Tecnologías de reducción de Emisiones de CO

N° 47 – Noviembre 2013
Tecnologías de reducción de
Emisiones de CO
Caso de sistema de
Oxidación Catalítica Diesel (DOC)
Por: María José Iglesias O. Ingeniero de Proyectos.
Patricio Fernández Ríos, Jefe de Proyectos.
Jorge Araya Araya, Gerente de Proyectos.
Better Technologies.
El control de las emisiones atmosféricas en áreas laborales, en especial en lugares con
ventilación limitada, es un aspecto relevante a considerar para conservar un ambiente de calidad
y cuidar la salud de los trabajadores.
Una actividad que se caracteriza por este tipo de ambientes de trabajo es la desarrollada en el
sector minero, específicamente en minas subterráneas. En estas actividades las emisiones deben
ser controladas periódicamente considerando que el trabajador suele ser el más afectado por la
interacción entre la actividad que realiza y el lugar de trabajo.
Las emisiones a las que se hace referencia son principalmente: material particulado (MP),
monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), óxido de nitrógeno (NO) y otros gases,
provenientes principalmente de procesos de combustión desarrollados por fuentes activas
presentes, tanto móviles (camiones, camionetas, y equipos off road), como fijas (grupos
electrógenos, entre otros).
Better Chile ha provisto de soluciones tecnológicas especialmente diseñadas para el control de
emisiones provenientes de fuentes móviles y fijas. Estas tecnologías, certificadas
internacionalmente por distintos entes medioambientales, poseen una alta eficiencia de
remoción. En el presente documento se expone un caso de instalación y utilización del Sistema
de Oxidación Catalítica Diesel (DOC) controlando emisiones de CO generadas a partir de una
fuente móvil utilizada para faenas mineras.
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1. El Monóxido de Carbono
Es un gas incoloro e inodoro muy estable y que puede ser encontrado en la naturaleza por medio de
reacciones de formación a partir de metano (CH 4), gas común producido en procesos de
descomposición de materia orgánica.
Es considerado como una de las principales emisiones contaminantes de origen antrópico generado en
procesos de combustión incompleta de combustibles hidrocarburados (gas, gasolina, kerosene, carbón
o petróleo).
La reacción química que se genera es la siguiente:
La ocurrencia del proceso incompleto sucede en motores que:
a) No se encuentran ajustados debidamente
b) No cuentan con suficiente oxígeno para el proceso
c) No cuentan con la temperatura apta para que se produzca el proceso de combustión
(Comúnmente al encender el motor).
De acuerdo a lo anterior, la reducción de emisiones de CO dependerá exclusivamente de las
características del proceso de combustión y el poder calorífico del combustible a utilizar.
2.
¿Por qué reducir las emisiones de CO?
El propósito más importante de disminuir las emisiones de CO se fundamenta en la toxicidad que
presenta sobre la salud humana en periodos de alta exposición.
El mecanismo de acción se basa en la afinidad que tiene el CO con la hemoglobina que es la proteína
encargada del transporte de oxígeno a los órganos y tejidos del cuerpo. La hemoglobina al desarrollar
esta mayor afinidad con monóxido de carbono produce enlaces con éste, generando la molécula de
carboxi-hemoglobina, la cual inhibe el proceso de respiración celular impidiendo la entrada de oxígeno
y fomentando la entrada de monóxido de carbono el cual será distribuido a través de todo el
organismo.
Entre los efectos en la salud que se asocian a la exposición al CO se encuentran: disminución de
coordinación motora, agravamiento de enfermedades cardiovasculares, fatiga, dolores de cabeza,
confusión, náuseas y mareos. En casos extremos, si las exposiciones superan por mucho los niveles
aceptables, puede causar la muerte.
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3. Requisitos legales en Chile para emisiones de gases al interior de faenas mineras.
Considerando tanto la problemática ambiental existente especialmente en el área minera (con respecto
a material particulado y gases), como los riesgos a los cuales se exponen los trabajadores en el
desarrollo de sus actividades, se dispusieron normativas que consideran limites tanto para las
concentraciones máximas permitidas en áreas laborales, como límites máximos de emisión de máquinas
o equipos automotrices que funcionen por medio Diesel. Las emisiones a las que se hace referencia son
las que se encuentran establecidas en los decretos supremos expuestos a continuación:
I. DS N° 594, Ministerio de Salud, año 2000 “Aprueba reglamento sobre condiciones sanitarias y
ambientales básicas en los lugares de trabajo”. El presente reglamento establece las condiciones
sanitarias y ambientales básicas que deberá cumplir todo lugar de trabajo, sin perjuicio de la
reglamentación específica que se haya dictado o se dicte para aquellas faenas que requieren
condiciones especiales.
Establece, además, los límites permisibles de exposición ambiental a agentes químicos y agentes
físicos, y aquellos límites de tolerancia biológica para trabajadores expuestos a riesgo ocupacional
(Ver tabla N° 1; extracto de tabla presentada en el artículo N° 66, Decreto Supremo N° 594).
Tabla N°1: Concentraciones máximas permitidas en áreas laborales
para CO y NOx según D.S. 594
Contaminante
Concentración (ppm)
Monóxido de Carbono
40
Óxidos de Nitrógeno
20
Fuente: Ministerio de Salud (2000); Ministerio de Minería.
II. DS N° 132, Ministerio de Minería, año 2002 “Reglamento de seguridad minera” donde se presentan
características de las áreas de trabajo que deben ser consideradas para el desarrollo de esta
actividad, haciendo especial mención en su Título III (artículo 135) a:
-
Máximas concentraciones de emisiones de CO, NOx y aldehídos fórmicos aceptadas para el
trabajo al interior de minas subterráneas.
-
Límites máximos de emisiones de CO y NOx en fuentes fijas y móviles que funcionan por
medio de Diesel.
Dentro de las consideraciones que se establecen en este artículo referente a la operación de equipos
diésel al interior de minas subterráneas, se define lo siguiente como situación limitante para su
funcionamiento:
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a) Cuando las concentraciones ambientales de los contaminantes, en cualquier lugar donde esté
trabajando la máquina, exceda de:
Tabla N° 2: Límites máximos de concentración en ambientes laborales
en minas subterráneas según D.S. 132
2
Concentración
1
Contaminante
(ppm)
Monóxido de Carbono (CO)
40
Óxidos de Nitrógeno (NOx)
20
Aldehídos fórmicos
1,6
Fuente: Ministerio de minería
[1] Para el resto de los contaminantes químicos deberá considerarse lo establecido en el “Reglamento sobre condiciones
Sanitarias Ambientales Básicas en los lugares de Trabajo”, del Ministerio de Salud.
[2] La variación en la altura definida para las presentes concentraciones deberá ser reformulada en caso que se trate de
actividades superiores a 1.000 m.s.n.m.
b) Cuando la concentración de gases, medidos en el escape de la máquina o de equipos automotrices,
superen lo expuesto en la siguiente tabla:
Tabla N° 3: Límites máximos de emisión generados por equipos diésel en
minas subterráneas según D.S. 132
Contaminante
Concentración (ppm)
Monóxido de Carbono
2.000
Óxidos de Nitrógeno
1.000
Fuente: Ministerio de Minería
Todas las normativas expuestas en la presente Newsbetter implican una gran contribución,
principalmente en el ámbito de la salud de los trabajadores que se desarrollan en minas subterráneas,
generando la necesidad de cumplir con estas exigencias.
Debido a esto y considerando los posibles requerimientos de nuestros clientes, el Área de Tecnología de
Consultora Better, dispone de tecnología específica para reducir las emisiones de gases y partículas en
fuentes fijas y móviles con motores diesel. A continuación presentamos esta tecnología junto a sus
características, eficiencias y experiencias en los cuales se confirma su alta eficiencia.
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4. Tecnologías de post tratamiento de gases existentes para controlar las emisiones.
Las tecnologías de abatimiento disponibles tanto para fuentes fijas como móviles, según el tipo de
combustible y mezcla son: los filtros Diesel Particulate Filter (DPF), filtros Diesel Particulate Filter de flujo
parcial (p- DPF), los Sistemas de Reducción Catalítica Selectiva (SCR), Convertidores de Oxidación
Catalítica, Catalizadores de Tres Vías y Oxidación Catalítica Diesel (DOC), resumidas en la siguiente tabla
(Tabla N°4).
Tabla N° 4: Tecnologías de abatimiento de emisiones de gases y Material Particulado
COVs /
Tipo de motor
MP
NOx
CO
HCNM
Combustión
Convertidor
Convertidor
Convertidor
--Rica (λ<1)*
catalítico 3 vías
catalítico 3 vías
catalítico 3 vías
Combustión
Pobre (λ>1)*
---
Sistema SCR
Oxidación catalítica
Oxidación catalítica
Diesel
Oxidación
catalítica diesel,
DPF y p-DPF
Sistema SCR
Oxidación catalítica
diesel DPF y p-DPF
Oxidación catalítica
diesel y DPF y p-DPF
Nota *; λ<1: indica una deficiencia de aire, resultando en una mezcla "rica". Si λ>1: implica un exceso de aire,
resultando una mezcla "pobre".
Fuente: DCL International Inc.
5.
Tecnología para reducir las emisiones de Monóxido de Carbono (CO) por medio de
Sistemas de Oxidación Catalítica Diesel DOC.
Para controlar las emisiones de Monóxido de Carbono en motores Diesel, Better dispone de los
catalizadores Mine-X Oxidación Catalítica Diesel (DOC).
Este sistema está constituido por un monolito metálico tipo panal de abeja con cubierta de acero
inoxidable. El monolito está recubierto con un agente oxidante que resulta ser un catalizador que tiene
por tarea reducir el monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (CxHy) y parcialmente hidrocarburos
oxidados (CxHyO) y material particulado diesel. El proceso podrá ser ejecutado si el motor al cual se le
desea integrar el sistema se encuentra operando correctamente y con temperaturas superiores a los
160° C.
El control de las emisiones comienza con el proceso de combustión por medio del cual, se logra obtener
la temperatura adecuada y procede la oxidación del flujo de partículas que ingresa al catalizador.Las
siguientes reacciones químicas son las que describen el proceso:
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El esquema general del catalizador, tanto de su estructura externa como interna, se presentan en la
Figura N° 1.
Figura 1: Esquema de filtro MINE-X® Oxidación Catalítica Diesel (DOC)
Estructura externa
Estructura interna
Fuente: DCL International Inc.
Este sistema no necesita de mantención y las eficiencias de remoción de emisiones se establecen en la
siguiente tabla:
Tabla N° 5: Eficiencias de remoción del catalizador MINE-X® Oxidación Catalítica Diesel (DOC)
MINE-X® Oxidación
Catalítica Diesel (DOC)
MP
CO
HC y olores
NOx
0% - 30%
70 - 90%
70 -90%
Sin reducción
Fuente: DCL International Inc.
6. Experiencia en sistemas DOC
Dentro de las experiencias que avalan la eficiencia de nuestros sistemas en el control de emisiones
atmosféricas, se encuentra la desarrollada por nuestro proveedor (DCL International Inc.) en la ciudad de
Minneapolis, EE.UU, donde se procedió a comparar motores con y sin catalizadores DOC, específicos
para el control de emisiones de CO. Los motores utilizados contienen las características expuestas en la
siguiente tabla (Tabla N° 6)
Tabla N° 6: Características de los motores utilizados en el análisis
Características del motor
Marca
Caterpillar
Modelo
3304 (motor con ciclo de 4 tiempos)
Máxima potencia del motor en uso
75 kW (100 hp)
Velocidad
2200 RPM
Consumo de combustible
7567 BTU/hora (100% de carga)
Fuente: DCL Inc.; Departamento de Minería, EE.UU.
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Durante el periodo del análisis realizado se consideró condiciones de trabajo estándar (100 kPa y 25 °C).
La unidad filtrante, se instaló en el sector de salida del tubo de escape con el fin de captar el mayor
porcentaje de gases de combustión generados para su posterior abatimiento.
Se realizó el análisis a carga completa de motores con y sin catalizadores DOC ambos a una misma
temperatura para facilitar el establecimiento de diferencias entre las concentraciones de CO. El análisis
de los datos se expone a través del siguiente gráfico:
Gráfico N°1: Relación de las concentraciones de CO en motor Caterpillar en rangos de temperatura.
Fuente: Better Chile.
De acuerdo a los resultados obtenidos, se puede establecer lo siguiente:
-
Las mediciones expuestas en el presente gráfico confirman que las temperaturas aptas para
asegurar las mayores eficiencias de los equipos de oxidación catalítica Diesel (DOC) se producen a
partir de los 200 °C.
-
Las emisiones gaseosas lograron ser controladas posterior al periodo de ralentí, manteniéndose en
valores inferiores a las 50 ppm, con porcentajes de abatimiento promedio cercanos al 70% y
cumpliendo con las eficiencias de diseño de los catalizadores.
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En atención a todos los antecedentes anteriormente expuestos, lo invitamos a contactarse con nosotros
en caso de cualquier duda y/o necesidad de esta tecnología aplicables a fuentes fijas. Esta tecnología
logra resultados concretos sin provocar disminución alguna en la eficiencia del equipo, y es capaz de
adecuarse a la necesidad del cliente.
Para mayor información referente a las distintas Tecnologías de reducción de gases y partículas de las
que dispone Better Environmental Technologies, puede consultar nuestro sitio web
http://www.filtrosdiesel.cl y http://www.filtrosdiesel.com
7. Referencias
• DCL International Inc. 2012.
• Fernández Patricio; Araya Jorge; Newsbetter “Tecnologías probadas para el Control de Emisiones
Atmosféricas en Grupos Electrógenos”; Santiago 2010. http://www.filtrosdiesel.cl/publicaciones
• Kenneth L. Bickel, Jeffrey L. Ambs.; Departamento de Minería, “Reporte de la Evaluación de dos
Sistemas de Oxidación Catalítica” (Report on the Evaluation of Two Diesel Oxidation Catalysts).
Noviembre 1994.
• Payero Juan; Bustos Cristian; Newsbetter “Uso de Filtros DPF para Reducir Emisiones de Grupos
Electrógenos”; Santiago Abril 2009.
• Ministerio de Salud. D.S. N° 594”Reglamento sobre condiciones Sanitarias y Ambientales básicas en
lugares de trabajo”, Abril 2000.
• Ministerio de Minería. D.S. N° 132 “Reglamento de seguridad minera”, Febrero 2004.
Better Consultores
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