evaluacin de la emisin e impacto atmosfrico en una empresa de

EVALUACIÓN DE LA EMISIÓN E IMPACTO ATMOSFÉRICO
EN UNA EMPRESA DE PERFORACIÓN Y EXTRACCIÓN DE
PETRÓLEO CUBANA
J. A. COLÁS AROCHE 1, Miguel A. DÍAZ DÍAZ2, Orlando H. ALVAREZ
HERNÁNDE(3 y R a i s a T E U T E L Ó N Ú Ñ E Z
1
Centro de Investigaciones del Petróleo
Washington 169, Cerro, La Habana, CUBA, Tel. 537 6494101, fax 537 6426021,
e-mail colas@ceinpet.cupet.cu
2
Universidad Tecnológica de Izúcar de Matamoros
Palabras clave: calderas, impacto, tubo pitot, dispersión, contaminación
RESUMEN
Se exponen los resultados obtenidos en la caracterización de emisiones gaseosas
en calderas de tubos de fuego de una Empresa de Perforación y Extracción de
Petróleo (EPEP) cubana donde el crudo de los pozos es sometido a tratamiento
para eliminarle un por ciento elevado de agua que permita su comercialización.
Se caracterizaron las emisiones gaseosas de fuentes estacionarias mediante un
programa de aforo y muestreo según metodologías establecidas. Los
hidrocarburos y los compuestos orgánicos volátiles fueron determinados por FTIR
y Cromatografía Gaseosa de alta resolución respectivamente. La modelación de
dispersión de contaminantes emitidos por chimeneas se ejecutó utilizando la
corrida del programa para el cálculo de la concentración a partir de fuentes
industriales continuas siguiendo la metodología aprobada en la norma cubana
según el modelo de Berliand. Los niveles de concentración encontrados de óxidos
de azufre son superiores a las normas establecidas, los niveles de
concentraciones de NOx y partículas están dentro de los límites que no se deben
exceder de estos contaminantes emitidos por chimeneas de calderas. Los niveles
de concentración de hidrocarburos aromáticos en las emisiones de estas calderas
resultan aceptables. Se concluye que las emisiones de las calderas ejercen
impacto negativo o presión sobre el ambiente en un radio de 1200 m y que la
mayor relación C/CMA ocurre a una distancia de 600 metros de la fuente, para
concentraciones de 24 horas, esa área se encuentra contaminada por SO2.
INTRODUCCIÓN
Los óxidos de azufre originan efectos directos e indirectos sobre la salud humana,
las plantas, el clima y los materiales, por su concentración en la atmósfera y por su
deposición seca y/o húmeda. El dióxido de azufre es sumamente soluble en agua
y reacciona para formar ácido sulfúrico (un 30 % del SO2 en la atmósfera se
convierte a aerosol ácido), siendo muy probable que cuando se inhala se absorba
en los conductos húmedos del sistema respiratorio superior, la nariz y las vías
respiratorias superiores, donde puede dañar el tejido pulmonar. El aerosol de
1
ácido sulfúrico en concentraciones elevadas se asocia con el asma bronquial y
con índices de mortalidad mayores de lo esperado (Wagner, 1996).
Los óxidos de nitrógeno (NOx) son compuestos químicos, en su mayor parte
derivados de procesos de combustión, producto del nitrógeno contenido en el aire
que se requiere para la combustión. Existen también fuentes naturales,
principalmente por la actividad bacteriana en el suelo. Los NOx, aunque no se
consideran estrictamente como gases de efecto invernadero, son importantes
químicamente por su habilidad para afectar las concentraciones atmosféricas de
éstos, particularmente al ozono troposférico. Los NOx provocan irritación de los
pulmones y menor resistencia a las infecciones respiratorias (ejemplo, gripe),
aunque no se conocen bien todavía los efectos de estar expuesto a ellos durante
un corto plazo.
Los NOx en el aire ambiente consisten fundamentalmente de una mezcla de óxido
nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2), que son contaminantes significativos de
la capa más baja de la atmósfera.
El NO2 se forma en menor proporción (< 10 %). En el punto de descarga de las
fuentes antropogénicas el NO es la forma predominante y se convierte a NO2
mucho más dañino por reacción química con ozono. Una porción de este se
convierte a aerosol ácido que es removido de la atmósfera por deposición seca y
húmeda, proceso similar al que remueve el aerosol de sulfato. Un 50 % de las
emisiones de NOx por fuentes antropogénicas proviene de quemar combustibles
fósiles para generar calor y electricidad. Los procesos de combustión producen
óxidos de nitrógeno por tres mecanismos.
La llamada lluvia ácida es una forma diferente de contaminación atmosférica
originada por deposición húmeda de los óxidos de azufre y nitrógeno que por su
importancia ha sido muy estudiada en años recientes (UNEP, 1992) (López,
1995). El SO3 reacciona con grandes concentraciones de vapor de agua formando
aerosol de ácido sulfúrico (H2SO4) altamente corrosivo que puede condensar y
absorberse por depósitos de carbón sobre superficies y eventualmente salir por
chimeneas, vinculado a la temperatura de punto de rocío ácido de los gases de
combustión. Se ha comprobado que las lluvias arrastradas por el viento más allá
de fuentes de emisiones importantes (por lo general de centrales termoeléctricas)
tienen pH de 4.1 - 4.5 e incluso la acidez de algunas precipitaciones ha alcanzado
un pH de 3. La lluvia ácida tiene efectos nocivos sobre los árboles y los
organismos acuáticos.
La oxidación en fase heterogénea (gas - partícula) u homogénea (gas o acuosa)
de los óxidos de azufre y de nitrógeno producen contaminantes inorgánicos
secundarios tales como aerosoles de sulfatos y ácidos sulfúrico, nítrico y nitroso,
que conducen a la acidificación del suelo y el agua.
Las partículas suspendidas que se originan producto de la combustión incompleta
del carbono (hollín) agravan las enfermedades respiratorias y cardiovasculares ya
2
existentes, alteran los sistemas orgánicos de defensa, dañan el tejido pulmonar y
pueden provocar cáncer y muerte prematura (Slater, 1996).
Las fuentes principales de parafinas y de aromáticos son el procesamiento y
transferencia del petróleo y sus derivados, así como los motores de vehículos
(Franklin y Leahy, 1999).
Las fuentes principales de emisiones estacionarias a la atmósfera en la industria
petrolera cubana la constituyen la combustión de gas natural que contiene SH2 en
flares y los equipos de combustión que utilizan crudo directo, fuel oil y/o mezclas
de estos con gas natural en el proceso de generación de vapor.
La Batería de la Empresa de Perforación y Extracción de Petróleo objeto de
estudio, donde el crudo de los pozos es sometido a tratamiento para eliminarle un
porciento elevado de agua que permita su comercialización, se localiza en un área
cercana a asentamientos poblacionales, por lo cual se requiere un control
sistemático de las emisiones que origina a la atmósfera circundante.
El presente trabajo se trazó como objetivo caracterizar las emisiones de estas
calderas que queman crudo directo, con vistas a establecer su impacto y
recomendar medidas que garanticen la preservación del ambiente.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se caracterizaron las emisiones gaseosas de fuentes estacionarias de las
calderas de la EPEP, mediante un programa de aforo y muestreo según
metodologías establecidas (Yoest y Fitzgerald, 1996) (ARPEL, 1998) (ARPEL,
1997).
El muestreo y determinación de SO2 y NOX se ejecutó con un equipo Analizador
de Combustión modelo MSI de fabricación alemana (ISO 10396). El muestreo de
partículas suspendidas en chimeneas se realizó mediante su recogida en porta
filtros para su análisis por el método gravimétrico (ISO 9096). También se
realizaron mediciones de flujo mediante equipos de medición de velocidad
captores de presión del tipo tubo pitot (Cheremisinoff y Morresi, 1978)
El muestreo para determinar hidrocarburos aromáticos se realizó sobre carbón
activado con posterior elución con n - hexano para su análisis por espectroscopia
Ultravioleta en un espectrofotómetro Cintra 40 de la GBC, utilizando n-hexano
bidestilado como referencia.
La concentración se calculó mediante curva de calibración preparada con un
patrón internacional. Los valores de absorbancia se obtuvieron a 255 nm con
cubetas de cuarzo de 1 cm de paso de luz, abertura de 1.5 nm y tiempo de
integración de 1 segundo. Los espectros fueron obtenidos en el mismo equipo en
el rango de 200 - 400 nm, intervalo de datos de 0.853 nm, abertura de 1.5 nm y
velocidad de registro de 1000 nm/s.
3
La modelación de la dispersión de contaminantes emitidos por chimeneas se
ejecutó utilizando la corrida del programa para el cálculo de la concentración a
partir de fuentes industriales continuas (Álvarez, 1994) siguiendo la metodología
aprobada en la norma cubana (NC 39: 1999) según el modelo de Berliand.
El valor de la constante de estratificación térmica atmosférica A que define las
condiciones naturales de difusión más adversas se tomó igual a 200, según lo
propuesto para nuestro país para zonas llanas o con topografía de poca
complejidad y altura, el cual ha sido aceptado en la norma cubana de referencia.
Los datos meteorológicos fueron tomados del Resumen Climático editado por el
Instituto de Meteorología de Cuba.
La modelación de la dispersión se realizó para el SO2 que es el contaminante
fundamental emitido por las fuentes evaluadas. Los datos de emisiones de
calderas para cálculos de dispersión fueron obtenidos en las propias fuentes de
emisión, lo cual da mayor validez a los pronósticos, y se relacionan en la tabla I.
Tabla I. Datos de las emisiones de las calderas para cálculos de dispersión de
contaminantes
Chimenea Velocidad
(m/s)
4
2.82
2y3
2.35
Diámetro
(m)
0.50
0.50
Altura
(m)
26
26
T gases
(°C)
183
170
Emisión
(g/s)
7.58
8.90
ΔT
(°C)
155
142
Los datos de la concentración relativa del SO2 se interpolaron utilizando el sistema
Surfer 7 para Windows a partir de los resultados del programa de cálculo de la
dispersión, utilizando como método de interpolación un krigging lineal,
adicionándole la representación cartográfica de la zona.
En el procesamiento estadístico de datos se empleó el programa STATISTICA,
versión 5.5, para determinar comportamientos promedios y correlaciones de
interés.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la tabla II se muestran los resultados de la caracterización de emisiones por la
combustión del crudo nacional en las calderas 2 y 3 de la batería central. En la
misma observamos que los niveles de concentración de SO2, alcanzan valores
que sobrepasan la norma en 2 veces, los niveles de concentraciones de NOx y
partículas están dentro de los límites que no se deben exceder de estos
contaminantes emitidos por chimeneas de calderas, según la norma referida.
Los niveles de concentración de hidrocarburos aromáticos en las emisiones de
estas calderas resultan aceptables, aunque este contaminante no se regula en las
normas de referencia (World Bank, 1997).
4
Tabla II. Caracterización de emisiones gaseosas producidas por la combustión de
crudo nacional en las calderas 2 y 3 de la batería central de la EPEP.
SO2
(mg/m3)
NOX
(mg/m3)
4015
3190
4141
4100
4215
115
117
113
120
124
(a)
3932
< 2000 (b)
(a)
118
460 (b)
HC
Aromáticos
(mg/m3)
0.28
0.43
0.70
-
PST
(mg/m3)
0.49
-
39 (a)
100 (b)
45
30
43
-
(a)
Valores promedios de los contaminantes.
Límites que no se deben exceder de contaminantes emitidos por chimeneas de calderas, hornos,
incineradores y equipos de generación eléctrica. World Bank, 1997.
(b)
En la tabla III se muestran los resultados de la caracterización de emisiones por la
combustión del crudo nacional en la caldera 4 de la batería central de la EPEP. En
la misma observamos que los niveles de concentración de SO2 alcanzan valores
que sobrepasan la norma en 2 veces, los niveles de concentraciones de NOx y
partículas están dentro de los límites que no se deben exceder de estos
contaminantes emitidos por chimeneas de calderas, según la norma referida. Los
niveles de concentración de hidrocarburos aromáticos en las emisiones de estas
calderas resultan aceptables, aunque este contaminante no se regulan en las
normas de referencia (World Bank,1997).
Tabla III. Caracterización de emisiones gaseosas producidas por la combustión de
crudo nacional en la caldera 4 de la batería central de la EPEP.
SO2
(mg/m3)
NOX
(mg/m3)
4009
4017
3968
3885
4097
4112
(a)
4014
< 2000 (b)
270
270
270
270
269
269
270 (a)
460 (b)
HC
Aromáticos
(mg/m3)
0.18
0.22
0.20
-
PST
(mg/m3)
0.20(a)
-
36 (a)
100 (b)
36
32
40
-
(a)
Valores promedios de los contaminantes.
Límites que no se deben exceder de contaminantes emitidos por chimeneas de calderas, hornos,
incineradores y equipos de generación eléctrica. World Bank, 1997.
(b)
5
En la tabla IV aparecen los datos operacionales y el flujo volumétrico de las
calderas evaluadas. Aunque en la tabla se da el flujo por calderas, el flujo total de
la chimenea es la suma de los mismos que corresponde a 15025 Nm3/h, de lo cual
el aporte de las calderas 2 y 3 es de un 55 %, mientras que la caldera 4 aporta un
45%.
Tabla IV. Datos operacionales promedios de las calderas evaluadas.
Caldera
Flujo
(Nm3/ h)
6799
8226
4
2y3
Eficiencia
. (%)
92
89
Exceso de
aire (%)
1.55
1.83
En la tabla V se reportan las emisiones en términos de cargas de los principales
contaminantes en las calderas evaluadas, en la misma se observa que las
calderas 2 y 3 es la mayor carga emitida al medio, fundamentalmente del
contaminante SO2.
Tabla V. Cargas contaminantes que aportan las calderas evaluadas, kg/h.
Caldera
4
2y3
Total
SO2
27
32
59
NOX
1.8
0.97
2.77
H/C
0.0013
0.0040
0.0053
PST
0.24
0.32
0.56
Como se observa en la tabla VI, para las calderas estudiadas la mayor relación
C/CMA ocurre a una distancia de 600 metros de la fuente, lo cual significa que
para concentraciones de 24 horas, esa área se encuentra contaminada por SO2,
ya que la relación C/CMA es superior a la unidad en este caso.
Tabla VI. Valores de concentración máxima de SO2 y distancia a la que ocurren de
las calderas evaluadas.
Caldera Distancia
4
630
2+3
600
EPEP
600
Norma
En las figuras 1 y 2
expuesto.
.
CM 20min
0.11978
0.15003
0.26975
0.5
CM/ CMA 20min
0.23957
0.30006
0.53949
-
CM 24 h
0.03003
0.03761
0.06762
0.05
CM/ CMA 24 h
0.60051
0.75214
1.35231
-
que se muestran a continuación se corrobora lo antes
6
Figura 1
Figura 2
7
CONCLUSIONES
1. Las emisiones de SO2 de las calderas de la EPEP ejercen un impacto
negativo a la zona aledaña en un radio de 1200 m. Los niveles de
concentración de SO2 no cumplen con la norma de referencia.
2. Los niveles de concentración de NOx y Partículas Suspendidas Totales se
encuentran dentro de lo establecido por la norma.
3. La mayor relación C/CMA ocurre a una distancia de 600 metros de la
fuente, lo cual significa que para concentraciones de 24 horas esa área se
encuentra contaminada por SO2.
RECOMENDACIONES
•
Mantener el control sistemático de los procesos de combustión en las
industrias evaluadas con vistas a garantizar una buena eficiencia de
operación.
•
Utilizar gas en sustitución de crudo como combustible donde sea factible,
en particular en EPEP Occidente.
REFERENCIAS
Álvarez, O. (1994). Diagnóstico y pronóstico de la contaminación por SO2 y H2S en
Moa. Modelación con consideraciones de terreno plano. Tesis en opción al Grado
Científico de Dr. en Ciencias Geográficas, La Habana.
ARPEL. (1998). GAA 22. Metodologías de inventarios de emisiones atmosféricas
en la industria petrolera.
ARPEL. (1997). Environmental Monitoring Procedures. Komex Int. Ltd., Calgary,
Cheremisinoff, P.N. & A.C Morresi. (1978). Air Pollution Sampling and Analysis
Deskbook. Ann Arbor Science, Michigan.
Franklin, N. y D. Leahey. (1999). Metodologías de inventario de emisiones
atmosféricas en la industria petrolera. ARPEL, Calgary.
INFOPET. (1999). Mapas digitales escala 1: 250 000. Hojas cartográficas,
Varadero, Península de Hicacos y Cárdenas. La Habana.
ISO 10396. (1993). Emisiones de fuentes estacionarias. Muestreo para la
determinación automática de concentraciones de gases.
ISO 9096. (1992). Concentración y flujo másico de partículas en emisiones.
Método gravimétrico.
8
López C. (1995). La lluvia ácida, un problema ambiental en Cuba ?. Boletín CIMAA
1: 2-4.
NC 39: 1999. Calidad del aire. Requisitos higiénico – sanitarios. La Habana.
Slater, D. (1996). Meeting the challenges of Integrated Pollution Control. Industry
and Environment 19 (1): 19-22.
UNEP. (1992). Chemical Pollution: A Global Overview. IRPTC. Geneve.
Wagner, T. (1996). Contaminación, causas y efectos. 423 p. Ed. Gernika, México
D.F..
World Bank Group. (1997). Pollution Prevention and Abatement Handbook. Annual
Meeting Ed.
Yoest, H. y R.W. Fitzgerald. (1996). Stationary Source Testing: The Fundamentals.
Chemical Eng. Progress 92 (2): 36 - 41.
9