U1.2 - TECNOLOGÍAS PARA EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

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1 U1.2 - TECNOLOGÍAS PARA EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA 1. INTRODUCCIÓN 2. ACCIONES CORRECTORAS PROCESOS DE ABSORCIÓN PROCESOS DE ADSORCIÓN PROCESOS DE COMBUSTIÓN CAPTACIÓN DE PARTÍCULAS 3. TECNOLOGÍAS PARA LA DEPURACIÓN DE GASES CONTAMINANTES 1 INTRODUCCIÓN: El principio básico de la política de protección del medio ambiente es el de prevención. Este principio rector de la actuación medioambiental se traduce, respecto a la salvaguarda de la calidad del aire, en minimizar las emisiones a la atmósfera de sustancias contaminantes. También se conoce como la estrategia de reducción en origen. Se trata de abandonar la actitud tradicional de reaccionar ante los problemas de la contaminación después de que hayan salido y sustituirla por la de prevenir estos problemas y evitar que se produzcan. Las ventajas de este enfoque son bastante evidentes y comportan además de un ahorro de recursos, evitar los daños que, en algunos supuestos, pueden tener incluso carácter irreversible. La adopción de medidas preventivas y la racionalización del uso de los recursos puede hacer compatibles estas dos aspiraciones de la sociedad humana. Las medidas de prevención de la contaminación atmosférica se basan fundamentalmente en: Un conocimiento científico y técnico correcto y exhaustivo de la problemática de la contaminación atmosférica desde todos los puntos de vista: sustancias contaminantes, focos emisores, procesos y técnicas industriales y efectos de los contaminantes. Un análisis correcto de las variables económicas que permita un desarrollo adecuado de los factores implicados en los procesos de contaminación atmosférica: industrias, zonas urbanas, etc. Un conocimiento meteorológico exhaustivo, en especial de la capa fronteriza, entre 0 y 100 metros aproximadamente. Una tarea de sensibilización ciudadana y educación ambiental dirigida a todos los estamentos sociales: escolares, adultos, técnicos, administradores, empresarios, etc. Una legislación adecuada que regule la problemática ambiental. \Una estructura administrativa que coordine todos los aspectos implicados en la gestión del medio ambiente. Ing. Ines Micaela Santana- Cátedra Fundamentos de Ingeniería Ambiental (V1.1) Área Ing. Qca. 1

2 Como acciones preventivas de la contaminación atmosférica, se pueden destacar los mapas de vulnerabilidad y capacidad del territorio, la planificación urbanística, los estudios de evaluación de impacto ambiental, las medidas preventivas urbanas y el ahorro energético. También son importantes los sistemas de vigilancia y las medidas derivadas de los principios básicos, como son los estudios económicos y unas estructuras jurídicas y administrativas adecuadas. La vigilancia de la contaminación atmosférica se lleva a cabo mediante las redes de vigilancia y previsión de la contaminación atmosférica. La red es un conjunto de aparatos de medida de los diferentes contaminantes que proporcionan los datos de los niveles de emisión comunicados con unos centros de análisis y coordinación. La comunicación de la red automática se realiza vía radio o teléfono y la gestión de los datos está totalmente informatizada. Esta red se extiende según las necesidades que se manifiesten en los diferentes puntos o zonas que se encuentren sometidos a algún problema relacionado con la contaminación atmosférica, ya sea de origen industrial, doméstico o proceda del tránsito rodado. Como su nombre indica, el objetivo principal de esta red es vigilar la contaminación atmosférica y mediante los resultados de las medidas que se obtienen, realizar las actuaciones necesarias para solucionar los problemas originados por la contaminación. Para alcanzar unos niveles de calidad del aire conformes con las exigencias de la calidad de vida de los ciudadanos, no es suficiente la actuación de los poderes públicos. Los productores, usuarios y consumidores deben adoptar unas pautas de comportamiento lo más ajustadas posibles a los requerimientos que reclama la protección de un recurso natural tan básico como es el aire. Cuando las medidas preventivas no se pueden llevar a cabo o su aplicación no es posible desde el punto de vista económico se recurre, para limitar la descarga de contaminantes a la atmósfera, a acciones correctivas que pueden ser de dos tipos: Concentrar y retener los contaminantes con equipos adecuados de depuración que producen residuos sólidos o líquidos que contaminarán los suelos y el agua si no se planifica un tratamiento adecuado de estos residuos y, además, con el inconveniente de que estos equipos depuradores consumen recursos naturales y energía. Expulsar los contaminantes por medio de chimeneas suficientemente altas para que la dilución evite concentraciones elevadas a nivel del suelo. Este procedimiento, si bien atenúa los problemas de contaminación desde el punto de vista local, puede producir problemas en lugares alejados de las fuentes de emisión. Para conseguir grados de protección ambiental adecuados a costes razonables, el sistema de depuración será, por lo general, una combinación de tales medidas. En cualquier caso, es necesario, tener en cuenta a la hora de abordar el problema de control de contaminantes dos aspectos principales: los condicionamientos ambientales y las consideraciones económicas. Ing. Ines Micaela Santana- Cátedra Fundamentos de Ingeniería Ambiental (V1.1) Área Ing. Qca. 2

3 2 ACCIONES CORRECTORAS: Proceso de absorción Basan su funcionamiento en el hecho de que los gases residuales están compuestos de mezclas de sustancias en fase gaseosa, algunas de las cuales son solubles en fase líquida. En el proceso de absorción de un gas, el efluente gaseoso que contiene el contaminante a eliminar se pone en contacto con un líquido en el que el contaminante se disuelve. La transferencia de materia se realiza por el contacto del gas con el líquido en lavadores húmedos o en sistemas de absorción en seco. Proceso de adsorción Una alternativa a los sistemas de absorción por líquido lo constituye la adsorción de los contaminantes sobre sólidos. En los procesos de adsorción los gases, vapores y líquidos se retienen sobre una superficie sólida como consecuencia de reacciones químicas y/o fuerzas superficiales. Se produce una difusión desde la masa gaseosa hasta la superficie externa del sólido y de las moléculas del gas dentro de los poros de sólido seguida de la adsorción propiamente dicha de las moléculas del gas en la superficie del sólido. Los sólidos más adecuados para la adsorción son los que presentan grandes relaciones superficie-volumen, es decir, aquellos que tienen una elevada porosidad y área superficial para facilitar el contacto sólido-gas: tierra de Fuller, bauxita, carbón activado, alúmina activada, tamices moleculares, etc. Periódicamente, es necesaria la sustitución o regeneración del adsorbente para que su actividad no descienda de determinados niveles. Proceso de combustión La combustión constituye un proceso apropiado par la eliminación de compuestos orgánicos transformándolos en dióxido de carbono y vapor de agua y también es válido para determinadas sustancias inorgánicas. Tipos de combustión: Espontánea. Cuando se trata de eliminar gran parte de los gases que son tóxicos que tienen olores fétidos, la combustión ha de realizarse a alta temperatura y con tiempo de retención controlado, por lo que el coste de combustible puede ser elevado. Procesos catalíticos. Con el fin de realizar la combustión a temperaturas más bajas, suele utilizarse la combustión en presencia de un catalizador, por lo general un metal de transición depositado en una matriz de alúmina. Este tipo de combustión suele emplearse en la eliminación de trazas de compuestos que contienen fenoles, formaldehído, azufre, etc. Un problema que presenta la combustión catalítica es la del envenenamiento del catalizador por algunas sustancias en forma de partículas. Ing. Ines Micaela Santana- Cátedra Fundamentos de Ingeniería Ambiental (V1.1) Área Ing. Qca. 3

4 CAPTACIÓN DE PARTÍCULAS Según el principio en que se basa el proceso de separación de las partículas, pueden establecerse los siguientes tipos de equipos de depuración: colectores, precipitaciones electrostáticas, filtros de mangas, lavadoras y absorbedores húmedos. Colectores inerciales. Ciclones Definición: Los ciclones son colectores centrífugos en los que la entrada de aire es tangencial al cuerpo del cilindro, de esta manera se fuerza a las partículas a dirigirse hacia las paredes, donde perderán su energía y caerán a un colector o tolva situado en la parte inferior del cuerpo. Están formados básicamente por un recipiente cilíndrico vertical donde se introduce tangencialmente el gas portador, cargado de partículas de polvo. La corriente se desvía en círculo y por efecto de la fuerza centrífuga, las partículas se lanzan al exterior al formar la mezcla gaseosa un remolino vertical descendente. Esta corriente en espiral del gas cambia de dirección al llegar al fondo del recipiente y sale por el conducto situado en el eje. Los ciclones son dispositivos útiles y baratos para la captación en seco de polvo ligero o grueso. Sin embargo, la eficiencia de captación de estos equipos es muy baja, sobre todo, en la eliminación de partículas pequeñas, por lo que su utilización se reduce, por lo general, a desempolvado previo al paso de los gases por un sistema más eficaz. Precipitadores electrostáticos Definición : El precipitador electrostático es un dispositivo utilizado para la descontaminación del aire que utiliza las fuerzas eléctricas para la remonición de la fracción sólida de un efluente, dirigiéndo las particulas hacia las placas del colector. Las partículas se cargan mediante el choque con iones gaseosos creados por la ionización del aire creado entre los electrodos, tras la carga las partículas siguen las líneas de campo producidas por el alto voltaje hasta la superficie del electrodo colector. Las partículas deben ser eliminadas de las placas y recolectadas en una tolva, evitando que se reencaucen en la corriente gaseosa Ing. Ines Micaela Santana- Cátedra Fundamentos de Ingeniería Ambiental (V1.1) Área Ing. Qca. 4

5 Los precipitadores electrostáticos basan su principio de funcionamiento en el hecho de cargar eléctricamente las partículas, para una vez cargadas someterlas a la acción de un campo eléctrico que las atrae hacia los electrodos que crean el campo, depositándose sobre ellos. Los precipitadores más utilizados a escala industrial son los de diseño de etapa única, por su gran capacidad de tratar gases con concentraciones de polvo muy altas. Estos precipitadores pueden separar cualquier tipo de sustancia en forma de partículas, alcanzando eficacias superiores al 99%, siempre que la resistividad eléctrica de las partículas no sea demasiado alta, en este caso será necesario acondicionar la corriente gaseosa con la adición de determinados productos. Filtros industriales Definicion: Los filtros son materiales porosos a través de los cuales se hace pasar una corriente gaseosa cargada de partículas, que quedarán retenidas en el filtro. La mayoría de los filtros de tela tienen un tamaño de poro bastante grande en relación con las partículas que se quieren eliminar, pero el poder de filtración radica en la acumulación de partículas en la superficie del filtro, que forma una torta que colabora fuertemente en el poder de retención de partículas. El sistema de filtros consiste en hacer pasar una corriente de gases cargados con partículas de polvo a través de un medio poroso donde queda atrapado el polvo. El Ing. Ines Micaela Santana- Cátedra Fundamentos de Ingeniería Ambiental (V1.1) Área Ing. Qca. 5

6 filtro de mangas ha sido uno de los más utilizados durante los últimos años, ya que pueden tratar grandes volúmenes de gases con altas concentraciones de polvo. Con este tipo de equipos pueden conseguirse rendimientos mayores del 99%, independientemente de las características de gas, haciendo posible la separación de partículas de un tamaño del orden de 0.01 micras. Conforme pasa el gas, la capa de polvo depositado sobre el material filtrante, que colabora en el proceso de interceptación y retención de partículas de polvo, se va haciendo mayor, aumentando la resistencia al flujo y la pérdida de carga, lo que obliga a disponer de mecanismos para la limpieza automática y periódica del filtro. Hoy en día, el filtro cerámico ha adquirido una mayor importancia en los procesos de depuración de gases. La eficacia filtrante de este tipo de filtros es muy cercana al 100%, excepto si las partículas son de tamaño submicrónico en su mayor parte, o el tamaño del gránulo o fibra que forman el filtro cerámico es grande. Lavadores y absorbedores húmedos Definicion:Una torre de lavadora o de limpieza húmeda es un dispositivo de control de la contaminación del aire que remueve material particulado y gases ácidos de las corrientes de gases residuales de fuentes fijas. Se centra en la eliminación de partículas sólidas La separación se realiza por medio de una corriente liquida pulverizada (gotas), que es inyectada dentro de una cámara por donde circulan el gas contaminado. Las partículas se ven arrastradas por la corriente líquida hacia la parte inferior del equipo, que será posteriormente recogido y tratado. El contacto de las partículas con el medio líquido puede efectuarse de diversos modos, el equipo más común es el equipo tipo Venturi. La eficacia depende del grado de contacto e interacción que tengan las partículas con el líquido; es por ello que es muy importante la atomización del líquido y un adecuado tiempo de contacto. Los lavadores logran buenas eficiencias de captura Los lavadores y absorbedores húmedos son equipos en los que se transfiere la materia suspendida en un gas portador a un líquido absorbedor en la fase mezcla gas-líquido, debido a la colisión entre las partículas de polvo y las gotas de líquido en suspensión en el gas. Ing. Ines Micaela Santana- Cátedra Fundamentos de Ingeniería Ambiental (V1.1) Área Ing. Qca. 6

7 Equipo Precipitadores electrostáticos Torres empacadas Filtros de papel Filtros de tela Lavadores de gases Separadores centrífugos Cámaras de sedimentación Rango de partículas que atrapa en micras 0.01 a a a a a a a TECNOLOGÍAS PARA LA DEPURACIÓN DE GASES CONTAMINANTES: Combustión en lecho fluidizado La energía eléctrica se produce en centrales térmicas y la mayoría de ellas queman carbón como combustible, lo cual genera muchos problemas ambientales, por lo que se han desarrollado Tecnologías de uso limpio del carbón. De esta forma se ha llegado a la tecnología de combustión en lecho fluido que además de lograr buenos parámetros medioambientales, se consigue un incremento en el rendimiento del proceso de producción de energía eléctrica. Este rendimiento se consigue por la expansión de los gases de combustión en una turbina de gas que se integra en un ciclo combinado con la turbina de vapor. La principal ventaja de esta nueva tecnología es la posibilidad de reducir en el propio proceso de combustión el dióxido de azufre formado a partir del contenido de azufre del combustible. Es posible quemar carbones con alto contenido en azufre consiguiendo niveles de emisión de SO2 por debajo de los límites impuestos por la legislación ambiental, sin la necesidad de utilizar equipos adicionales de desulfuración. Debido a las bajas temperaturas de combustión (860ºC) se puede añadir al lecho un material absorbente barato, como caliza o dolomía, que permite fijar el azufre del combustible en el proceso de combustión. Depuración de los gases de chimenea La producción de energía eléctrica por combustión a altas temperaturas de combustibles fósiles, utilizando aire como comburente, produce gases que contienen óxidos de nitrógeno (NOx) y óxidos de azufre (SO 2 ). Estos gases, emitidos a la atmósfera, pueden ocasionar daños al ecosistema y son muy agresivos por su carácter Ing. Ines Micaela Santana- Cátedra Fundamentos de Ingeniería Ambiental (V1.1) Área Ing. Qca. 7

8 ácido, por ello es necesario controlar las emisiones de estos gases a partir de una serie de tratamiento para la eliminación tanto de los NOx, como del SO 2. Desulfuración de los gases de combustión: La legislación medioambiental ha endurecido los límites de emisión de SO 2 de las grandes instalaciones de combustión en la Unión Europea, lo que afecta sobre todo a las centrales térmicas. Por ello, la elección de la tecnología de desulfuración de los gases de combustión es de la máxima importancia en una central térmica. La eliminación de SOx de los gases de combustión puede llevarse a cabo mediante la utilización de absorbedores húmedos (columnas de relleno o de platos) en los que se transfiere el contaminante de la fase gas a la fase acuosa. En estos equipos, debido a la alta superficie de contacto entre gas y líquido, se consigue una alta eficiencia. Otro tipo de proceso de desulfuración de los gases de chimenea es la tecnología de la caliza húmeda, en el que se convierte el SO 2 de los gases de chimenea en yeso. Se consigue un alto grado de desulfuración. Otra nueva tecnología sería un proceso biológico de desulfuración de gas de chimenea, mediante el cual al final del proceso, el SO 2 de los gases de chimenea se convierten en azufre puro. Se consiguen rendimientos de hasta un 98%. Reducción de los NO X con NH 3 : La creciente contaminación por los NOx (NO y NO 2 ) ha decidido a las naciones más avanzadas industrialmente a limitar las emisiones por focos emisores fijos. Para el control de las emisiones de NOx se utilizan técnicas que pueden agruparse en dos tipos principales: Ing. Ines Micaela Santana- Cátedra Fundamentos de Ingeniería Ambiental (V1.1) Área Ing. Qca. 8

9 Técnicas de control de la combustión, denominadas primarias por las que se actúa sobre el quemador o sobre la cámara de combustión, para reducir la formación de NOx en caldera, mediante la disminución de la temperatura de combustión. Técnicas de tratamiento de los gases de combustión o también denominadas secundarias que, a su vez, pueden efectuarse en húmedo o en seco. Entre las técnicas de tratamiento en seco de los gases de combustión, la más utilizada, por su elevada eficacia y selectividad, es la reducción selectiva de los NOx, utilizando como agente reductor amoníaco o urea, en presencia de un catalizador apropiado. Este método se basa en reducir los NOx para la obtención de nitrógeno y agua como productos finales. Fuentes: Theoretical Study of Cyclone Design. (May 2004) Lingjuan Wang,B. Eng., Anhui Institute of Finance and Trade, China; M.S., Texas A&M University Diseño óptimo de ciclones. Carlos Alberto Echeverri Londoño. Medellín, 2006 L.M. Ingeniería química y ambienta Guía para el diseño de desarenadores y sedimentadores - Organización Panamericana de la Salud. Unión Europea - Internacional de Educación Cepis.OPS-OMS. - Biblioteca virtual de desarrollo sostenible y salud ambiental E.P.A Manual de costos de operación de control de la contaminación del aire. Fichas internacionales de seguridad química. FISQ -OIT Ing. Ines Micaela Santana- Cátedra Fundamentos de Ingeniería Ambiental (V1.1) Área Ing. Qca. 9