Story Transcript
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
MÓDULO: CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
Focos Emisores AUTOR: JESÚS RUBIO FLAMARIQUE
©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
ÍNDICE FOCOS EMISORES.............................................................................................................................2
1.
INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................3
2.
CONTAMINACIÓN DE ORIGEN NATURAL. ....................................................................3
3.
CONTAMINACIÓN ANTROPOGÉNICA. ...........................................................................3
3.1.
CONTAMINANTES DE ORIGEN ANTROPOGÉNICO. .....................................................................3
3.2.
FOCOS EMISORES ANTROPOGÉNICOS.........................................................................................3 3.2.1.
Transporte. Vehículos automóviles................................................................................3
3.2.2.
Instalaciones de combustión. .......................................................................................3
3.2.3.
Instalaciones industriales. ............................................................................................3
Página 2 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
1. INTRODUCCIÓN. Dada la gran variabilidad a la que están sujetas la mayor parte de las especies minoritarias presentes en la atmósfera terrestre, en ocasiones puede resultar complicado determinar si una cierta sustancia cabe considerarla como contaminante o no. Estrictamente hablando, en química atmosférica, se establece que una sustancia presente en la atmósfera, ya sea gaseosa, líquida o sólida, es contaminante, cuando, dependiendo de los niveles en que esté presente, puede causar, directa o indirectamente, efectos nocivos tanto a los seres vivos como a los materiales. En consecuencia, la concentración, tanto en exceso como en defecto, es un parámetro crucial para identificar las sustancias contaminantes. Los diferentes contaminantes atmosféricos pueden generarse en un gran número de fuentes emisoras, si bien éstas pueden clasificarse en dos grandes grupos: fuentes naturales y focos antropogénicos. En general, se puede hablar de una contaminación o polución de fondo, para designar la presencia de especies minoritarias cuya concentración es muy variable, dependiendo de determinados procesos naturales, como por ejemplo fermentaciones anaerobias, descomposiciones, procesos biogénicos en la vegetación, erupciones volcánicas, etc. Sin embargo, esta contaminación natural está, en principio, perfectamente asumida por la naturaleza, gracias a los mecanismos propios de autodepuración, tanto físicos como químicos, que posee la atmósfera, y que conduce a una situación de equilibrio entre los distintos componentes atmosféricos. A pesar de ello, este equilibrio es muy frágil, por lo que el hombre con su actividad puede llegar a romperlo de manera indirecta, acelerando los procesos naturales (incendios forestales, cambios en prácticas agrícolas, deforestación, etc), lo cual da lugar al aumento en la velocidad de generación de los contaminantes naturales y/o a una disminución en la eficacia de los procesos autoprotectores de la atmósfera.
Página 3 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
En cualquier caso, la mayor amenaza para el equilibrio químico en la atmósfera proviene de la actuación directa del hombre sobre el medio atmosférico. Hasta hace poco, la humanidad no ha sido realmente consciente de la limitación espacial de la atmósfera, y no se ha percatado de que los residuos vertidos a la misma permanecen en ella, mezclándose, diluyéndose, participando en muchos casos en reacciones químicas generadoras, a su vez, de otros contaminantes y, finalmente, retornando a la superficie. En la tabla 1 se muestra la proporción entre las emisiones de procedencia natural y las de origen antropogénico para los principales contaminantes primarios. TABLA 1: Origen de las emisiones atmosféricas Focos de emisión Contaminante Antropogénicos (%)
Naturales (%)
Aerosoles
11.3
88.7
Óxidos de azufre (SOx)
42.9
57.1
Monóxido de carbono (CO)
9.4
90.6
Óxidos de nitrógeno (NOx)
11.3
88.7
Hidrocarburos
15.5
84.5
Las cifras muestran la gran importancia que, en cuanto a emisiones globales, tienen las fuentes naturales de emisión de contaminantes en relación con las antropogénicas, excepto en el caso de las emisiones de SOx.
Página 4 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
2. CONTAMINACIÓN DE ORIGEN NATURAL. La práctica totalidad de las especies consideradas contaminantes tienen, al menos, un origen natural, a excepción de algunas sustancias organocloradas, compuestos aromáticos y olefinas, cuyo origen es típicamente antropogénico. En la tabla 2 se listan los principales contaminantes de origen natural, especificando algunas de las causas más importantes de su emisión. TABLA 2: Contaminantes primarios emitidos por fuentes naturales Contaminantes
Origen
CO
Océanos; incendios forestales
CO2
Deforestaciones; respiración de las plantas
CH4
Fermentación intestinal; océanos; zonas húmedas
Parafinas
Emisiones biogénicas
Terpenos
Vegetación
NO y NO2
Incendios forestales; procesos anaeróbicos en el suelo; descargas eléctricas
N2O
Desnitrificación; océanos
NH3
Procesos anaerobios en el suelo
SO2
Erupciones volcánicas
SH2
Zonas húmedas; erupciones volcánicas
S2C
Zonas húmedas; océanos
SCO
Erupciones volcánicas; océanos
Mercaptanos
Emisiones biogénicas
HCl y HF
Erupciones volcánicas
CH3Cl
Océanos; incendios forestales
CH3Br y CH3I
Emisiones biogénicas
Página 5 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Como se observa en este listado, la vegetación de forma general emite un amplio y variado espectro de sustancias orgánicas, entre las que cabe destacar determinadas parafinas (hidrocarburos saturados lineales de cadena corta), terpenos (hidrocarburos cíclicos constituidos por un número variable de átomos de carbono comprendido entre 5 y 20), y bromuro y yoduro de metilo (CH3Br y CH3I). Por otra parte, los procesos de fermentación anaeróbica son los responsables de la emisión de gases reductores como CH4, NO, SH2, S2C y mercaptanos. Estos procesos naturales anaeróbicos tienen lugar en los intestinos de los animales y, principalmente, en superficies húmedas con poca circulación de agua, en la que el oxígeno disuelto está en bajas concentraciones, caso de pantanos, arrozales, etc. Otros puntos en los que pueden originarse procesos anaeróbicos son los lagos y ríos que reciben aportes de agua con un elevado contenido en nitratos. La presencia de nitratos en el agua favorece procesos de eutrofización, es decir, de crecimiento descontrolado de determinadas especies vegetales (especialmente fitoplancton) que, al morir, constituyen el sustrato alimenticio de bacterias que, a su vez consumen el oxígeno disuelto en el agua, facilitando el desarrollo de procesos anaeróbicos. La extensión con que se desarrollan estos procesos ha ido creciendo en los últimos años puesto que las exigencias de alimentación de la población humana han provocado que en los últimos cuarenta años se hayan duplicado las cosechas de arroz, y que el número de reses en todo el mundo se haya incrementado en un 60 por 100 en el mismo período. En consecuencia, esto ha significado un pronunciado aumento de los niveles atmosféricos de los gases reductores. Los océanos pueden considerarse como verdaderos almacenes que contienen una variada gama de productos químicos, los cuales permanecen en su seno por disolución. Así, además del CO2, el cual está presente a concentraciones cincuenta veces superiores a la contenida en la atmósfera, el océano es una fuente de emisión de otros gases. Por ejemplo, dependiendo de diversos factores (entre ellos la temperatura superficial), puede emitir compuestos carbonados, como por ejemplo el CO, El CH4, el cloruro de metilo (CH3Cl); nitrogenados, como el N2O; o sulfurados como el sulfuro de carbonilo (SCO) o el sulfuro de carbono (S2C).
Página 6 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Por otro lado, una fuente natural importante de óxidos de nitrógeno, principalmente NO y NO2, son las descargas eléctricas producidas durante las tormentas. Cuando se producen estas descargas se alcanzan temperaturas muy elevadas, que permiten la combinación espontánea del nitrógeno y el oxígeno moleculares para formas los correspondientes óxidos. Se ha estimado que la descarga de un rayo produce, por término medio, 50 kg de óxidos de nitrógeno. Si se tiene en cuenta que, aproximadamente, se generan unos 100 rayos de media cada segundo por todo el planeta, resulta que, globalmente, se forman 5 Tm de óxidos de nitrógeno en ese mismo lapso de tiempo. De hecho, se estima que el nitrógeno fijado por las descargas eléctricas representa el 50 por 10 del nitrógeno total asimilado por los seres vivos. En la tabla 2 se observa también que las erupciones volcánicas son el origen de muchos contaminantes atmosféricos y que, a diferencia de otras fuentes contaminantes, los logran introducir directamente a la estratosfera. Por otro lado, otra diferencia es que las erupciones volcánicas son uno de los mecanismos que posee la naturaleza de incorporar material juvenil a los ciclos biogeoquímicos. La materia juvenil corresponde a aquel material cuyo origen se remonta al mismo nacimiento de la Tierra y que, por tanto, nunca ha participado en los ciclos naturales. El volcán despide durante las erupciones compuestos sulfurosos, como por ejemplo SO2, SH2, y SCO; y también halogenados como Hcl y HF. Además de estos contaminantes gaseosos, el volcán también despide una gran cantidad de partículas, principalmente de carácter inorgánico. Hay otros procesos naturales responsables de la emisión de contaminantes a la atmósfera, en los que la intervención del hombre es un factor que condiciona la aceleración de su generación. Los casos más significativos corresponden a los incendios forestales, a procesos anaeróbicos en zonas húmedas y a procesos biológicos que tienen lugar en la capa superficial del suelo. Durante un incendio forestal se emite una gran cantidad y variedad de productos contaminantes, siendo para alguno de ellos ésta la única fuente natural de emisión. En realidad, los incendios forestales son fenómenos naturales y espontáneos, pues existen especies pirofíticas, como es el caso del pino mediterráneo que se caracteriza por su elevada combustibilidad y pos su fácil recuperación, lo cual permite la repoblación, de una forma rápida, del terreno afectado por el incendio.
Página 7 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
En principio, la contaminación que se genera como consecuencia de los incendios forestales es perfectamente asimilable por la naturaleza. Sin embargo, la intervención del hombre provocando, ya sea accidentalmente o por mera especulación económica, la quema de bosques y de vegetación en general, aumenta de forma significativa las emisiones gaseosas, lo cual genera un riesgo persistente de contaminación atmosférica. Durante un incendio forestal, además de una gran cantidad de cenizas y partículas en suspensión, se emite un elevado número de compuestos gaseosos, los cuales, dependiendo de la intensidad del incendio y de las condiciones meteorológicas, son proyectados hasta alturas superiores a los 4 km, siendo dispersados horizontalmente a causa de los movimientos de las masas de aire. En estos episodios de contaminación se emiten principalmente CO2, CO, NO2, hidrógeno, SCO, ClCH3, HCN, NH3 e hidrocarburos saturados, tales como el metano y el acetileno. Se ha calculado que, globalmente, se emiten cada año del orden de 3 mil millones de toneladas de carbono en forma de CO2, 800 millones de toneladas en forma de CO, 15 millones de toneladas de hidrógeno, 60 millones de toneladas de metano y 35 millones de toneladas de óxidos de nitrógeno. Finalmente, otra fuente natural de contaminación que se ha de tener en cuenta corresponde a los procesos biológicos que ocurren en el suelo. Mediante diferentes procesos naturales tiene lugar la fijación del nitrógeno atmosférico, gracias a la intervención de determinados microorganismos presentes en el suelo. A través de estos procesos naturales el suelo emite NO, NH3 y sobre todo N2O, el cual es un gas muy estable y que, una vez formado se difunde hacia la atmósfera. Este gas, gracias a su estabilidad, asciende hasta la estratosfera y reacciona con el ozono presente en aquella región de la atmósfera. La intervención del hombre mediante la utilización excesiva e indiscriminada de fertilizantes y abonos, que no es más que una forma artificial de fijar el nitrógeno atmosférico, ha contribuido a incrementar la emisión de N2O ya que este gas se va acumulando en la atmósfera. Gran parte de los fertilizantes que se aplican en las prácticas agrícolas son derivados amoniacales y de la urea. Estos compuestos se hidrolizan en el suelo dando lugar a la formación de carbonato amónico.
Página 8 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Una vez formada esta sal se produce la nitrificación mediante la acción de bacterias autótrofas presentes en el suelo (nitrosomonas), las cuales oxidan el ión amonio a nitrito. Finalmente, otras bacterias convierten esta última especie a ión nitrato. No obstante, parte del ión amonio en el suelo no es oxidado a nitrito sino que el proceso se para en el estadio intermedio, formando N2O. Se estima que, en terrenos de cultivo, se produce aproximadamente un kilo de este gas por hectárea y año.
3. CONTAMINACIÓN ANTROPOGÉNICA. Los principales focos antropogénicos de emisión de contaminantes atmosféricos son los vehículos automóviles, las calefacciones domésticas y las instalaciones de combustión para la generación de calor y electricidad, así como por determinados procesos industriales, y suelen estar localizados en centros urbanos o en zonas altamente industrializadas. Las fuentes de contaminación antropogénica se pueden clasificar atendiendo a distintos criterios (movilidad, distribución espacial, ...): ¾
Atendiendo a su movilidad:
Industriales • Focos fijos Domésticos
- Procesos industriales - Instalaciones de combustión
- Calefacciones
Vehículos automóviles • Focos móviles
Aeronaves Buques
• Focos compuestos Multifocos
Zonas industriales Áreas urbanas
Página 9 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
¾
Según la distribución espacial: Chimeneas aisladas • Focos puntuales Vehículos individuales
Carreteras, autopistas • Focos lineales Calles de una ciudad
Zonas industriales • Focos área Áreas urbanas
Como se ha reflejado en la tabla 1, las emisiones antropogénicas, si se contemplan desde una perspectiva global, son de menor importancia en el aporte de contaminantes que las naturales, a excepción del caso de las emisiones de SOx que son del mismo orden de magnitud. Atendiendo a la distribución espacial de estas emisiones se observa que en las regiones más industrializadas de Europa y Norteamérica las emisiones antropogénicas de SO2 alcanzan proporciones muy superiores a las naturales. Así, en el norte de Europa este tipo de emisiones originan alrededor del 90% del azufre que está en circulación en la atmósfera. Anualmente se lanzan a la atmósfera en Europa alrededor de 60 millones de toneladas de SO2 procedentes de las plantas industriales y áreas urbanas. Cerca del 80 por 100 de estas emisiones son originadas por la combustión de combustibles fósiles y aproximadamente el 20 por 100 restante se origina en los distintos procesos industriales. En Norteamérica se emiten anualmente alrededor de 32 millones de toneladas de SO2, la mayor parte procedente de los Estados Unidos. Es decir, cada año se emiten en el hemisferio norte alrededor de 100 millones de toneladas de SO2. En Europa se estiman cerca de 20 millones de toneladas los óxidos de nitrógeno lanzados anualmente a la atmósfera.
Página 10 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
La puesta en marcha, en 1988, del Programa CORINE-AIRE, posibilitó la obtención de indicadores sobre contaminación atmosférica sistematizables para todos los países de la UE. En la tabla 3 se reflejan los datos aportados por los diferentes estados miembros, correspondientes al año 1983, referentes a las emisiones de SO2 y NOx.
TABLA 3: Emisión de SO2 y NOx dentro del ámbito de la UE Emisión de SO2
País
Emisión de NOx 2
KTm
Kg/hab
Tm/km
KTm
Kg/hab
Tm/km2
Bélgica
559
57
18.3
287
29
9.4
Dinamarca
360
70
8.4
268
52
6.2
RFA
2.687
44
10.8
2.865
47
11.5
Francia
1.909
35
3.5
1.794
33
3.3
Grecia
---
--
---
---
--
---
Irlanda
178
51
2.4
82
23
1.1
Italia
2.233
39
7.4
1.534
27
5.1
Luxemburgo
13
35
5.0
22
61
8.6
Holanda
304
21
9.0
473
13
5.7
Portugal
304
30
3.3
192
19
2.1
España
2.543
67
5.0
937
25
1.9
Reino Unido
3.678
65
15.1
1.836
33
7.5
Total:
14.769
---
---
10.290
---
---
Media:
---
47.5
6.2
---
33
4.9
Página 11 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
3.1. CONTAMINANTES DE ORIGEN ANTROPOGÉNICO. En la tabla 4 se enumeran los principales contaminantes primarios emitidos como consecuencia de las actividades humanas, junto con las causas más probables de su emisión. TABLA 4: Contaminantes primarios de origen antropogénico Contaminantes
Origen
CO
Combustión de hidrocarburos y biomasa
CO2
Combustión de hidrocarburos
CH4
Extracción combustibles y emisiones de residuos
Parafinas
Extracción de gas, emisiones de vehículos y refinerías
Olefinas
Emisiones de vehículos
Hidrocarburos aromáticos
Emisiones de vehículos, evaporación de disolventes
Óxidos de nitrógeno
Procesos de combustión
NH3
Combustión de carbón y petróleo, emisión de residuos
SO2
Combustión de hidrocarburos
SH2
Refinerías, industria papelera
Mercaptanos
Refinerías, industria papelera
HCl
Combustión de carbón, incineración de plásticos
CH3Cl
Incineración de plásticos
Compuestos clorocarbonados
Evaporación de disolventes, emisiones directas
CH3Br
Fumigación
Los únicos productos de la combustión de los hidrocarburos serían el CO2 y el agua si la combustión fuera completa. No obstante, en la realidad la combustión es parcial, por lo que además de estos compuestos se generan muchas más sustancias tales como CO, diversos productos orgánicos, tanto hidrocarburos alifáticos, saturados e insaturados (propano, hexano, etileno, ...), como aromáticos (benceno y tolueno), incluyendo compuestos policíclicos aromáticos (benzoantraceno, benzopireno, benzoperileno, ...).
Página 12 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Por otra parte, hay que considerar que casi todos los combustibles fósiles sólidos y líquidos contienen, en mayor o menor grado dependiendo de su procedencia, una cierta concentración de azufre, por lo que en su combustión se generarán emisiones de óxidos de azufre, fundamentalmente SO2. El SO2 es el típico contaminante que origina una contaminación secundaria al oxidarse en la atmósfera a sulfato que determina los procesos de "lluvia ácida". Otros contaminantes de gran importancia son los óxidos de nitrógeno, principalmente NO y NO2 que se forman en procesos que transcurren a elevadas temperaturas, como los que se producen en los vehículos motorizados, de una forma similar a como sucede en las erupciones volcánicas o en las descargas eléctricas durante una tormenta. Los óxidos de nitrógeno, al igual que el SO2, pueden oxidarse en la atmósfera, dando lugar a la formación de nitratos, los cuales también contribuyen a la acidificación de las deposiciones. En la combustión de carburantes fósiles, sólidos y líquidos, se emite una importante cantidad de partículas sólidas. Éstas son, básicamente, cenizas constituidas de material carbonáceo, siendo el negro de grafito el principal componente. Otra clase de partículas que se emiten durante los procesos de combustión son de naturaleza inorgánica, como óxidos de aluminio, zinc, silicio, hierro, titanio, manganeso, vanadio, plomo y berilio. Del total de contaminantes de origen antropogénico, aproximadamente la mitad provienen del transporte, sobre todo de la aviación y los automóviles. Otra fuente importante de contaminación corresponde a las fuentes fijas de combustión, las cuales emiten entorno al 16 por 100 del total de contaminantes. Englobadas bajo la denominación de fuentes fijas de combustión se encuentran tanto instalaciones tales como centrales térmicas (utilizando como combustibles carbón, derivados del petróleo o gas natural) como las calefacciones domésticas (las cuales pueden quemar madera, carbón, gases licuados, gas o gasoil). Tanto las fuentes móviles como las fijas emiten óxidos de azufre, de nitrógeno, de carbono, hidrocarburos y partículas sólidas. Sin embargo, la proporción con la que son emitidos estos contaminantes es distinta. En la tabla 5 se refleja esta proporción diferente para las fuentes móviles y para las fijas.
Página 13 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
TABLA 5: Distribución de los contaminantes emitidos por fuente de combustión móviles y fijas FUENTES DE COMBUSTIÓN
CONTAMINANTES
MÓVILES
FIJAS
CO
77.2
4.1
Aerosoles SOx
(suma de ambos)
Hidrocarburos
13.6
2.0
NOx
7.7
22.6
1.5
16.3 55.0
Los porcentajes indicados en cada uno de los esquemas son valores medios, puesto que dependen del tipo de combustible que se utilice, así como de si origen. Además de los contaminantes generados en los procesos de combustión de carburantes fósiles, el hombre genera otros muchos debido a ciertas actividades industriales habida cuenta de que, en la actualidad, se utilizan más de 65.000 compuestos químicos diferentes tanto en procesos industriales como en aplicaciones domésticas. El destino final de una importante cantidad de estos productos es la atmósfera, debido a escapes accidentales, a su propia volatilidad, a emisiones operativas, otras causadas por residuos, etc. Éste es el caso de determinados compuestos alifáticos organoclorados, tales como el cloruro de metilo (CH3Cl), el 1,1,1-tricloroetano (C2H3Cl3), el tricloroetileno (C2HCl3) o el percloroetileno (C2Cl4), sustancias muy utilizadas como disolventes en distintos procesos, como en el desengrasado de metales, lavado en seco, en procesos de extracción, en aerosoles, adhesivos, pinturas, etc. Todos estos compuestos presentan una elevada volatilidad, siendo por tanto su destino final la atmósfera, estimándose que al menos el 60% de los volúmenes consumidos "escapan" hacia la troposfera. En esta región atmosférica la mayor parte de los gases generados se degradan por acción de los radicales OH, implicando tiempos de residencia relativamente bajos -varios meses para el CH3Cl y C2Cl4, alrededor de una semana para el C2HCl3, y de hasta diez años para el C2H3Cl3, que constituye la excepción-, y niveles en la atmósfera de estas especies volátiles relativamente bajos (0.001-1 ppb). Página 14 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Otros compuestos a considerar en las emisiones atmosféricas son los derivados cloroaromáticos, los cuales se aplican en la industria transformadora de aceites, en la fabricación de fungicidas, insecticidas y herbicidas, así como también forman parte en adhesivos, tintas y plastificantes, o se generan en procesos industriales o como producto de ciertas combustiones. Son especialmente destacables los PCBs y las dioxinas como representantes de este grupo de contaminante, debido a su toxicidad y a su estabilidad en la atmósfera. Los clorofluorocarbonos (CFCs) son también compuestos persistentes en la atmósfera que se emiten directamente por el hombre. Son sustancias utilizadas en diversas aplicaciones (como propulsores de spray, extintores de espuma, en sistemas de refrigeración y de aire acondicionado, etc), que dada su gran estabilidad son capaces de alcanzar la estratosfera donde se rompen a causa de la incidencia de la radiación ultravioleta emitida por el Sol, liberando átomos de cloro que reaccionan con el ozono, propiciando la disminución de éste. Finalmente otros contaminantes que están presentes en la atmósfera son los compuestos metálicos. En la atmósfera se encuentran una gran variedad de metales, ya sea en su estado elemental o combinados con otros elementos. Por lo general, los metales están presentes en forma de partículas sólidas, si bien en algún caso pueden estar presentes en forma de vapor. Al igual que lo que ocurre en la mayoría de los contaminantes, también los metales son emitidos por focos naturales y antropogénicos, representándose en la figura 1 la contribución de las diversas fuentes generadoras. Como puede observarse, más de la mitad de las emisiones de origen natural provienen de la erosión del suelo, y en ellas los metales no se encuentran "solos" sino combinados formando óxidos. Otras fuentes de emisión de metales menos importantes son las erupciones volcánicas, emisiones de origen biogénico, incendios forestales y el aerosol marino, si bien el conjunto de todas estas emisiones no significan más que el 17.5 por 100 de las emisiones totales. Es preciso indicar que, en el caso de las erupciones volcánicas, las aportaciones no son constantes en el tiempo, pero puntualmente son muy intensas.
Página 15 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Figura 1: principales fuentes de emisión de metales.
Las emisiones de metales de origen antropogénico son de gran importancia, pues se ha estimado que, cada año, se vierten a la atmósfera cerca de 800 mil toneladas de metales, generados en diversos procesos (combustión, industria metalúrgica, etc), o formando parte de determinados productos (como pigmentos en pinturas, en catalizadores, en insecticidas y fungicidas, etc).
Página 16 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Figura 2: Contribución de fuentes naturales y antropogénicas a la emisión de metales a la atmósfera
Prácticamente, tanto las fuentes naturales como las antropogénicas emiten los mismos metales, si bien lo hacen en porcentajes distintos, como se puede apreciar en la figura 2. Así, mientras el plomo y el zinc, ambos emitidos a causa de la combustión de carburantes fósiles, son los más abundantes en lo que respecta a la contribución de fuentes antropogénicas, el manganeso contribuye prácticamente en un 60 por 100 a las emisiones naturales. En la tabla 6 se reflejan la contribución de las fuentes antropogénicas a la emisión de contaminantes metálicos, respecto del total vertido a la atmósfera. Como se observa, sólo para tres metales -cromo, selenio y especialmente manganeso-, el aporte de origen natural supera al antropogénico, mientras que para los restantes sucede lo contrario, destacando el plomo, cadmio, zinc y vanadio, para los cuales los aportes principales son las actividades humanas (contribuyen por encima del 70 por 100 de las emisiones totales respectivamente).
Página 17 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Página 18 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
TABLA 6: Contribución de las fuentes antropogénicas a la emisión de metales respecto a las emisiones totales (en porcentaje) Metal
Porcentaje
Arsénico
61
Cadmio
85
Cromo
40
Cobre
56
Mercurio
59
Manganeso
11
Molibdeno
52
Níquel
65
Plomo
96
Antimonio
59
Selenio
39
Vanadio
74
Zinc
75
3.2. FOCOS EMISORES ANTROPOGÉNICOS. Las fuentes emisoras de contaminantes son muy numerosas y se concentran, como ya se ha comentado, principalmente en los entorno urbanos y en las áreas de elevada densidad industrial, aunque algunas de gran importancia, como por ejemplo las centrales termoeléctricas, suelen estar alejadas de los grandes núcleos habitados. Desde el punto de vista cuantitativo, la importancia de las fuentes de emisión no es la misma; para dar una idea de la contribución de los diversos focos emisores en la emisión de contaminantes se incluye la tabla 7, en la que se indica, en porcentaje relativo, el aporte de las principales actividades humanas "emisoras" a la emisión de los contaminantes primarios vertidos en mayor cantidad a la atmósfera (según estimaciones basadas en diversos estudios realizados en Estados Unidos).
Página 19 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
TABLA 7: Importancia de las fuentes antropogénicas en la emisión de contaminantes primarios Contaminante (% relativo) Fuente CO Transportes
HC
Aerosoles
SOx
NOx
73.7
53.0
2.3
3.3
47.1
Industrias
7.9
14.7
40.8
22.5
0.8
Combustiones fijas
1.2
2.4
20.5
73.3
42.0
Residuos sólidos
5.2
5.3
4.0
0.6
1.7
12.0
24.6
2.3
0.6
8.4
100
100
100
100
100
Varios Total:
Como ejemplo de lo anteriormente indicado, en la tabla 8 se reflejan los resultados del inventario específico estimativo de emisiones de contaminantes atmosféricos en España realizado por la Dirección General de Medio Ambiente del MOPU en 1988, en el que se puede apreciar la contribución de los diferentes tipos de focos emisores de origen antropogénico en la emisión global de determinados contaminantes primarios.
Página 20 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
TABLA 8: Inventario de emisiones de contaminantes atmosféricos Emisiones (%) Focos emisores SO2
NOx
Partículas
Hidrocarburos
Fuentes móviles
5
48
10
46
Calefacciones domésticas
3
2
2
--
921
502
88
543
Industria en general
Notas: -
El 67% de la emisión de SO2 proviene de las centrales termoeléctricas.
-
Las plantas energéticas generan un 21% del total en lo que respecta a NOx.
-
En el caso de los hidrocarburos, la industria de disolventes emite cerca del 40% del total.
3.2.1. Transporte. Vehículos automóviles. En la actualidad, tal como se refleja en la tabla 7, la contribución del sector transporte al problema de la contaminación atmosférica es de gran importancia, en especial en el caso de los vehículos automóviles en áreas urbanas, y principalmente para los contaminantes monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos (HC), y plomo. El aporte de los vehículos automóviles a la contaminación se ha estimado, en diversos países europeos, en alrededor del 70 por 100 para el CO (73.7 en la tabla 7), siendo próxima al 100 por 100 en las zonas asfaltadas. Por lo que se refiere a los NOx, la contribución global a nivel de país se ha estimado en alrededor del 25-50 por 100 (47.1 en la tabla 7), y alcanza porcentajes superiores en zonas urbanas (hasta el 80 por 100). La contribución en cuanto a HC se ha estimado en el 20-50 por 100 (53.0 en la tabla 7), y la de plomo en el aire puede alcanzar el 100 por 100 en áreas urbanas, particularmente en calles de tráfico congestionado.
Página 21 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Los gases de escape emitidos por los motores de los vehículos están integrados por cientos de sustancias, no obstante no todos los vehículos automóviles producen la misma cantidad ni en la misma proporción, sino que el contenido en contaminantes depende principalmente de las características del motor que los produce. No obstante las principales sustancias a considerar son: •
Monóxido de carbono.
•
Hidrocarburos inquemados.
•
Óxidos de nitrógeno.
•
Dióxido de azufre.
•
Partículas (inquemados y metálicas).
•
Compuestos de plomo (partículas y vapor).
Mayoritariamente, la composición de los gases de escape corresponden a óxidos de nitrógeno, de carbono y vapor de agua, si bien la relación entre los compuestos generados varía como se observa en la tabla 9, donde se muestra como ejemplo la composición de los gases de escape de un motor de explosión. TABLA 9: Composición de los gases de escape del automóvil (motor de explosión) Contaminante
Con carga
Marcha al ralentí
A bajo régimen
A alto régimen
NOx
0-50 ppm
1000 ppm
4000 ppm
CO2
6.5-8 Vol.-%
7-11 %
12-13 %
H2O
7-10 Vol.-%
9-11 %
10-11 %
O2
1-1.5 Vol.-%
0.5-2 %
0.1-0.4 %
CO
3-10 Vol.-%
3-8 %
1-5 %
H2
0.5-4 Vol.-%
0.2-1 %
0.1-0.2 %
HC
3000-8000 ppm
200-500 ppm
100-300 ppm
Página 22 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
En el caso de un motor de explosión, la marcha al ralentí y con carga mínima determina una combustión incompleta, produciéndose monóxido de carbono e hidrocarburos, con pocos residuos de combustible y predominio de los productos derivados de olefinas y parafinas, así como compuestos aromáticos policíclicos altamente condensados. Los óxidos de nitrógeno se forman durante la explosión, por la acción de la elevada temperatura que se alcanza en la cámara de explosión y, en contraste con la formación de compuestos de carbono, su concentración crece al aumentar la marcha del motor, y disminuye al frenar o en la marcha al ralentí. Si se comparan los motores de gasolina con los diesel, en estos últimos a emisión de partículas, que pueden contener diversos tipo de hidrocarburos, y de dióxido de azufre es muy superior, mientras que los de gasolina producen mayores emisiones de monóxido de carbono y de compuestos de plomo. La emisión de este último tipo de contaminantes se debe al contenido de tetraetilo de plomo, aditivo que se añade a las gasolinas para aumentar el índice de octano, con lo que se mejora el rendimiento energético del motor, ya que permite trabajar a éste con una relación de compresión más elevada. Actualmente se están utilizando gasolinas que no contienen este aditivo con el fin de poder utilizar catalizadores para la reducción de las emisiones de monóxido de carbono, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno. Para mantener el índice de octano en las gasolinas se recurre a la adición de compuestos oxigenados (metanol, etanol, etc). La tabla 10 muestra una estimación de las emisiones de CO, NOx, hidrocarburos y partículas, producidas por la combustión de un litro de combustible en vehículos con motor de gasolina y diesel en tráfico urbano (según UE).
TABLA 10: Emisión de contaminantes por motores de automóviles Emisión (g/L de combustible) Contaminante Motor de gasolina
Motor diesel
CO
360
7
NOx
15
20
HC
30
40
Partículas
1
14
Página 23 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
3.2.2. Instalaciones de combustión.
La combustión de los combustibles fósiles y sus derivados constituye una de las principales fuentes generadoras de agentes contaminantes de la atmósfera, en especial dióxido de azufre (SO2), óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de carbono (CO2), y partículas sólidas, como se aprecia en la tabla 7: -
SO2 debido al azufre contenido en el combustible.
-
Partículas, esto es, cenizas volantes procedentes de los inertes contenidos en el combustible.
-
NOx, causados por las reacciones tanto del nitrógeno del aire como del nitrógeno del combustible con el oxígeno, siendo la aportación del primero mucho mayor que la del segundo.
-
CO2, debido al contenido en carbono de los combustibles.
Entre las instalaciones de combustión cabe diferenciar dos grandes grupos: uno, el correspondiente a las grandes instalaciones de combustión (GIC), en el que se encuadran las centrales termoeléctricas y las refinerías de petróleo principalmente; y el segundo, en el que se incluyen las calefacciones domésticas y las calderas industriales de generación de calor. Salvo en las áreas urbanas donde las instalaciones de calefacción domésticas constituyen una de las principales fuentes de contaminación, son las GIC los focos antropogénicos que inciden de modo más significativo en las emisiones de contaminantes a la atmósfera(como ejemplo indicar que en España, en el año 1995, las emisiones de las GIC representaron alrededor del 90% del total de emisiones de SO2, y cerca de 40% de las de NOx). En la tabla 11 se muestra una estimación de la distribución porcentual de la contribución de los diferentes subsectores anteriormente mencionados en las emisiones generadas en las instalaciones de combustión:
Página 24 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
TABLA 11: Distribución porcentual de la contribución de los diferentes tipos de instalaciones de combustión en las emisiones totales INSTALACIONES
CONTRIBUCIÓN A LA EMISIÓN DE: SO2
NOx
Partículas
• Grandes instalaciones de combustión Centrales termoeléctricas
70-80 %
30-35 %
25-30 %
Refinerías y otros
5-10 %
1-5 %
1-5 %
Calderas industriales
5-10 %
5-10 %
1-5 %
1-5 %
1-5 %
1-5 %
85-95 %
40-50 %
20-30 %
• Otras
Calefacciones domésticas ¾ Contribución total
A continuación se consideran brevemente algunos de los aspectos más destacables relacionados con cada uno de los tipos de instalaciones de combustión indicados (a excepción de las GIC que se incluyen en el capítulo referido a instalaciones industriales).
Calefacciones domésticas
Durante las últimas décadas se han producido profundos cambios en la distribución interna de la población en torno a grandes núcleos urbanos que han desencadenado un crecimiento considerable y acelerado del volumen de contaminantes emitidos a la atmósfera y cuyas fuentes principales, tanto fijas como móviles, son las calefacciones domésticas, los vehículos automóviles y las industrias. En el caso de las instalaciones de calefacción domésticas, este tipo de focos puede contribuir con un 20 ó un 30 por 100 a las emisiones totales a la atmósfera en áreas urbanas en los períodos de utilización. Los principales contaminantes producidos dependen del tipo de combustible utilizado:
Página 25 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
-
Si se emplea carbón, los principales contaminantes producidos son: dióxido de azufre,
cenizas volantes, hollines, metales pesados y óxidos de nitrógeno. -
Cuando el combustible empleado es líquido (gasoil), los principales contaminantes emitidos
son SO2, SO3, NOx, hidrocarburos volátiles, y partículas. -
El gas natural es el combustible más limpio de los actualmente disponibles para calefacción,
siendo su producción de contaminantes escasamente significativa respecto a los otros combustibles.
La producción total de contaminantes por las calefacciones domésticas dependen del consumo y de los tipos de combustibles empleados, así como de las calidades de los mismos. En la actualidad se está potenciando la introducción masiva del gas para calefacciones domésticas, sustituyendo el carbón y el gasoil anteriormente utilizados. Como ejemplo señalar que en la ciudad de Madrid, se ha iniciado desde 1990 el Plan de sustitución de instalaciones de carbón que, según datos proporcionados por el Ayuntamiento de Madrid, ha permitido reducir el parque de calderas de carbón en 1890 unidades, lo que supone una reducción en la emisión a la atmósfera del orden de 2000-2100 toneladas de SO2 al año.
Calderas industriales de generación de calor
Entre las distintas fuentes de contaminación atmosférica de origen industrial, la combustión de combustibles fósiles para la generación de calor ocupa un lugar preponderante, tanto por la cantidad como por los tipos de contaminantes emitidos. Los combustibles utilizados para este tipo de instalaciones son el carbón y el fueloil principalmente, y en menor medida el gas natural. La producción de contaminantes, al igual que lo comentado en las calefacciones domésticas, depende en gran medida de la calidad del combustible, en especial de las proporciones de azufre e Página 26 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
inertes (cenizas) contenidas en el mismo y del tipo de proceso de combustión empleado.
Durante el proceso de combustión se libera a la atmósfera el azufre contenido en el combustible en forma de dióxido de azufre, además de otros contaminantes como óxidos de nitrógeno, dióxido de carbono, metales pesados y una gran variedad de sustancias.
3.2.3. Instalaciones industriales.
Los principales focos industriales de emisión de contaminantes a la atmósfera cabe clasificarlos en dos categorías: la primera constituida por las ya mencionadas grandes instalaciones de combustión (GIC), orientadas básicamente a la generación de energía eléctrica y calor industrial; y la segunda en la que se incorporan los procesos industriales propiamente dichos. La contaminación de origen industrial se caracteriza por la gran cantidad de contaminantes producidos y por la diversidad de los mismos. Por otra parte, en los focos industriales se suelen combinar las emisiones puntuales, de fácil detección y control, con emisiones difusas de difícil evaluación. Los
tipos
de
contaminantes
producidos
por
los
focos
industriales
dependen
fundamentalmente de las calidades de los combustibles y materias primas empleadas, del tipo de proceso y de la tecnología utilizada. Los sectores industriales potencialmente contaminadores de la atmósfera de mayor importancia son los que se indican seguidamente, según se refleja en la normativa nacional actualmente en vigor (grupo A del catálogo de actividades potencialmente contaminadoras de la atmósfera dado en el anexo II del Decreto 833/1975, de 6 de febrero, por el que se desarrolla la Ley 38/1972, de 22 de diciembre, de protección del ambiente atmosférico): -
Industrias energéticas: centrales térmicas convencionales, refinerías de petróleo, etc.
-
Siderurgia y fundición: siderurgia integral, fundiciones de hierro y acero, ferroaleaciones, etc. Página 27 de 57
©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
-
Metalurgia no férrea: producción de aluminio, producción de plomo (en horno de cuba,
recuperación de chatarra de plomo, ...), producción de cobre, etc. -
Industrias químicas y conexas: fabricación de abonos (producción de fertilizantes orgánicos e
inorgánicos); industria inorgánica de base e intermedia (producción de azufre y sus ácidos, producción de ácido nítrico, ...); industria orgánica de base e intermedia (producción de hidrocarburos alifáticos, producción de hidrocarburos aromáticos, ...); fabricación de pigmentos (producción de negros de humo, producción de dióxido de titanio, ...); y elaboración de pastas de papel y papel (fabricación de celulosa y pastas de papel). -
Industria alimentaria: cervecerías y malterías, azucareras, fabricación de harina de pescado,
-
Industria de materiales para la construcción: fabricación de cemento, fabricación de
etc.
aglomerados asfálticos, etc. -
Instalaciones fabriles y actividades diversas: incineración de residuos industriales, plantas de
tratamiento de residuos urbanos, etc. -
Actividades agrícolas y agro-industriales: establos, granjas, mataderos, fabricación de
piensos, procesado de cereales en grano, etc. En España, los principales fuentes de contaminación atmosférica de origen industrial corresponden a las centrales térmicas, las refinerías de petróleo, la siderurgia integral, las cementeras, las plantas de ácido sulfúrico y las papeleras. En la tabla 12 se muestran estos focos, clasificados por sectores. TABLA 12: Principales fuentes de contaminación atmosférica Tipo de foco
Características
Nº de focos
Centrales térmicas
50 Mw
37
Refinerías de petróleo
Todas
10
Siderurgia integral
Todas
3
Cementeras
500.000 t/año
31
Plantas de ácido sulfúrico
50.000 t/año
13
Papeleras
50.000 t/año
9 Página 28 de 57
©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
La tabla 13 muestra una estimación de la contribución porcentual de los sectores industriales españoles de mayor importancia, a las emisiones industriales de los contaminantes dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y partículas:
TABLA 13: Emisión de contaminantes atmosféricos por la industria. Contribución de los sectores industriales más significativos en España CONTRIBUCIÓN A LA EMISIÓN DE:
SECTOR SO2
NOx
Partículas
Eléctrico
79 %
81 %
40 %
Refino
6%
7%
--
Siderurgia
9%
--
25 %
Cementera
2%
5%
32 %
Ácido sulfúrico
2%
3%
--
Papeleras
2%
4%
3%
Seguidamente se hace una breve descripción de algunos de los procesos industriales enumerados anteriormente, indicando sus principales características desde el punto de vista de la contaminación atmosférica.
Centrales térmicas Se puede definir una central térmica como una instalación cuyo objeto es la obtención de energía eléctrica a partir de la combustión de un combustible fósil. Esta materia prima se quema en una caldera con objeto de producir vapor en determinadas condiciones de presión y temperatura; dicho vapor se expande en una turbina cuyo rotor está acoplado solidariamente a un alternador.
Página 29 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
En España, los combustibles utilizados en este tipo de centrales son: el carbón, nacional e importado, en sus diferentes formas (hulla, lignito y antracita), el fueloil, el gasoil y, en menor medida, ya que se comienza a usar en la actualidad, el gas natural. La distribución porcentual de las centrales térmicas por tipo de combustible empleado en el año 1995 es el siguiente:
•
Hulla y antracita: ...............
45 %
•
Lignito: ............................
30 %
•
Carbón importado: .............
15 %
•
Fuel + gas: ...................... 10 %
Entre las distintas fuentes de contaminación atmosférica de origen industrial, las centrales termoeléctricas ocupan un lugar preponderante por el volumen de contaminantes emitidos. Para dar una idea de la magnitud del problema baste decir que en España, en el año 1995, las centrales térmicas determinaron cerca del 79% del total de emisiones de SO2 (unas 1.100 KTm) y aproximadamente el 36% de las emisiones nacionales de NOx (del orden de 230 KTm). Los principales contaminantes emitidos a la atmósfera por las centrales térmicas derivados del empleo de combustibles fósiles son: dióxido de azufre (SO2), partículas, óxidos de nitrógeno y dióxido de carbono. En mucha menor cuantía también pueden emitirse otras sustancias tales como metales, hidrocarburos, monóxido de carbono y compuestos halogenados. También comentar el carbón contiene trazas de radionucleidos primarios, tales como radón y uranio, en una cantidad en general inferior a la media de la corteza terrestre, de modo que su combustión produce la liberación de éstos, concentrándose en las cenizas, determinando, en consecuencia, la posibilidad de aparición de pequeñas cantidades de estos materiales radiactivos en las emisiones de las centrales térmicas.
Página 30 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Página 31 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
La instalación donde se generan los contaminantes es aquella donde se lleva a cabo la combustión, es decir, la caldera, dependiendo la naturaleza de las emisiones producidas básicamente del tipo y características del combustible, y de las condiciones en la que se realiza la combustión. En la tabla 14 se recogen los datos relativos a las emisiones generadas en España en el año 1995, estableciéndose en cada caso la contribución de los diferentes combustibles utilizados.
TABLA 14: Emisiones generadas en centrales térmicas en España (1995) Combustible
SO2
NOx
Partículas
CO2
- Hulla y antracita
22 %
55 %
57 %
43 %
- Lignito
60 %
27 %
34 %
34 %
- Hulla importada
3%
12 %
3%
14 %
- Fuel + gas
3%
5%
5%
8%
Emisiones
Centrales térmicas
1.100
230
35
70
(KTm/año)
Totales
1.325
650
---
---
En la actualidad, teniendo en cuenta la evolución experimentada por la normativa de aplicación, se están estudiando y/o adoptando diversas medidas en las centrales térmicas convencionales orientadas a la reducción de las emisiones atmosféricas. Dichas medidas, tanto las ya aplicadas como las de posible utilización, se enumeran seguidamente, indicándose el/los contaminantes sobre el/los que incide/n más directamente:
¾
Sustitución de los combustibles utilizados habitualmente por otros alternativos de menor
"capacidad contaminante", con lo que se conseguiría una significativa disminución en las emisiones de la mayoría de los contaminantes generados, en especial SO2, NOx y partículas.
Página 32 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
En España, las medidas adoptadas hasta la fecha en este sentido han consistido en sustituir el fueloil tradicional por el tipo BIA o de bajo índice de azufre, y parcialmente los carbones nacionales por carbones importados, lo que se ha traducido en una notable reducción en las emisiones de SO2 (las emisiones debidas a las GIC han pasado de más de 1.600 KTm en 1990 a cerca de 1.200 KTm en 1996, es decir, una disminución del 25% aproximadamente en 6 años) y de partículas (se han rebajado 3.5 KTm en el último año). Por otra parte, se está modificando el diseño de varias centrales térmicas para su adaptación al consumo de gas natural, con lo que se van a disminuir considerablemente las emisiones de SO2, NOx y partículas.
¾
Utilización de sistemas de retención: absorción por vía húmeda (sistemas de calcio, de
magnesio o de sodio) para la disminución de las emisiones de SO2 y NOx; y de precipitadores electrostáticos para la retención de partículas. ¾
Modificación de las instalaciones (hogar, quemadores, ...) o de las condiciones de
combustión (combustión en dos etapas y recirculación de gases de escape) como mecanismos para la reducción de NOx. ¾
Desarrollo y aplicación de nuevos procesos de producción de energía eléctrica a partir de
combustibles fósiles (gasificación del carbón, combustión en lecho fluido, lavado previo del carbón...) con lo que se obtendrán niveles de emisión para SO2, NOx y partículas notablemente inferiores.
Refino de petróleo
El crudo de petróleo está constituido predominantemente por una mezcla compleja de hidrocarburos y pequeñas cantidades de otras sustancias como azufre, oxígeno, nitrógeno, así como metales traza tales como níquel y vanadio. El objeto de una refinería es producir, a partir de esta mezcla, una amplia gama de productos que satisfacen las exigencias del mercado de combustibles para automóviles y aviación, generación de energía y calor, lubricantes, betunes, materias primas para la industria química, ...
Página 33 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Todas las refinerías, desde las más sencillas a las más complejas, están formadas por un conjunto de instalaciones muy similares: en primer lugar se encuentran las instalaciones de recepción y almacenaje de crudo, posteriormente las unidades de proceso, y por último la carga y almacenaje de productos. En lo que se refiere a las unidades de proceso, éstas permiten, en primer lugar, separar el crudo en diversas fracciones complejas por medios físicos, tratar estas fracciones para mejorar su calidad o variar sus propiedades y, finalmente, mezclar estas fracciones en las proporciones adecuadas, para formular los productos finales que cumplan las especificaciones establecidas. Las posibles unidades que pueden llegar a formar parte de una refinería son muchas, y, por lo general, se instalan conforme van siendo necesarias de acuerdo con los requerimientos de mercado, la disponibilidad de materia prima y el contenido de las especificaciones. Dichas unidades de proceso pueden clasificarse por su objetivo dentro del esquema de refino en cuatro grupos distintos:
1.
Procesos de separación física de la materia prima, ya sea crudo, ya una fracción petrolífera en
fracciones más estrechas, sin variar prácticamente la calidad o composición original. En este grupo se incluyen procesos u operaciones unitarias, tales como destilación, absorción, adsorción, extracción, etc. 2.
Procesos de purificación de componentes o fracciones petrolíferas para eliminar
contaminantes. En este grupo se incluyen tratamientos ácidos o alcalinos, lavados con disoluciones de aminas, hidrotratamientos, endulzamientos, etc. 3.
Procesos de conversión de fracciones pesadas en ligeras, de ligeras en pesadas o de especies
químicas de un tipo en otro. Entre las primeras están los procesos de cracking (catalítico, térmico, hydrocracking, etc); entre los segundos están los procesos de alquilación, polimerización, dimerización, etc; y entre los últimos, procesos tales como reformado catalítico, isomerización, etc. 4.
Procesos de fabricación de determinados productos químicos tales como producción de
azufre, etileno (y olefinas), hidrógeno, etc.
Página 34 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Página 35 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
A continuación se incluyen, clasificadas conforme a los grupos antes indicados, algunas de las unidades de proceso integradas en una refinería, comentándose brevemente los aspectos más destacables de las mismas:
PROCESOS DE SEPARACIÓN FÍSICA. Se incluyen en esta sección una serie de unidades que permiten obtener, a partir de una alimentación compleja, varias fracciones también más o menos complejas, pero cuyos componentes existían ya originalmente en la carga y no han sufrido transformación alguna.
En primer lugar están los procesos de destilación, en los cuales la alimentación se divide en dos o más fracciones con puntos o rangos de ebullición crecientes. En segundo lugar están los procesos de absorción en los que ciertos componentes de una fracción gaseosa se absorben selectivamente en un disolvente adecuado. Los productos absorbidos se separan posteriormente del disolvente por elevación de la temperatura. De este modo se pueden separar los componentes ligeros de los pesados en una mezcla gaseosa. Finalmente están los procesos de adsorción, en los cuales ciertos componentes de una mezcla líquida o gaseosa se adsorben sobre un sólido, mientras que el resto no son afectados. Los componentes adsorbidos se recuperan por arrastre con un gas caliente. DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA. Es el primer proceso al que se somete el crudo de petróleo, y es, por ello, la primera unidad de toda refinería. El objetivo es dividir el crudo, por medio de una columna de destilación, en varias fracciones, que serán utilizadas como alimentación posteriormente a otras unidades.
Página 36 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
El crudo procedente de tanques debe de calentarse hasta las condiciones necesarias para realizar su destilación. Para ello se precalienta por intercambio con corrientes efluentes de la columna de destilación hasta alcanzar una temperatura de unos 120°C. Si el contenido en sal del crudo supera 40 ppm de cloruro sódico se debe eliminar mediante desaladores electrostáticos. Después de la operación de desalado, el crudo se calienta, primero bombeándolo a través de una serie de intercambiadores y posteriormente introduciéndolo en un horno tubular hasta que alcanza la temperatura necesaria de entrada en la columna de destilación (340 a 400°C). En la columna de destilación se efectúa la separación, obteniéndose un número de fracciones variable entre cinco y ocho normalmente. Fracciones típicas son: vapores de cabeza (componentes ligeros -propano y butano- y la nafta) que son tratados en la unidad de recuperación de gases; primera extracción o keroseno enviada a tratamiento químico (endulzamiento o hidrotratamiento); segunda y tercera extracciones o gasoil ligero y pesado, respectivamente, conducidas a hidrotratamiento; cuarta extracción remitida a unidades de cracking; y producto de fondo o residuo atmosférico, utilizado en la alimentación a unidades de destilación a vacío o a unidades de cracking. Tanto el número de fracciones a obtener como su rango de destilación son normalmente variables y dependen de la calidad del crudo y de la utilización deseada para la fracción obtenida.
Ilustr. 4 Destilación atmosférica
Página 37 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
•
DESTILACIÓN A VACÍO. Los productos de cola de la columna atmosférica se conducen a una segunda columna, que opera a vacío, con lo que se pueden obtener fracciones petrolíferas destiladas con puntos de corte TBP superiores a los 400°C. Las columnas de destilación a vacío tienen tres aplicaciones fundamentales: alimentación de las unidades de cracking, fabricación de bases para la formulación de aceites lubricantes, y producción de asfaltos.
Ilustr. 5 Destilación a vacío
•
RECUPERACIÓN DE GASES. Los productos de cabeza de la unidad de destilación atmosférica
están formados por una serie de gases tales como etano, propano, butano y componentes ligeros de la nafta, y un producto líquido, la nafta. Todos ellos se envían a una unidad conocida como de recuperación de gases, formada por varias columnas (absorción y destilación), y cuya misión es recuperar la mayoría de los componentes ligeros, y separar las naftas en diferentes fracciones. Este tipo de unidades no sólo se utilizan para tratar los productos ligeros de las columnas de destilación atmosférica, sino también unidades similares permiten recuperar los gases producidos en las operaciones de cracking.
Página 38 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
El esquema elegido para estas unidades es variable y depende de las cantidades relativas de los distintos componentes y de las purezas y recuperaciones deseadas. No obstante, el esquema típico consiste en una primera columna donde se procede al "lavado" de los gases de cabeza resultantes de la destilación atmosférica mediante un disolvente que absorbe los componentes que van del propano a la nafta, obteniéndose como cabeza de la columna de absorción el gas seco. El producto líquido, que se extrae como producto de fondo de la citada columna se envía a una columna de fraccionamiento (desbutanizadora), apareciendo en cabeza una mezcla de propano y butano, y como producto de fondo, la nafta. La mezcla de cabeza se fracciona en otra columna de destilación (despropanizadora), obteniéndose propano en cabeza, y butano en fondo. La nafta producida como fondo de la desbutanizadora se redestila en una o varias columnas similares, según la calidad y número de fracciones que se desea producir.
Ilustr. 6 Recuperación de gases
Página 39 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
PROCESOS
DE PURIFICACIÓN.
Los procesos incluidos en esta sección tiene como objeto eliminar
impurezas y contaminantes de ciertas fracciones, el tratamiento puede realizarse por lavado con productos químicos, generalmente en presencia de catalizadores, por ejemplo para eliminar sustancias corrosivas tales como mercaptanos, o por hidrogenación a presión sobre catalizadores, para eliminar azufre, nitrógeno u oxígeno, entre otros. ENDULZAMIENTO. Existen numerosos métodos para eliminar productos corrosivos por lavado con un producto químico en presencia o no de un catalizador. Sin embargo, el más ampliamente utilizado, con diferencia es el proceso Merox desarrollado por la compañía norteamericana Union Oil Products (UOP). El proceso permite endulzar fundamentalmente los gases licuados de petróleo, las naftas y el keroseno. El proceso Merox (Mercaptan oxidation) se basa en la capacidad de un catalizador desarrollado por la UOP de oxidar los mercaptanos a disulfuros a temperatura ambiente y utilizando aire como oxidante. La oxidación puede realizarse directamente sobre la fracción a endulzar o bien mediante extracción previa de los mercaptanos con una disolución de sosa cáustica.
HIDROTRATAMIENTO. Son aquellos procesos en los que se utiliza el hidrógeno como reactivo para eliminar contaminantes en los productos destilados, fundamentalmente por reacción con compuestos que contienen azufre, nitrógeno y oxígeno, produciendo simultáneamente una saturación de las olefinas. El objetivo del proceso es, unas veces, preparar la carga a otras unidades, y otras obtener una fracción que pueda utilizarse como componente de mezcla. Las reacciones fundamentales durante el proceso de hidrotratamiento son las de hidrogenación selectiva, en presencia de exceso de hidrógeno y sobre catalizadores adecuados a alta temperatura y presión, de los contaminantes de la carga. Para eliminar estos contaminantes es necesario romper de una forma controlada la cadena o el anillo por el lugar donde se encuentran los átomos de azufre, nitrógeno u oxígeno, que han de eliminarse. Las reacciones producen por una parte sulfuro de hidrógeno, amoníaco o agua, y un hidrocarburo alifático o aromático por otra, Adicionalmente se saturan los compuestos olefínicos y se obtienen las parafinas correspondientes. Reacciones típicas son: saturación de acetilenos, saturación de dienos, saturación de olefinas, desulfuración, eliminación de oxígeno, desnitrificación, saturación de aromáticos y eliminación de
Página 40 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
metales.
PLANTA
DE AMINAS.
Los gases procedentes de diversas operaciones de refino llevan
cantidades importantes de sulfuro de hidrógeno. Éste se elimina por medio de un tratamiento químico, siendo el más utilizado en las refinerías el lavado con una disolución acuosa de una amina (normalmente monoetanolamina (MEA). Básicamente el proceso consiste en la absorción por el disolvente del sulfuro de hidrógeno en una columna habilitada al efecto, enviándose los gases depurados al sistema de gas combustible, y el fondo de la columna a un recipiente de desorción donde los gases ácidos resultantes (fundamentalmente SH2) se envían a una unidad de producción de azufre.
PROCESOS
DE CONVERSIÓN.
Se incluyen procesos de muy diversa naturaleza y con diferentes
objetivos: conseguir fracciones más ligeras de otras pesadas o viceversa, obtener especies químicas distintas a las de partida, ... . Seguidamente se comentan algunos aspectos de dos de los de mayor importancia: el cracking o craqueo, y el reformado catalítico. CRACKING O CRAQUEO. La reacción de "cracking" (ruptura) consiste en romper las moléculas de los hidrocarburos de la alimentación (moléculas grandes) para formar hidrocarburos más ligeros (moléculas más pequeñas). Estas reacciones tiene lugar a temperaturas elevadas, y pueden realizarse de dos modos: por efecto únicamente del calor, siendo estos procesos conocidos como "cracking térmico"; o bien mediante el uso de un catalizador adecuado. En el primer caso, el "cracking térmico", el proceso se utiliza para transformar naftas a etileno o productos semejantes y para tratar residuos pesados, cuyo contenido en metales puede envenenar los catalizadores. En este caso se producen hidrocarburos gaseosos, gasolinas, gasóleos, fueloil residual y coque. Basados en este concepto hay que destacar el proceso de Visbreaking (suave conversión por craqueo térmico en fase líquida, y que permite transformar fracciones petrolíferas residuales de alta viscosidad en otras de viscosidad inferior y adecuadas para la formulación de fueloil), y el de coquización (proceso de craqueo térmico de alta severidad en el que se convierten productos residuales en coque, productos ligeros y gases).
Página 41 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Página 42 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Por lo que respecta a los procesos en los que se utiliza un catalizador, éste permite realizar las reacciones a temperaturas más bajas o con tiempos de residencia menores que el craqueo térmico, mejorando la calidad de los productos. De especial interés son dos procesos de este tipo: el FCC o proceso de cracking catalítico, y un proceso de cracking en presencia de hidrógeno o hidrocraqueo. El FCC utiliza como materia prima gasoil o destilado de vacío y produce, principalmente, una mezcla de hidrocarburos gaseosos y productos líquidos que van desde la gasolina al gasoil ligero. Por su parte, el hidrocraqueo es uno de los procesos más versátiles de la industria del refino ya que permiten procesar cualquier fracción desde las naftas a los productos no destilables, para dar como producto cualquier fracción que se desee, siempre que sea de menor peso molecular, y adiocionalmente se elimina casi por completo contaminantes tales como azufre, nitrógeno, oxígeno, etc. REFORMADO CATALÍTICO. Son procesos que permiten convertir fracciones en el rango de las gasolinas pero con índices de octano bajos, en fracciones con rangos de destilación similares pero con números de octano elevados. En las unidades de reformado catalítico, la alimentación al proceso es sometida a una serie de reacciones químicas distintas, cuyo objetivo fundamental es producir compuestos aromáticos y, adicionalmente, isoparafinas. En el proceso de producen además ciertos subproductos, tales como gases licuados de petróleo (propano y butano), gases ligeros e hidrógeno.
PROCESOS DE FABRICACIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS. Dentro de este grupo se incluyen procesos de fabricación de productos tales como disolventes, lubricantes, asfaltos, olefinas y azufre. PLANTAS
DE AZUFRE.
La corriente de gas ácido, formada fundamentalmente por sulfuro de
hidrógeno, y producida como producto de las plantas de amina, no puede ser quemada, por ello se la convierte en azufre sólido mediante el proceso Claus, con el cual más del 95% del azufre en el gas ácido se recupera. Vista esta breve descripción de algunos de los numerosos procesos que pueden llevarse a cabo en instalaciones de refino de petróleo, es ya de prever la complejidad que conlleva el estudio de las emisiones atmosféricas generadas, tanto por la naturaleza y la cantidad de los potenciales contaminantes a considerar como por el elevado número de focos de emisión existentes.
Página 43 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
En la tabla 15 se muestran los principales contaminantes originados en estas instalaciones, indicando asi mismo los focos típicos de emisión. TABLA 15: Focos de emisión de una refinería y contaminantes emitidos CONTAMINANTE
FOCO
SO2
Calderas, hornos de proceso, regenerador de catalizador, unidad de craqueo catalítico, antorcha de ácidos, incinerador unidad Clauss, decoquizado
Hidrocarburos
Estaciones de carga, tanques de almacenamiento, antorcha, regeneradores del catalizador, eyectores de vacío, soplado y purga de líneas y equipos, equipo de alta presión de hidrocarburos volátiles, hornos de proceso, calderas
NOx
Hornos de proceso, calderas, regeneración de catalizadores, antorchas
Partículas sólidas
Regeneración de catalizadores, calderas, hornos de proceso, decoquizado, incineradores, antorchas
Aldehidos
Regeneración de catalizadores
Amoníaco
Regeneración de catalizadores
Olores
Unidad de tratamiento, drenajes, ventilación de tanques, equipo de vacío, tratamiento de aguas residuales
CO
Regeneración de catalizadores, decoquizado, incineradores
En resumen, se puede decir que existen cuatro fuentes principales de contaminación en las refinerías: gases de combustión, evaporación de hidrocarburos, eliminación de impurezas contenidas en el crudo y contaminación propia de cada proceso. -
Los gases de combustión son la principal causa de contaminación, ya que en el proceso se
quema una cantidad de combustible del orden del 4 al 8 por 100 de crudo tratado (en España se estima que en 1995% las refinerías contribuyeron en cerca del 10% de las emisiones de SO2 y del orden del 5% de las de NOx). -
La evaporación de hidrocarburos se produce en la manipulación y almacenaje de los
productos petrolíferos. -
Diversos procesos están orientados a la eliminación de impurezas, tales como azufre,
nitrógeno, etc, y en los mismos se pueden producir emisiones. Especial atención merece los procesos de desulfuración de las corrientes de refino ya que dan lugar a emisiones de SO2 y SH2. Página 44 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
-
Cada uno de los procesos, en función de las reacciones que tienen lugar y de los agentes
involucrados en las mismas, pueden determinar la emisión de contaminantes de muy diversa naturaleza: polvo de la regeneración de catalizadores, producción de mercaptanos, etc. En la tabla 16 se reflejan, a partir de datos de United State Environmental Protection Agency (US EPA), los factores de emisión en refinerías de petróleo, en diferentes procesos. TABLA 16: Factores de emisión en refinerías de petróleo Contaminantes
Tipo de proceso o equipo Partíc.
SOx
CO
HC
NOx
Aldeh.
NH3
Caldera, hornos, etc Kg/m3 de combustible líq. Kg/103 m3 de gas
2.4
19.2 S
Neg.
0.40
8.3
0.071
Neg.
0.32
32 s
Neg.
0.48
3.7
0.048
Neg.
39.2
0.630
0.204
0.054
0.15
Craqueo catalítico (lecho fluido) Kg/m3 de aliment. nueva
0.695
1.413
Craqueo catalítico (lecho en movimiento) Kg/m3 de aliment. nueva
0.049
0.171
10.8
0.250
0.014
0.034
0.01
1.5
---
Neg.
Neg.
Neg.
Neg.
Neg.
Neg.
32 s
Neg.
19.3
14.4
1.61
3.2
Coquización (lecho fluido) Kg/m3 de aliment. nueva
Compresores, motores de comb. interna Kg/103 m3 de gas
SOx expresado como SO2; HC expresados como CH4; y NOx expresados como NO2. S = Porcentaje en peso de azufre, basado en una combustión total del azufre a SO2, en un fueloil de densidad 0.96 Kg/L. s= Contenido de azufre en gas de refinería (lb/100 ft3), basado en una combustión total de azufre a SO2.
Página 45 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
En definitiva, la contaminación global de una refinería depende de numerosos factores: su capacidad de refino, de la naturaleza de los crudos a tratar, de la calidad de los mismos (presencia de impurezas), del tipo de procesos que se efectúen, de los métodos de almacenamiento, de la antigüedad de las instalaciones, etc. Los equipos correctores usuales en la refinerías son las antorchas, en las que se queman los hidrocarburos de purgas, fugas, etc. Un tipo especial de estos sistemas lo constituyen las antorchas ácidas, donde se quema el SH2 que no se ha recuperado, transformándolo en SO2.
Industria siderúrgica
Este sector industrial tiene una gran incidencia en la contaminación del aire, estando constituido por diversas actividades industriales: hornos de coque, obtención de arrabio, fabricación de acero, fundición de hierro y acero, y fabricación de ferroaleaciones, si bien para el estudio de los diferentes procesos específicos se puede hacer una división en tres grandes grupos: siderurgia integral, fundiciones de hierro y acero, y fabricación de ferroaleaciones.
SIDERURGIA
INTEGRAL.
El horno alto puede considerarse como la unidad básica de producción en
siderurgia. Por su parte superior se carga una mezcla de diversos materiales (mineral de hierro, caliza que actúa como fundente, y coque que funciona como combustible y agente reductor), obteniéndose como producto, tras una serie de reacciones, el arrabio, con un contenido en carbono del 3 al 4 por 100. Posteriormente, dependiendo del acero que se pretenda conseguir, el arrabio es introducido en uno u otro tipo de horno: en hornos tipo Martin-Siemens o convertidores de oxígeno para la producción de acero con un contenido en carbono inferior al 1 por 100; o en hornos eléctricos para conseguir aceros corrientes o especiales. Con respecto al tratamiento de laminación, son tanto las operaciones previas a la misma realizadas en frío (decapado) como las correspondientes al acabado (galvanizado), las que pueden contribuir moderadamente a la contaminación si no se habilitan los sistemas adecuados.
Página 46 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
FUNDICIONES DE HIERRO Y ACERO. Las fundiciones de hierro y acero tienen como elemento común el tipo de horno que utilizan. Normalmente se utilizan tres tipos de hornos: cubilotes, reverbeo e inducción.
FABRICACIÓN DE FERROALEACIONES. Con el término ferroaleación se denominan las aleaciones de hierro que contienen uno ó más elementos adicionales. Básicamente existen tres tipos de ferroaleaciones: de silicio, de manganeso y de cromo. El procedimiento más empleado para la fabricación de estos productos es el horno eléctrico del tipo abierto o semi-abierto de arco sumergido. Las aleaciones se producen por reducción de los óxidos apropiados.
El problema de la contaminación en la industria del hierro y del acero es enormemente complejo, en especial en el caso de una siderurgia integral, puesto que son numerosos los procesos potencialmente generadores de emisiones contaminantes, y por otro lado, también es considerable la cantidad de contaminantes que pueden ser emitidos. En lo que se refiere a los procesos hay que destacar: parque de minerales, sinterización, coquerías, horno alto, fabricación de acero (LD, MartinSiemens, horno eléctrico de arco), laminación y tratamientos térmicos. Por lo que respecta a los principales contaminantes emitidos por los procesos siderúrgicos: partículas, SO2, SO3, CO, NO, SH2, FH, ClH, SO4H2, vapores de zinc, humos rojos (óxidos de hierro) y fluoruros. En la tabla 17 se reflejan los contaminantes habituales y las fuentes generados en estos procesos, y en la tabla 18 se recogen los factores de emisión para los distintos procesos y contaminantes.
Página 47 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
TABLA 17: Focos de emisión en la industria siderúrgica y contaminantes emitidos PROCESO
CONTAMINANTES
Parque de minerales
Partículas
Aglomeración de minerales:
Partículas, Co, NOx y fluoruros
sinterización y peletización Coquerías y subproductos
Partículas, CO, SH2, CH4, NH3, compuestos orgánicos (xilol, antraceno, naftalina, fenoles, ...) y olores
Horno alto
Partículas, SO2, CO
Acerías LD y Kaldo
Partículas, humos rojos
Aceros por hornos eléctricos de arco
Partículas, humos rojos, FH
Acero Martin-Siemens
Partículas, humos rojos, FH, SO2
Laminación: Hornos recalentamiento
Humos y SO2
Decapado
ClH, SO4H2 y vapores ácidos
Galvanizado
Vapores de zinc
Tratamiento térmicos
Vapores y humos
Instalaciones auxiliares
Partículas, humos, SO2, NOx, CO, CO2
Página 48 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
TABLA 18: Factores de emisión de contaminantes en procesos de la industria siderúrgica PROCESO
CONTAMINANTE
FACTOR (kg/Tm)
Coquerías
Partículas
1.75
Dióxido de azufre
2.02
Óxidos de nitrógeno
0.02
Monóxido de carbono
0.63
Amoníaco
0.09
Hidrocarburos
2.1
Partículas
21
Monóxido de carbono
22
Partículas
75
Monóxido de carbono
85
Partículas
4.15
Fluoruros
0.20
Partículas
8.70
Fluoruros
0.20
Partículas
25.5
Fluoruros
0.10
Partículas
4.60
Fluoruros
0.25
Partículas
6.50
Fluoruros
0.25
Sinterización
Horno alto
Hornos Siemens-Martin a) Sin inyección de oxígeno
b) Con inyección de oxígeno
LD
Horno eléctrico a) Sin inyección de oxígeno
b) Con inyección de oxígeno
Página 49 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Metalurgia no férrea Este sector comprende como principales actividades: metalurgia del aluminio, metalurgia del cobre, y metalurgia del zinc y plomo. METALURGIA DEL ALUMINIO. El aluminio se obtiene por el proceso Hall-Héroult que consiste en la reducción, mediante ánodos de carbono, de alumina (Al2O3) disuelta (a unos 970°C), en una mezcla fundida de fluoruro de sodio y fluoruro de aluminio, de composición aproximada a la criolita (Na3AlF6). El revestimiento de las cubas es de carburo, y en el fondo, el aluminio líquido contenido, constituye el cátodo. La reacción en la cuba es: 3 C + 2 Al2O3 → 4 Al + 3 CO2 El tipo de ánodo caracteriza el sistema de fabricación, siendo los sistemas más usados: ánodos precocidos, ánodos Söderberg de tipo horizontal y ánodos Söderberg de tipo vertical, siendo este último sistema el más utilizado en España. La diferencia entre ellos radica en que, mientras que en las plantas de ánodos precocidos la cocción de éstos se realiza en hornos aparte utilizando fueloil como combustible, en el sistema Söderberg la cocción se efectúa directamente en la cuba por corriente eléctrica. Los principales contaminantes emitidos en el proceso de fabricación son fluoruros en formas de gas, partículas sólidas no fluoradas, monóxido de carbono, sulfuro de hidrógeno e hidrocarburos. En otros procesos son emitidos otros contaminantes: en la manipulación de materiales se emiten partículas (Al2O3, F3Al, ...); en el revestimiento de cubas, partículas e hidrocarburos; y en la preparación de pasta Söderberg, polvo de carbón e hidrocarburos. En la tabla 19 se indican los factores de emisión de los contaminantes de mayor importancia generados en el proceso: partículas y fluoruros. TABLA 19: Factores de emisión de contaminantes en la metalurgia del aluminio PROCESO
CONTAMINANTE
FACTOR (Kg/Tm)
Primera fusión
Partículas
39
Fluoruros
20
Partículas
2.15
Segunda fusión
Página 50 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
METALURGIA DEL COBRE. El cobre es obtenido, en su mayor parte, a partir de minerales sulfurados de baja ley, que son concentrados por gravedad y flotación antes de su tratamiento. La obtención del cobre requiere cuatro etapas: tostación, obtención de "mata", oxidación de ésta y refino. La primera etapa se realiza en hornos de solera múltiple o de lecho fluido, donde se elimina una parte del azufre; en la segunda se realiza una mezcla de cobre-hierro-azufre a través de la fusión en un horno; en la tercera, la oxidación de la mata es un convertidor; y, por último, el refino en dos fase, la segunda de ellas a través de un proceso electrolítico.
En este proceso, los principales contaminantes son partículas, humos y dióxido de azufre, reflejándose en la tabla 20 los factores de emisión.
TABLA 20: Factores de emisión de contaminantes en la metalurgia del cobre PROCESO
CONTAMINANTE
FACTOR (Kg/Tm)
Fabricación de cobre
Partículas
68
Dióxido de azufre
625
METALURGIA DEL PLOMO Y DEL ZINC. La producción de plomo a partir de minerales sulfurados se realiza en tres etapas: sinterización, reducción y refino. En la etapa de sinterización, a partir de los concentrados de plomo se produce óxido de plomo y dióxido de azufre, según la siguiente reacción:
2 PbS + 3 O2 → 2 PbO + 2 SO2
Por otro lado, la mayor parte del zinc se obtiene a partir de minerales de plomo y zinc. El zinc se extrae por evaporación selectiva en retortas y posterior condensación, o bien por medio de Página 51 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
lixiviación en ácido sulfúrico y posterior tratamiento electrolítico.
En la fabricación de plomo y zinc se producen grandes cantidades de SO2 en los procesos de sinterización y tostación. También hay que considerar las emisiones de polvo y humos que se producen en los hornos y en la manipulación del mineral. En las tablas 21 y 22 se muestran los factores de emisión de los contaminantes generados en estos procesos. TABLA 21: Factores de emisión de contaminantes en la metalurgia del plomo PROCESO
CONTAMINANTE
FACTOR (Kg/Tm)
Primera fusión
Partículas
298
Dióxidos de azufre
198
Partículas
95
Dióxidos de azufre
27
Segunda fusión
TABLA 22: Factores de emisión de contaminantes en la metalurgia del zinc PROCESO
CONTAMINANTE
FACTOR (Kg/Tm)
Primera fusión Tostación
Partículas
60
Dióxidos de azufre
550
Sinterización
Partículas
45
Horno horizontal
Partículas
4
Horno vertical
Partículas
50
Mufla
Partículas
24
Crisol
Partículas
23
Segunda fusión
Página 52 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Página 53 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Industria de cemento El proceso de fabricación de cemento comienza con el molido y secado de las materias primas, principalmente carbonato de calcio, sílice, aluminio y hierro, la mezcla de obtenida se introduce en un horno rotatorio para su calcinación. El producto calcinado llamado "clinker" se refrigera en un enfriador y se almacena para su posterior molienda y adición de yeso y aditivos para la preparación del cemento. Existen tres tipos de procesos: vía húmeda, semiseca y seca. Este último procedimiento es el más utilizado en España. Las principales emisiones de las fábricas de cemento son las partículas de distintos tamaños (como figura en la tabla 13, se estima que en España la contribución de este sector a la emisión de partículas es de un 32 por 100), siendo las fuentes de emisión más importantes: almacenamiento de materias primas, molino-secador de crudo, horno de calcinación, enfriador de clinker, molino de cemento, y almacenamiento y manipulación de cemento. En la tabla 23 se recogen los factores de emisión empleados normalmente para este tipo de instalaciones.
TABLA 23: Factores de emisión de contaminantes en la industria de cemento PROCESO
CONTAMINANTE
FACTOR
Hornos (vía seca)
Partículas
122 (Kg/Tm)
Óxidos de nitrógeno
3 (Kg/Tm de combustible)
Dióxido de azufre
14 (Kg/Tm de combustible)
Molinos (vía seca)
Partículas
48 (Kg/Tm)
Hornos (vía húmeda)
Partículas
144 (Kg/Tm)
Óxido de nitrógeno
3 (Kg/Tm de combustible)
Dióxido de azufre
14 (Kg/Tm de combustible)
Partículas
16 (Kg/Tm)
Molinos (vía húmeda)
Se puede lograr un cierto control de la emisión de polvo durante las operaciones del horno ajustando las condiciones del proceso de forma que el polvo permanezca en el interior del horno. Por otra parte se han desarrollado técnicas para la reintroducción en el horno de clinker del polvo recogido
Página 54 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
a través de los sistemas de captación.
Entre los sistemas de retención más utilizados se encuentran: precipitadores electrostáticos, electrofiltros, filtros de mangas, principalmente, tras un acondicionamiento previo en muchos casos:
MOLINO SECADOR. Los volúmenes de aire que se manejan en estos dispositivos son del orden de 1.000 a 3.000 m3/Tm de materias primas y la concentración de polvo en los gases de salida es del orden de 100 g/m3, lo que exige una depuración concienzuda. En el caso de hornos vía semi-húmeda, el gas puede depurarse mediante precipitadores electrostáticos; mientras que en los hornos vía seca, en los que el secado es más intenso, una vez acondicionada la temperatura y humedad en una torre de acondicionamiento, los gases se pasan por un electrofiltro.
HORNOS DE CALCINACIÓN. Los precipitadores electrostáticos son los equipos más utilizados en la depuración de los gases de los hornos de calcinación, presentando diversas dificultades en función del tipo de proceso de fabricación, siendo relativamente fácil en los sistemas vía húmeda (los gases están suficientemente húmedos, permitiendo una buena ionización), más complicado en los vía semi-húmeda (la temperatura del los gases debe ser del orden de 180°C), y necesitando un acondicionamiento previo (descenso de temperatura) en los de vía seca. En estas condiciones se consiguen rendimientos del orden del 99.9 por 100 y concentraciones de salida inferiores a 50 mg/m3.
ENFRIADOR DE CLINKER. Durante años se ha utilizado la depuración mecánica mediante multiciclones, pero las nuevas exigencias ambientales han hecho que se ensayen otras soluciones tales como los filtros de mangas, o filtros del tipo D.S.
MOLINO DE CEMENTO. Depuración con filtros de mangas.
Página 55 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Ilustr. 7 Proceso de fabricación de cemento
Página 56 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Industria química La industria química se caracteriza por la gran variedad de productos, procesos y residuos que se relacionan con ella, ampliándose casi de forma continua por la constante transformación de ésta. Teniendo esto en cuenta, es prácticamente imposible abordar este sector considerando la totalidad de las diferentes actividades comprendidas en el mismo, por lo que es preciso centrarse en algunos casos puntuales, que contribuyan significativamente a los procesos de contaminación atmosférica: la fabricación de ácido sulfúrico y ácido nítrico. FABRICACIÓN
DE ÁCIDO SULFÚRICO.
El ácido sulfúrico puede obtenerse por dos procesos, el de las
cámaras de plomo y el de contacto, siendo este último el más utilizado en la actualidad. La materia prima del proceso es el dióxido de azufre que se obtiene bien por la combustión del azufre, bien por la tostación de piritas. La fabricación de ácido sulfúrico por el procedimiento de contacto tiene dos variantes: absorción simple y doble absorción. En ambos casos el proceso se basa en la conversión de SO2, mediante un convertidor de uno o más lechos catalíticos, por regla general de platino o pentóxido de vanadio, en SO3 del que se obtendrá el ácido sulfúrico posteriormente por hidratación en las torres de absorción. La ilustración siguiente muestra el diagrama general del proceso de fabricación de ácido sulfúrico.
Ilustr. 8 Diagrama del proceso de fabricación de ácido sulfúrico
Página 57 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
El proceso requiere gases limpios y secos con una concentración del 7 al 10 por 100 de SO2. Los rendimientos de la conversión oscilan entre el 97 y el 99.5 por 100. Por lo que se refiere a los procesos contaminantes, la mayoría de las emisiones de las plantas de contacto se deben al gas de cola de la torre de absorción. El gas contiene SO2 sin reaccionar, SO3 no absorbido, nieblas de ácido sulfúrico y suspensiones ácidas. En la tabla 24 se indican los factores de emisión típicos de estas instalaciones. TABLA 24: Factores de emisión de contaminantes en la fabricación de ácido sulfúrico por proceso de contacto PROCESO
FACTOR (Kg/Tm)
Dióxido de azufre Plantas < 100.000 Tm/año
7
Plantas > 100.000 Tm/año
28
Doble catálisis y doble absorción
7
Nieblas Plantas < 100.000 Tm/año
3
Plantas > 100.000 Tm/año
4
Doble catálisis y doble absorción
FABRICACIÓN
DE ÁCIDO NÍTRICO.
4
La fabricación de ácido nítrico se realiza comercialmente por la
oxidación catalítica de amoníaco. Existen tres tipos de procesos: de alta presión, de baja presión y de concentración. Una corriente gaseosa, mezcla de aire y amoníaco, pasa a través de un catalizador de malla del tipo rodio-platino, que trabaja a unos 900°C, donde el amoníaco se oxida a nitrógeno. Posteriormente éste se enfría en un intercambiador de calor y los gases enfriados van a una torre de absorción de ácido nítrico. En el proceso, la principal emisión corresponde a los NOx contenidos en el gas de cola procedente de la torre de absorción. Este gas tiene un color pardo-rojizo, cuya intensidad depende de la concentración de NO2 presente. El factor de emisión estimado en este caso, para dicho contaminante, es de 26 Kg/Tm.
Página 58 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Industria papelera La obtención de pulpa de la madera requiere extraer la celulosa, disolviendo la lignina que enlaza las fibras. Los principales procesos usados por la industria papelera, con incidencia sobre el medioambiente atmosférico, son los dos siguientes: proceso Kraft y proceso al sulfito.
PROCESO KRAFT. El proceso Kraft es el de mayor utilización en la actualidad. La materia prima es la madera, que una vez lavada, descortezada y troceada, pasa a los digestores donde se cuece con una solución acuosa de hidróxido de sodio y de sulfuro sódico que disuelve la lignina. Cuando la cocción es completa el contenido del digestor se introduce en un tanque de soplado, donde la mayor parte del líquido (lejía de cocción), que contiene la lignina disuelta es drenada y la pulpa entre en la etapa inicial de lavado y, en algunas instalaciones, blanqueada. Los reactivos contenidos en la lejía de cocción se recuperan en un horno donde el licor negro se pulveriza y quema. Los componentes inorgánicos caen en el fondo del horno de donde se retira este fundido de sales y se disuelven en agua formando el líquido verde al que se añade hidróxido de calcio, dando lugar a la lejía blanca que, una vez sedimentada, filtrada y ajustada su concentración, se almacena y utiliza de nuevo en la digestión. Se producen emisiones de partículas, principalmente en el horno de recuperación, horno de cal y en el tanque donde se obtiene la lejía verde. El control de las partículas puede realizarse en los hornos de recuperación mediante un lavador ciclónico, o un evaporador de contacto directo más un electrofiltro, con lo que se puede lograr un rendimiento superior al 85 por 100. En los hornos de cal y tanques de lejía verde el control se suele llevar a cabo mediante lavadores. El olor característico de este proceso se debe a la emisión de SH2, siendo la fuente principal el evaporador de contacto directo en el que el sulfuro de sodio del líquido negro reacciona con el dióxido de carbono en la descarga del horno. También son agentes de olor ciertos componentes orgánicos de azufre emitidos esencialmente en los digestores, tanque de soplado y evaporadores de contacto directo. Los hornos de recuperación son emisores de SO2 y CO, y el horno de cal de CO.
PROCESO AL SULFITO. El proceso de tipo sulfito es similar al anterior excepto que utiliza diferentes reactivos químicos: se emplea el dióxido de azufre y el ácido sulfuroso, y para mantener la solución de la cocción bisulfito de sodio, magnesio, calcio o amonio.
Página 59 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Incineración de residuos.
Los problemas medioambientales asociados con el almacenamiento de residuos peligrosos en vertederos ha intensificado el estudio de métodos alternativos que permitan transformas dichos residuos en formas menos peligrosas, de forma rápida y segura. La incineración es el principal método alternativo para la eliminación de residuos peligrosos de naturaleza orgánica, que constituyen la porción mayoritaria de los mencionados residuos tóxicos. No obstante, la incineración es aplicable a todas las formas en que puedan presentarse los residuos orgánicos.
La incineración es un proceso controlado de oxidación realizado a elevadas temperaturas que convierte los elementos principales constitutivos de los compuestos orgánicos (carbono, hidrógeno y oxígeno) en CO2 y H2O. Por lo que respecta a las sustancias orgánicas, es preciso tener en cuenta que la naturaleza tóxica o peligrosa radica básicamente en la estructura molecular más que en los elementos que las constituyen, de modo que la destrucción de dicha estructura determina normalmente la desaparición de las propiedades de toxicidad o peligrosidad. No obstante, en los residuos a incinerar se detecta la presencia simultánea de elementos diferentes al carbono, oxígeno e hidrógeno, implicando la necesidad de controlar las emisiones generadas durante el proceso.
Existen diversos tipos de incineradores: de inyección líquida, de horno rotatorio, de hornos multihogar o de platos, de lecho fluido, catalíticos, pirolisis, etc, comentándose seguidamente los aspectos más destacados para algunos de ellos:
INCINERADORES DE INYECCIÓN LÍQUIDA. El residuo combustible se introduce "atomizado" en la cámara de combustión, mezclado con el aire, con el fin de incrementar la velocidad de vaporización favorecer la combustión. Habitualmente operan a un rango de temperaturas comprendido entre 850 y 1650°C. Son muy utilizados en la industria para la destrucción de residuos orgánicos líquidos.
Página 60 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
INCINERADORES DE HORNO ROTATIVO. Estos incineradores son unidades muy versátiles que virtualmente pueden utilizar cualquier tipo de residuo como combustible, si bien inicialmente fueron diseñados para incinerar sólidos y alquitranes que no pueden ser procesados en incineradores de inyección líquida. Consiste básicamente en una cámara cilíndrica revestida de material refractario que se monta horizontalmente con una ligera inclinación, presentando normalmente una relación longitud/diámetros entre 2:1 y 10:1 y con una velocidad de giro comprendida entre 1 y 5 r.p.m. . La temperatura de combustión oscila entre 850 y 1650°C, variando el tiempo de residencia de varios segundos a horas, dependiendo del tipo de residuo a incinerar. El movimiento del horno rotativo facilita la mezcla del combustible sólido con el aire para facilitar la combustión del residuo.
INCINERADORES DE LECHO FLUIDO. La tecnología de lecho fluido utilizada en la industria química y petrolífera ha sido adaptada para la incineración de residuos. El incinerador consiste en un lecho de arena caliente o alumina en el que se inyectan aire y el residuo a incinerar. El incinerador opera a una presión de cerca de 2 psig y a una temperatura comprendida entre 760 y 810°C. Se aplica principalmente en la eliminación de fangos y residuos pastosos. Las emisiones procedentes de las instalaciones de combustión pueden contener una amplia gama de contaminantes, dependiendo de la naturaleza de los residuos a incinerar y de las características del proceso de incineración. No obstante, las emisiones de mayor importancia corresponden a partículas, gases ácidos (tales como ClH, FH, y SO2), metales pesados (tales como mercurio, cadmio y plomo), así como ciertos compuestos orgánicos (dioxinas, furanos, hidrocarburos aromáticos, etc). La generación de contaminantes durante la incineración de residuos puede localizarse en diferentes puntos del proceso:
-
Durante la descarga, almacenamiento y la manipulación de los residuos a incinerar se
generan olores desagradables, y emisión de polvo, principalmente. -
La corriente de gas al atravesar la capa de residuos puede arrastrar hacia el exterior cenizas,
polvo, sustancias carbonizadas, etc. -
Los metales y compuestos metálicos pueden evaporarse en el horno para condensar al
enfriarse en la chimenea y generan un aerosol de partículas submicrónicas.
Página 61 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
-
El residuo puede incluir compuestos que contengan cloro, flúor, azufre, nitrógeno y otros
elementos que pueden determinar la generación de gases tóxicos y corrosivos. -
Los productos de pirolisis, que surgen durante la descomposición térmica de los residuos,
pueden contener CO, compuestos orgánicos volátiles tales como hidrocarburos aromáticos policíclicos, dioxinas y furanos, partículas de alquitrán y hollín.
Página 62 de 57 ©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.