MANUAL DE CONSULTAS DE FACTORES DE EMISIÓN

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1 MANUAL DE CONSULTAS DE FACTORES DE EMISIÓN 1

2 1. INTRODUCCION El presente documento contiene información recopilada tanto de trabajos nacionales como internacionales y tiene por objeto entregar algunas herramientas de evaluación de emisiones atmosféricas, a los Departamentos de Programas sobre Ambiente del país. Sin duda que la mejor evaluación en cuanto a las emisiones a la atmósfera y la caracterización de estas mismas, en cuanto a sus componentes gaseosos y sólidos, se realiza a través de la medición individual y directa en chimenea, o bien cuan es posible realizar un buen balance de masas. Sin embargo, estas mediciones requieren, por una parte, de un equipo humano calificado para la aplicación de una determinada metodología de medición, y por otra parte, de la instrumentación necesaria para tal efecto. Ambas condiciones desafortunadamente no son simples de obtener en los Servicio de Salud del país, razón por la cual, se debe usar las mejores herramientas disponibles al momento de realizar una evaluación de las emisiones de contaminantes a la atmósfera provenientes de las fuentes fijas. Como una buena herramienta de evaluación se puede usar los factores de emisión, sobre los cuales existe a nivel internacional suficiente información. Sin embargo, no siempre es posible contar a nivel nacional con las expresiones que permiten ajustar dichos factores de emisión a las condiciones y características típicas de funcionamiento de los equipos usados en nuestro país. Un claro ejemplo de lo anterior son los equipos de calefacción doméstica que utilizan leña como combustible. Sumado a lo anterior está el hecho de las diferencias en las materias primas o bien de combustibles que utilizamos en nuestros procesos. Debido a lo anterior, se hace necesario contar con factores de emisión más cercanos a nuestra realidad nacional, que nos permitan, minimizar en la medida de lo posible, los errores de cálculos que intrínsecamente posee el uso de los factores de emisión para el cálculo de emisiones totales. A continuación se reproduce en forma sintética una serie de información tanto nacional como internacional respecto de factores de emisión. Previamente a la presentación de los factores de emisión, el recopilador de la información considera necesario destacar dos hechos. El primero es que a pesar de que los factores de emisiones poseen una incertidumbre asociada, la cual puede sobre estimar las emisiones o bien subestimarlas, se puede asumir, sin mayor justificación, que los errores de subestimación y sobre estimación se verán compensados dentro del universo de fuentes fijas que se quiere evaluar, puesto que los factores de emisión son promedios obtenidos de un gran número de fuentes analizadas, por lo tanto, permiten obtener una buena representación de las emisiones al largo plazo, como por ejemplo anuales. El segundo hecho a destacar es que para el caso de la información nacional respecto de la combustión de leña en chimeneas de hogar abierto, salamandras, estufas y otros, las emisiones corresponden a mediciones realizadas en un equipo para cada tipo de ellos, de manera tal que los coeficientes de emisión obtenidos corresponden, a variaciones en la alimentación y operación de cada uno de los equipos, y no a mediciones en múltiples 2

3 equipos para cada categoría, sin embargo, dichos valores poseen la gran ventaja de corresponder a datos obtenidos de equipos nacionales usados con leña y condiciones típicas a las empleadas en nuestro país. Adicionalmente a lo señalado en el último párrafo, es importante destacar que el presente manual de consulta corresponde a la primera de dos etapas. La segunda de ellas, ha finalizarce en el primer semestre de 1999, consistirá en la inclusión en este manual, de factores de emisión para procesos. 3

4 Para efectos de un buen entendimiento y utilización de los factores de emisión más adelante entregados, Se entenderá como factor de emisión 1 aquel valor promedio que relaciona la cantidad de un contaminante liberado a la atmósfera con la actividad asociada a la liberación de este contaminante, y se expresa generalmente como el peso del contaminante dividido por una unidad de peso o volumen. Así por ejemplo, si el coeficiente de emisión para NO x de una caldera que combustiona acite N 6 (fuel oil N 6), es 6.6 kg/m 3, significa que se emiten 6.6 kilogramos de NO x por cada metro cúbico de aceite N 6 combustionado en la caldera. 1 Ecuación General E = A * F e Donde E, es la emisión, A es la taza de actividad y F e es el factor de emisión. Todos los factores de emisión entregados en el presente documento corresponden a factores de emisión sin equipos ni tecnologías de abatimiento de contaminantes en las fuentes. Sin embargo, es posible recalcular las emisiones para aquellos equipos que tengan tecnologías de abatimiento, si es que se conoce la eficiencia de dichas tecnologías para cada contaminante en particular. Lo anterior, es muy simple de hacer si se aplica la formula siguiente: E = A * F e * (1 - RE/100) Donde RE, es el factor de eficiencia de reducción del contaminante. 4

5 Con el objeto de facilitar la utilización de los factores de emisión, estos serán presentados en tablas de acuerdo al combustible, y los distintos equipos que lo utilicen, sin embargo, es importante enfatizar que los factores de emisión corresponden a los equipos. 2. LEÑA 2.1 Calefactores Domésticos En nuestro mercado hay disponible diversos tipos de calefactores domésticos, que utilizan leña como combustible. De éstos se midieron los siguientes equipos para la determinación de los factores de emisión por tipo de calefactor. i) Estufas de Doble Cámara: Poseen una cámara tradicional de quemado que es complementada con una cámara de postquemado, normalmente instalada en la parte superior. Esta segunda cámara tiene por propósito quemar los condensables y el monóxido de carbono. Existen dos diseños para el ingreso del aire primario, uno considera el precalentamiento del aire de combustión a través de la segunda cámara, el otro diseño considera el ingreso de aire primario por la parrilla sin previo calentamiento. ii) Salamandras: En este caso se utilizó equipos con carga vertical y horizontal (frontal y lateral). iii) Estufa simple: Son aquellas similares a las de doble cámara con la diferencia que la combustión se realiza sólo en una cámara principal. iv) Chimenea de hogar abierto. Los factores de emisión de los equipos arriba identificados fueron obtenidos de la aplicación de la metodología estandarizada para estos fines, considerando que en todas las medidas se utilizó leña de eucaliptus con dos humedades extremas, fijadas en un 15% y 35%. Adicionalmente la operación de los calefactores se realizó en condiciones distintas que incluyeron variación de tamaño de palo, cantidad de leña quemada, exceso de aire y tiraje. La tabla N 1, presenta los coeficientes para la combustión de leña en una estufa de doble cámara. Bajo la columna Concentración Media, expresada en mg/m 3 N, se entregan los valores medidos en la salidad de gases de la estufa. Esta valor es sólo referencial y para 5

6 efectos de cálculo de las emisiones se debe usar los valores entregados en las columnas denominadas mínimo, máximo o promedio, según el criterio del evalador. Tabla NE1. Coeficientes de Emisión para estufas de Doble Cámara * Contaminante Concentración Media [mg/m 3 N] Emisiones [gr/kg leña] Mínimo Máximo Promedio PTS CO NOx SO 2 nd CH HC no metan HAP Aldehídos T. ** Formaldehído * Leña eucaliptus con un 15% humedad ** Concentración expresada como formaldehído. nd: no detectado En la Tabla N 2, se presenta los resultados obtenidos de la combustión de leña con distinto contenido de humedad, en un chimenea con doble cámara de combustión. De los valores es posible observar el impacto, en cuanto a las tasas de emisión de algunos contaminantes, que produce un moderado aumento en la humedad llegando a triplicar las emisiones. Las tasa de quemado se refieren a los kilos de leña consumida por hora de funcionamiento. 6

7 Tabla NE2. Coeficientes de emisión para leña con diferente contenido de humedad. Humedad leña % (base seca) Emisiones gr/hr Partículas CO NOx Tasa de quemado [Kg/hr] Tabla NE 3. Coeficientes de Emisión para Salamandra con carga frontal * Contaminante Concentración Media [mg/m 3 N] Emisiones Medias [gr/kg. leña] Leña Seca + Leña Húmeda ++ Leña Seca Leña Húmeda PTS CO NOx SO 2 nd nd - - CH HC no metan HAP Aldehídos T. ** Formaldehído * Leña eucaliptus ** Concentración expresada como formaldehído. + Leña con un 15% de humedad. ++ Leña con un 35% nd: no detectado 7

8 Tabla NE 4. Coeficientes de Emisión para Salamandra con carga vertical * Contaminante Concentración Media [mg/m 3 N] Emisiones Medias [gr/kg. leña] Leña Seca + Leña Húmeda ++ Leña Seca Leña Húmeda PTS CO NOx SO 2 nd nd - - CH HC no metan HAP Aldehídos T. ** Formaldehído * Leña eucaliptus. ** Concentración expresada como formaldehído. + Leña con un 15% de Humedad ++ Leña con un 35% de Humedad. nd: no detectado Tabla NE 5. Coeficientes de Emisión para Estufa Simple * Contaminante Concentración Media [mg/m 3 N] Emisiones Medias [gr/kg. leña] Leña Seca + Leña Húmeda ++ Leña Seca Leña Húmeda PTS CO NOx SO 2 nd nd - - CH HC no metan HAP Aldehídos T. ** Formaldehído * Leña eucaliptus. ** Concentración expresada como formaldehído. + Leña con un 15% de Humedad ++ Leña con un 35% de Humedad. nd: no detectado 8

9 Tabla NE 6. Coeficientes de Emisión para Chimenea Hogar abierto * Division de Salud Ambiental Contaminante Concentración Media [mg/m 3 N] Leña Seca + Emisiones Medias [gr/kg. leña] Leña Seca PTS CO nd - NOx SO 2 nd - CH HC no metan HAP Aldehídos T. ** Formaldehído * Leña eucaliptus. ** Concentración expresada como formaldehído. + Leña con un 15% de humedad nd: no detectado. 2.2 Hornos de Panaderías Los factores de emisión obtenidos para los hornos de panadería, corresponden a las mediciones de tres hornos de tipo continuo (indirecto), y tres hornos tipo chileno, que realizó, INTEC CHILE Instituto de Investigaciones Tecnológicas, dentro del Proyecto de "Determinación de las Emisiones Provenientes de la Quema de Leña en el Area de Santiago", encargado por la Comisión Nacional de Energía. La table N 7, presenta los coeficientes de emisión para horno continuo y horno Chileno. 9

10 Tabla NE 7. Coeficientes de Emisión para Hornos de Panadería * Contaminante Horno continuo Emisiones Medias [gr/kg. leña] Horno chileno PTS CO 37.3 nd NOx SO 2 nd nd COV HAP Aldehídos T. ** Formaldehído * Leña eucaliptus. ** Concentración expresada como formaldehído. + Leña con un 15% de Humedad ++ Leña con un 35% de Humedad nd: no detectado Division de Salud Ambiental 2.3 Calderas Otros de los equipos, muy utilizados en nuestro país, que combustionan leña son las calderas para generar agua caliente o generar vapor. A continuación se presentan los factores de emisión para la combustión de leña y corteza para dichos equipos. Tabla N 8. Coeficientes de emisión para combustión de leña y/o corteza en Calderas. 10

11 Combustible Material Particulad o Material Particulad o PM 10 Factores de Emisión SO 2 Division de Salud Ambiental NO 2 CO COT Leña a 4.4 s/d Leña y s/d Corteza a Corteza a s/d a : Los factores indicados están en base húmeda, asumiendo un promedio de humedad de 50% del peso. Para calcular las emisiones con mayor o menor contenido de humedad se debe multiplicar el factor que aparece en la tabla por la siguiente expresión: (100-H)/50, donde H corresponde al porcentaje de humedad. s/d: Sin datos. COT: Compuestos Orgánicos Totales. 3. Carbones Una forma general de clasificar los carbones es mediante su contenido de material volátil, cantidad de carbón fijo, humedad y oxigeno. Típicamente la clasificación se hace mediante la cantidad de carbón fijo. Los carbones bituminosos son un grupo grande que se caracteriza por tener un contenido bajo de carbón fijo y un alto contenido de material volátil, por otro lado los carbones subituminosos, se caracterizan por tener alta humedad y bajo contenido de material volátil así como de azufre. Las emisiones asociadas a la combustión de carbón tienen estrecha relación con la forma de combustionarlo. Lo anterior obliga a caracterizar los equipos en que usualmente se combustiona el carbón, como lo son las calderas. Las calderas se pueden distinguir por el método de transferencia de calor, por la forma de la superficie intercambiadora de calor y por la forma en que se realiza la combustión. Siendo, esta última la que tiene mayo injerencia en las emisiones producto de la combustión del carbón. La tabla siguiente (tabla N 9), muestra los factores de emisión para la combustión de carbón bituminoso y subituminoso en distintos tipos de calderas. 11

12 Tabla N 9. Factores de Emisión para combustión de carbón en calderas. Configuración de quemado Carbón pulverizado, fondo seco Carbón pulverizado, fondo húmedo Carbón pulverizado, ciclón Alimentador extendido SO 2 19*S (17.5*S) 19*S (17.5*S) 19*S (17.5*S) 19*S (17.5*S) NO x (18.63) 17 (17) 16.9 (16.9) 3.75 (3.75) Factores de Emisión CO 0.25 (0.25) 0.25 (0.25) 0.25 (0.25) 3 (3) Material Particulado 5*A (5*A) 3.7*A (3.7*A) 1*A (1*A) 4.5 (4.5) Material Particulado PM *A (1.15*A) 1.3*A (1.3*A) 0.13*A (0.13*A) 2.5 (2.5) Cama fluidizada f 1.95 (1) 7.6 (2) 9 (9) 8.5 (8.5) 6.2 (6.2) ( ): Los valores contenidos entre paréntesis corresponden a los factores de emisión para carbón subituminoso. S: Corresponde al contenido de azufre del carbón. Si por ejemplo, el carbón contiene un 1.2% de azufre, entonces S= 1.2, debiendose multiplicar la cantidad que precede a S por 1.2. f: Los factores de emisión para calderas con cama fluidizada son función del contenido de azufre y de la relación calcio- azufre, por lo que es necesario utilizar la siguiente formula Kg SO 2 /Ton de carbón = 19.8*(S)*(Ca/S) -1. Donde Ca/S es la relación molar entre el calcio y el azufre. (1): Corresponde al factor, tanto para carbón bituminoso como subituminoso, para cama fluidizada circulante. (2): Corresponde al factor, tanto para carbón bituminoso como subituminoso, para cama fluidizada de burbujas. A: Corresponde al porcentaje de ceniza del carbón. Si por ejemplo, el carbón contiene un 8% de ceniza, entonces A= 8, debiendose multiplicar la cantidad que precede A por 8. 12

13 4. Aceites combustibles (fuel oil) Dos son las categorías principales de los aceites combustibles. Una de ellas es la categoría de aceites destilados, y la otra es denominada aceites residuales. Adicionalmente, los aceites se clasifican por su grado, correspondiendo los grados N 1 y N 2, para los aceites destilados y los grados N 5 y N 6, para los residuales, existiendo los aceites grado N 4, que corresponden a aceites que pueden ser destilados, o bien, una mezcla de aceite destilado con residual. El aceite grado N 6 usualmente es denominado Bunker C. Los aceites destilados son más volátiles y viscosos que los residuales, teniendo contenidos de nitrógeno y ceniza muy bajos y usualmente contenidos de azufre inferiores a 0.3 % en peso. Otros de los aceites que corresponden al grupo de los destilados son el kerosen y el diesel, ambos muy usados a nivel de la pequeña empresa y nivel doméstico. Debido a que los aceites residuales son obtenidos del proceso de fraccionamiento del crudo, contienen cantidades significativas de cenizas, nitrógeno y azufre. Los principales equipos que utilizan aceites combustibles son las calderas, tales como: calderas acuotubulares (de tubos de agua) y calderas igneotubulares (de tubos de humos). La siguiente tabla presenta los factores de emisión de contaminantes correspondientes al grado del aceite combustionado en calderas. 13

14 Tabla N 10. Factores de Emisión para combustión de aceites en calderas Calderas de uso Industrial + sobre 10 6 BTU/hr SO 2 [Kg/m 3 ] NO x [Kg/m 3 ] Factores de Emisión CO (a) [Kg/m 3 ] Material particulado [Kg/m 3 ] COT [Kg/m 3 ] Grado N *S *S Grado N *S Grado N 4 18*S Grados N 1 y N *S Calderas de uso comercial * bajo 10 6 BTU/hr. Grado N *S *S Grado N *S Grado N 4 18*S S: Corresponde al contenido de azufre del aceite. Si por ejemplo, el aceite contiene un 1% de azufre, entonces S = 1, debiendose multiplicar la cantidad que precede a S por 1 (a): las emisiones de CO pueden incrementarse en un facto 10 o 100, si es que el equipo es operado inapropiadamente o mal mantenido. + : Otra forma de calificación puede ser a través del caudal de gases. Se entiende por caldera industrial aquellas con un caudal superior a 1000 m 3 /hora. * : Otra forma de calificación puede ser a través del caudal de gases. Se entiende por caldera comercial aquellas con un caudal inferior a los 1000 m 3 /hora. 5. Gases 5.1 Gas natural El gas natural consiste principalmente en un alto porcentaje de metano (sobre 85%), y una cantidad variable de etano, propano, butano e inertes tales como; nitrógeno, dióxido de carbono y helio). Es considerado el más limpio de los combustible fósiles y las emisiones debido a su combustión en calderas y hornos se caracterizan por contener óxidos de 14

15 nitrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y trazas de dióxido de azufre, material particulado y compuestos orgánicos. El gas natural al igual que los aceites es principalmente combustionado en calderas, razón por la cual, la siguiente tabla presenta los factores de emisión para la combustión de gas natural en calderas de tipo comercial e industrial. Tabla N 11. Factores de Emisión para combustión de gas natural en calderas. Tipo de caldera Factores de emisión SO 2 [Kg/10 6 m 3 ] NO x [Kg/10 6 m 3 ] CO [Kg/10 6 m 3 ] Material Particulado PM 10 [Kg/10 6 m 3 ] COT [Kg/10 6 m 3 ] Caldera de uso Industrial > de BTU/hr Caldera de uso Industrial a BTU/hr Caldera de uso comercial a 10 6 BTU/hr Caldera uso Residencial, menos de BTU/hr Gas corriente (LPG). El gas corriente o gas licuado de petroleo (LPG), consiste principalmente de propano, propileno, butano y butileno. El gas usado comúnmente en domicilios está compuesto en su mayor parte por propano, existiendo tres categorías de gas: grado comercial propano, gas para motores propano y grado comercial butano, presentando este último un mayor poder calorífico (aproximadamente un 8% más que el grado comercial propano). El gas LPG, al igual que el gas natural presenta ventajas comparativas respecto de la emisiones de contaminantes atmosféricos debido a su combustión, siendo los contaminantes NO x y CO los más significantes, sin embargo, las emisiones derivadas de la combustión de gas son bastante inferiores al compararlas con otros combustibles fósiles. Al igual que los otros combustible aquí señalados, los principales equipos de combustión 15

16 de gas LPG son las calderas de calefacción e industriales. La siguiente tabla presenta los factores de emisión para la combustión de gas LPG en calderas. Tabla N 12. Factores de Emisión para combustión de gas LPG en calderas. Tipo de caldera y composición de gas. SO 2 NO x Factores de emisión CO Material Particulado PM 10 COT Caldera de uso Industrial a BTU/hr. Gas Butano Caldera de uso comercial a 10 6 BTU/hr. Gas Butano Caldera de uso Industrial a BTU/hr. Gas Propano Caldera de uso comercial a 10 6 BTU/hr. Gas Propano 0.011*S *S *S *S S: Corresponde al contenido de azufre en el gas expresado en gr/m 3. Si por ejemplo, el contenido de azufre es de 0.06 gr/m 3, entonces S = Aceites usados (lubricantes) Los aceites usados corresponden principalmente a aceites de motores de vehículos, maquinaria pesada y lubricantes industriales. Ellos son generados como residuos una vez que pierden sus características físicas o bien han sido contaminados por las superficies con las que entran en contacto. Otra fuente menor de generación de estos aceites son los sistemas de calefacción que utilizan aceites para la transición de calor por conducción y convección. Los equipos que utilizan aceites usados como combustible son muy variados, sin embargo, las calderas, las plantas de asfalto y los hornos de cemento son algunos de los equipos 16

17 y procesos en que se combustionan. Debido a que la información sobre los coeficientes de emisión para aceites usados es escasa, sólo se presentan en la tabla siguiente aquellos factores para la combustión de aceites usados en calderas. Tabla N 13. Factores de Emisión para combustión de aceite usado en calderas. Equipo Factores de emisión CALDERA SO 2 NO x CO Material Particulado PM 10 COT 17.6*S *A 0.12 S: Corresponde al contenido de azufre en el aceite. Si por ejemplo, el contenido de azufre es 3.4%, entonces S = 3.4. A: corresponde al contenido de ceniza en el aceite. Si por ejemplo, el contenido de ceniza es 5%, entonces A=5. 17

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