1 1 - Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático

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
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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 .
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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)
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( 3)
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G22)-T-
I LI,.
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(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
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Tn N P .n,=~.%
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$ 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
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4NOUE
0 cot_ cc-ton
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NN I LIQUIDO
Q - 17-„.g.„g
p
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DIESEL
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REPROCESO 360
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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
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PLANTA DE. Elt'n.6.SE
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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 .
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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 ..
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1171'rE .
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---
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
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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
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9 10
11
12 13 14 15 l~~~
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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
,.
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0p CIT.
r
700
-----
-
o
~---^--
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1
I
'óQuemador
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600
~
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a
'
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1.
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i
-
At
a'
500
4 00
,;
—
Quemador
—
Tangencial
200
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---
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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
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' Combustóleo
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