperatura disminuye hasta 1100ºC.
Esta energía que se encuentra dentro de las palanquillas, es liberada en forma de radiación
hacia el ambiente que se encuentra a 40ºC, así que la energía emitida por las palanquillas
es
Qradp = (0.8) (5.67x10-8 W m-2 K-4) ((1100 + 273)4 K – (40 + 273)4 K)
Qradp = 160, 760.98 W/m2
Esta energía emitida por el horno, los gases calientes, la escoria y las palanquillas
generalmente es liberada a la atmósfera y se suma a la energía que refleja la nave, por lo
cual se puede hacer aún más drástico el efecto del calentamiento de la atmósfera.
3.3. Aplicaciones de la energía recuperable
De la cantidad total de chatarra que ingresan al horno de arco eléctrico, cerca del
80% se transforma en acero líquido y el resto se convertirá en escoria, polvos y gases
(Lizcano, 1996). Entonces, si se considera una base de 60 toneladas de chatarra,
aproximadamente 50 toneladas se transformarán en palanquillas de acero. La cantidad de
calor que teóricamente se podría recuperar cuando las palanquillas se enfrían de una
temperatura inicial de Ti hasta una temperatura final Tf, se puede calcular con la siguiente
ecuación
Qs  mCp (Tf  Ti )
(0.3)
en donde m es la masa del acero y Cp es su calor específico. Entonces cuando las
palanquillas se enfrían de 1100°C hasta 30°C, se puede recuperar la siguiente cantidad de
energía:
Qsp = (50,000kg) (789 J/kg K) ((30 + 273) K – (1100 + 273) K)
Qsp = - 4.22 x 1010 J
44
Por otro lado, la energía necesaria para elevar la temperatura de 60 ton de chatarra
desde una temperatura inicial de 30°C hasta una temperatura final de 1640°C (temperatura
a la cual se funde el metal), también se puede calcular con la ecuación (3.2) para obtener:
Qsch = (60,000 kg) (789 J/kg-1K) ((1640 + 273) K – (30 + 273) K)
Qsch = 7.63 x 1010 J
A partir de los datos anteriores se puede establecer que si la energía que se recupera
al enfriar las palanquillas se empleara para precalentar la chatarra, entonces la temperatura
que alcanzaría se puede calcular a partir de la ecuación 3.2 y sería
Tf  303 K 
4.22  1010 J
(50,000 kg )  789
J
kg K

 1372 K  1099.70C
Entonces, ya no serían necesarios 7.63 x 1010J para llevar la chatarra hasta su
temperatura de fusión sino sólo se necesitarán 3.41 x 10 10J. Por lo tanto, la cantidad de
calor recuperado del acero a 1100ºC, representaría un ahorro sustancial en el proceso de
acería, ya que se puede traducir en un ahorro de la energía eléctrica o del gas natural
utilizados en el proceso.
Para poder estimar la cantidad de gas natural que se ahorraría la siderúrgica al
utilizar el calor recuperado, se debe tomar en cuenta que el poder calorífico del gas natural
es de 9.3 kcal/ m3y su densidad es de 0.78 kg/m3 (CNE, 1999). A partir de estos datos se
puede estimar que la cantidad de calor que se recuperaría al enfriar las palanquillas sería
equivalente a845 toneladas de gas natural (Apéndice). Además considerando que el factor
de emisión del gas es de2.15 kg CO2/m3 (CNE, 1999) se puede determinar que la cantidad
de CO2 que se dejaría de emitir por el uso del combustible sería de 2329 toneladas
(Apéndice).
En el caso de la energía eléctrica, al realizar los cálculos correspondientes para
saber la cantidad de kWh que se pueden obtener del calor recuperado (Apéndice), se
determinó que esta cantidad es de 11,722kWh de energía. Posteriormente, a partir del
factor de emisión del consumo de 1 kWh de electricidad (0.0824 kg de CO2 equivalente /
kWh), se pudo determinar que la cantidad de CO2 equivalente que se dejará de emitir por
usar el calor recuperado, es de 966kg de CO2 equivalente.
45
La presencia de la planta siderúrgica, causa un impacto ambiental en la atmósfera,
alterando el clima local del lugar. Esto es debido a que el concreto que rodea a la planta
emite más radiación neta de calor que un su caso el suelo original. Si a la radiación neta de
calor que emite el concreto le sumamos la radiación neta de calor que emite la placa de
aluminio que rodea el techo de la planta, es muy probable que exista la formación de
cúpulas o islas de calor que alteren el clima local. Además, la radiación de energía que
emite la chimenea, la escoria resultante del proceso de acería, el horno de arco eléctrico y
las palanquillas de acero al carbón que se dejan enfriando en el exterior de la planta,
contribuyen más a que la temperatura del clima local aumente. Entonces, si toda la energía
que se libera al ambiente por el proceso de acería teóricamente se pudiera recuperar, se
podría disminuir significativamente la temperatura del medio ambiente local, las emisiones
de gases de efecto invernadero por el ahorro de combustibles y un ahorro económico a la
planta.
46
CONCLUSIONES
De acuerdo con el análisis realizado sobre los factores ambientales que son
afectados por la producción de acero al carbón en una industria siderúrgica, se pudo
concluir lo siguiente:

Se pudo determinar que independientemente del impacto en la hidrósfera y la
litósfera por la operación de la industria siderúrgica, la esfera ambiental más
afectada es la atmósfera de la zona, ya que es la que recibe la contaminación
térmica por efecto del concreto que rodea a la planta, las láminas de aluminio que
cubren a la planta y la radiación térmica que emite la producción de acero al carbón
en la siderúrgica.

Se pudo identificar que existen 4 lugares específicos en donde se puede reusar la
energía térmica residual liberada. El horno de arco eléctrico, la chimenea de gases
calientes, la escoria resultante del proceso de acería y las palanquillas de acero al
carbón, emiten energía térmica suficiente como para ser reusada en otra parte del
proceso o como precalentamiento de la materia prima (chatarra) y así obtener un
ahorro sustancial de combustibles y la disminución de las emisiones de gases de
efecto invernadero.

De acuerdo a los cálculos realizados para la recuperación de calor del proceso de
acería eléctrica, se pudo determinar que la cantidad de calor recuperado se traduce
en un ahorro de 845 toneladas de gas natural y 2329 toneladas de CO 2 que se
dejarán de emitir a la atmósfera.

En el caso de la energía eléctrica se pudo determinar por los cálculos realizados
que la cantidad de calor recuperado se traduce en un ahorro de 11,722 kWh de
energía y 966 kg de CO2 equivalente que se dejarán de emitir a la atmósfera.

Debido a la cantidad de calor recuperado del proceso, la planta puede obtener un
ahorro sustancial en términos económicos de hasta un 55% en combustibles.
47
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APÉNDICE
A1. Gas natural equivalente a la cantidad de energía recuperada en las palanquillas
El poder calorífico del gas natural (9.3 kg / m3) expresado en J / kg es de 49,909.04
J/kg. Por lo tanto, la cantidad de gas natural necesario para producir la misma cantidad de
energía que se podría recuperar de las palanquillas es
 4.22 10
10
J

kg
49909.04J
 = 845.54 ton .
A2. Emisiones equivalentes a la cantidad de energía recuperada en las palanquillas
La cantidad de emisiones en términos de CO2 equivalente que se dejarían de
producir al dejar de quemar 845 toneladas de gas natural serán
 2.15
kg de CO2
m3

m3
0.78 kg
 1000  845.54 ton  = 2329 kg de CO
kg
ton
2
A3. Energía eléctrica equivalente a la cantidad de energía recuperada en las
palanquillas
La energía recuperada en las palanquillas se puede expresar en kWh de la siguiente
manera
(4.22 x 1010 J)(2.77 x 10-7 kWh / 1 J) = 11, 722.22 kWh
Y tomando en cuenta que el factor de emisión de 1 kWh de electricidad es de 0.0824 kg de
CO2e/kWh, entonces se puede calcular la cantidad de emisiones que dejarían de producirse
para este caso
(11, 722.22 kWh)(0.0824 kg de CO2e) = 965.91 Kg de CO2e
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