Listo

MATERIA:

CONTAMINACION DEL AIRE

TEMA:

APLICACIÓN DEL SOFTWARE SCREEN VIEW EN LA REDUCCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN CONTAMINANTE EN CHIMENEAS.

PROFESOR:

Msc. RUBEN JERVES

INTEGRANTES:

CAJAMARCA RONALD ENRIQUE

LOOR YULIO SANTIAGO

CARRERA:

INGENIERÍA AMBIENTAL

CICLO:

SEPTIMO

1. INTRODUCCION

En el campo de la contaminación del aire es de gran interés, o por lo menos estimar el comportamiento que tendrán los gases emitidos desde una determinada fuente; la técnica empleada para este propósito es conocida como modelación de dispersión de

contaminantes. Al respecto la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (EPA por sus siglas en ingles), ha desarrollado modelos matemáticos que son aplicables a diversas situaciones de interés. 1

Además existe una cantidad importante de software para llevar a cabo la modelación de la dispersión de contaminantes, haciendo un análisis sobre cómo se verían modificados los modelos de dispersión cuando varían parámetros como la altura y radio de la chimenea.

La chimenea a menudo se usa como un símbolo de la contaminación del aire. Es una estructura que se ve comúnmente en la mayoría de industrias. Una chimenea dispersa los contaminantes antes de que lleguen a las poblaciones. Generalmente se diseñan teniendo en cuenta a la comunidad circundante. Mientras más alta sea la chimenea, mayor será la probabilidad de que los contaminantes se dispersen y diluyan antes de afectar a las poblaciones vecinas.

A la emanación visible de una chimenea se le denomina pluma. La altura de la pluma está determinada por la velocidad y empuje de los gases que salen por la chimenea. A menudo, se añade energía calórica a los gases para aumentar la altura de la pluma. Las fuerzas naturales hacen que la pluma tenga velocidad vertical.

Los modelos de dispersión son un método para calcular la concentración de contaminantes a nivel del suelo y a diversas distancias de la fuente. En la elaboración de modelos se usan representaciones matemáticas de los factores que afectan la dispersión de contaminantes. Las computadoras, mediante modelos, facilitan la representación de los complejos sistemas que determinan el transporte y dispersión de los contaminantes del aire. 2

2. ANTECEDENTES

El modelo de dispersión Screen View, analiza  la calidad de aire, a partir de estimaciones del tipo “peor caso” en impactos en la calidad del aire originados por contaminante de fuente única. Es decir, el problema típico que resuelve Screen View: Una chimenea industrial y aislada situada en un entorno rural origina un impacto en los terrenos cercanos. En estas circunstancias, dada la siguiente información:

Ratio de emisión de gases,

Altura de la chimenea

Diámetro interno,

Temperatura del gas

Velocidad de salida del gas de la chimenea

Temperatura del aire circundante

1 Parámetros de Diseño de Chimeneas en la Dispersión de Contaminantes en el Aire.2 Estrucplan On Line, Transporte y dispersión de contaminantes en el aire ambiental

Sreen View es capaz de estimar la máxima concentración de contaminante a cualquier distancia de la fuente y para cualquier elevación del terreno. 33

3. OBJETIVOS

Determinar bajo la ayuda del software Screen View, los parámetros ideales de una chimenea para reducir la concentración de contaminantes emitidos a la atmosfera.

Analizar las condiciones de una chimenea óptima. Comparar distintas concentraciones de contaminantes, con ejecuciones del

programa en base a distintos parámetros usados para varias chimeneas.

4. MARCO TEORICO

Las chimeneas son conductos construidos para dar salida a la atmósfera libre a gases resultantes de una combustión para su dispersión en el aire ambiente. La chimenea no es considerada como un dispositivo de control de la contaminación ya que no disminuye la cantidad de gas nocivo descargado en la atmosfera, la chimenea es una herramienta primordial en la cual se puede reducir la concentración de los contaminantes gaseosos, cabe recalcar que para la reducción de contaminantes es necesario emplear criterio de diseño de chimeneas donde intervienen parámetros como la altura y diámetro de una chimenea.

Los Factores que influyen en el diseño de la chimenea

Normativa (concentraciones máximas de inmisión) Factores meteorológicos y topográficos Características químicas de los gases Caudales de emisión Fluido dinámica de la circulación del gas: pérdida de carga Temperatura del gas de chimenea4

Circulación del gas

Tiro de la chimenea es el diferencial de presión creado por la diferencia de densidades entre el gas de chimenea y el aire exterior.

Tiro natural: La influencia que posee diámetro de la chimenea sobre la presión de los gases produce en ocasiones una velocidad mínima de salida del gas (energía cinética del gas y caída de presión por rozamiento)

Tiro forzado: Tiro natural insuficiente. Se aporta potencia (menor diámetro, mayor presión)

3 U.N.A.D ,Seguimiento y Control de Emisiones Atmosféricas4 D. Francisco Jesús Morales, Dispersión de los contaminantes en la atmósfera. Diseño de chimeneas

Valores recomendados para la velocidad de salida de la chimenea en función de la altura

Temperatura del gas de chimenea

Estimación de Temperatura del gas: Se obtiene al momento de conocer las pérdidas de calor del gas y la transmisión de calor a través de las paredes de la chimenea

Elevación de la pluma

Los gases emitidos por las chimeneas son impulsados por sistemas de ventilación. Los gases de escape turbulento que son emitidos por la pluma se mezcla con el aire exterior, a esta mezcla se la denomina arrastre la cual se verá influenciada por la velocidad del viento.

Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta su diámetro mientras viaja a sotavento. Al entrar en la atmósfera, estos gases tienen un momentum. Muchas veces se calientan y se vuelven más cálidos que el aire externo. En estos casos, los gases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto, flotantes. La combinación del momentum y la flotabilidad de los gases hacen que estos se eleven. Este fenómeno, conocido como elevación de la pluma, permite que los contaminantes emitidos al aire en esta corriente de gas se eleven a una altura mayor en la atmósfera. 5

La elevación de la pluma depende de las características físicas de la chimenea y del gas de chimenea. La densidad de la pluma se la determinara con la diferencia de temperatura entre el gas de la chimenea y el aire exterior. Tanto la velocidad como la presión de los gases de la chimenea varían de acuerdo a la altura y diámetro de la chimenea.

El flujo descendente de la chimenea puede producirse cuando la razón entre la velocidad de salida de la chimenea y la del viento es pequeña. En este caso, la presión baja en la estela de la chimenea puede hacer que la pluma descienda detrás de la chimenea.

5 CEPIS, la dispersión de las plumas y el modelado de la calidad del aire

Lavador

Los lavadores son purificadores de gases por vía húmeda donde se utiliza regularmente el agua, para capturar y después eliminar las partículas de una corriente de gas.

Los lavadores consisten en una cámara de sedimentación por gravedad en el cual se utilizan mecanismos para rociar, donde el agua utilizada lava los gases y provoca que el polvo se almacene como lodo en el tanque de sedimentación.

Estabilidad de la atmosfera

La estabilidad de la atmósfera depende en cierta parte de la gradiente de temperatura y el grado de turbulencia que genera el viento. Por consiguiente, se pueden producir diferentes niveles de estabilidad según cuán grande o pequeña sea el gradiente de temperatura. Se clasifican en seis categorías basada en las velocidades del viento.

5. METODOLOGIA

Para llevar acabo nuestro trabajo utilizamos la versión más reciente del programa SCREEN el cual fue publicado por la US EPA teniendo su última actualización en el 2011.

Cuando se ejecuta SCREEN3.5 para una fuente de punto, el programa nos pide que proporcionemos los siguientes datos de entrada como:

Tasa (o cantidad) de emisión (g/s) Altura de la chimenea (m) Diámetro interior de la chimenea (m) Velocidad de salida del gas de la chimenea (m/s) o tasa de flujo Temperatura del gas de la chimenea (K) Temperatura ambiente (K) Altura del receptor sobre el suelo (puede usarse para definir receptores de asta) (m) Opción urbana/rural (La determinación de la aplicabilidad de la dispersión urbana o

rural se basa en el uso de la tierra o densidad de población)

En la siguiente página del programa seleccionamos la opción de meteorología completa, la opción de arreglo de distancias automática, distancia discreta, y como se aplica a la fuente, la opción de terreno plano simple.

Al momento de seleccionar un terreno simple plano, se supone que las alturas del terreno no exceden a la elevación de la base de la chimenea.

En la opción de arreglo de distancias automática, ingresamos las distancias mínima de 1m y máxima de 3000m. Al momento de proporcionar la distancia mínima lo más correcto sería que la distancia máxima se deje inicialmente lo suficientemente grande para asegurarse de que la concentración máxima se encuentre.

En la opción de distancia discreta se ingresó una distancia especifica de 670m, con el ingreso de la información SCREEN nos permitirá obtener la concentración máxima para cada.

Al completar los campos que necesitamos para la realización de nuestro trabajo, ejecutamos el programa el cual nos proporcionara una serie de resultados los cuales serán analizados posteriormente.

6.DESARROLLO Y ANALISIS

a) Una empresa ha decidido instalar una planta de producción de pigmentos inorgánicos en una propiedad de un municipio en un entorno rural.En el proceso se utiliza azufre que, por calentamiento a alta temperatura produce emisiones de SO2 a la atmósfera. La carga contaminante del SO2 es de 83 Kg/h.El ingeniero redactor del proyecto propone una altura de la chimenea de 25 m, el caudal de gases es de 42500 m3/h, el diámetro de salida es de 1.4 m y la temperatura de los afluentes es de 40 oC.

La fuente se situara a 670 m del municipio, la temperatura media del aire es de 20 oC.

SIMPLE TERRAIN INPUTS: SOURCE TYPE = POINT EMISSION RATE (G/S) = 23.0600 STACK HEIGHT (M) = 25.0000 STK INSIDE DIAM (M) = 1.4000 STK EXIT VELOCITY (M/S) = 7.6700 STK GAS EXIT TEMP (K) = 313.0000 AMBIENT AIR TEMP (K) = 293.0000 RECEPTOR HEIGHT (M) = 1.5000 URBAN/RURAL OPTION = RURAL BUILDING HEIGHT (M) = 0.0000 MIN HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000 MAX HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000

La tabla expuesta, dada por el software nos demuestra en la primera columna el valor de las distancias establecidas (1m-3000m), obteniendo de esta manera el valor máximo de la concentración que alcanza la emisión en una hora, el cual es 839,3 µg/m3  a una distancia de 297m. Además de esto podemos identificar el valor de la elevación de la pluma (m).

Al observar esta nueva tabla, se demuestra que al tener una distancia discreta de 670 metros (distancia desde la fuente de emisión hasta el municipio) se indica que la concentración del SO2 llega hasta ese lugar con un valor de 770,6 µg/m3, al presentarse este valor elevado de concentración se intentara reducirlo hasta un valor inferior de los 200 µg/m3, para ello se deberá justificar previamente las modificaciones realizadas en la chimenea de gases.

Discutir y evaluar: El impacto horario producido por la fuente, teniendo en cuenta que el ayuntamiento del municipio tiene como un objeto respetar: las zonas habitadas, un valor máximo de inmisión horaria de 200 ug/m3.

Simulaciones requeridas por el documento. b) h = 40 m, diámetro = 1 m

SIMPLE TERRAIN INPUTS: SOURCE TYPE = POINT EMISSION RATE (G/S) = 23.0600 STACK HEIGHT (M) = 40.0000 STK INSIDE DIAM (M) = 1.0000 STK EXIT VELOCITY (M/S) = 15.0200 STK GAS EXIT TEMP (K) = 313.0000 AMBIENT AIR TEMP (K) = 293.0000 RECEPTOR HEIGHT (M) = 1.5000 URBAN/RURAL OPTION = RURAL BUILDING HEIGHT (M) = 0.0000 MIN HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000 MAX HORIZ BLDG DIM (M)= 0.0000

De la misma manera al diseñar la chimenea para los valores expuestos de altura y diámetro, se logro disminuir como tal la concentración de la emisión si comparamos con la parte “a”, a pesar de ellos se presenta una máxima concentración de 541,1 µg/m3 a una distancia de 363 metros.

Al igual que en el caso anterior (a), la concentración del contaminante a la distancia de 670 metros obtenida con una altura de 40 metros y diámetro de 1 metro (diseño chimenea) disminuye significantemente, pero a pesar de aquello las condiciones propuestas aun siguen siendo adversas.

c) h = 40 m, diámetro = 1 m y un lavador de gases con un rendimiento del 75% que emite los efluentes a una temperatura de 29 oC.SIMPLE TERRAIN INPUTS:

SOURCE TYPE = POINT EMISSION RATE (G/S) = 5.76000 STACK HEIGHT (M) = 40.0000 STK INSIDE DIAM (M) = 1.0000 STK EXIT VELOCITY (M/S) = 15.0200 STK GAS EXIT TEMP (K) = 302.0000

AMBIENT AIR TEMP (K) = 293.0000 RECEPTOR HEIGHT (M) = 1.5000 URBAN/RURAL OPTION = RURAL BUILDING HEIGHT (M) = 0.0000 MIN HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000 MAX HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000

La prueba numero tres nos demuestra que los valores de la concentración de las emisiones se reducen en altos rangos, teniendo como concentración máximas un valor de 135,2 µg/m3, este valor obtenido se debe a que a pesar de diseñar una chimenea con los mismos datos a la prueba “b”, se utilizo el sistema de lavado, normalmente se ocupa agua para capturar y después eliminar las partículas correspondientes al gas contaminante.

Así mismo las condiciones de reducir la concentración bajo los 200 µg/m3 se produjo efectivamente, obteniendo un nuevo valor de 113,3 µg/m3 (concentración en el municipio), pero a pesar de aquello el procedimiento no es sustentable debido a que al aplicar las condiciones de lavado todas las partículas de SO2 forman parte del agua

residual generada luego del proceso, de tal manera que las técnicas de tratamiento posteriores para el agua generarían un nuevo problema aun mayor. (Especificaciones del lavado, sección 4, sección 6).

d) H = 25 m, diámetro = 1,5 m y el lavador

SIMPLE TERRAIN INPUTS: SOURCE TYPE = POINT EMISSION RATE (G/S) = 5.77000 STACK HEIGHT (M) = 25.0000 STK INSIDE DIAM (M) = 1.5000 STK EXIT VELOCITY (M/S) = 6.6800 STK GAS EXIT TEMP (K) = 302.0000 AMBIENT AIR TEMP (K) = 293.0000 RECEPTOR HEIGHT (M) = 1.5000 URBAN/RURAL OPTION = RURAL BUILDING HEIGHT (M) = 0.0000 MIN HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000 MAX HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000

El estudio “d” es semejante al “a” en cuanto a los valores diseñados para la chimenea, pero al momento de obtener la concentración máxima (281,6 µg/m3) esta disminuye considerablemente a la prueba “a”, esto debido al lavador de gases propuesto.

Así mismo a pesar de contar con un lavador de gases las condiciones propuestas de reducir la concentración del contaminante por debajo de los parámetros permisibles fue esquiva, obteniendo un dato de 257,8 µg/m3 a 670 metros de la fuente emisora.

e) Calcular para el caso recomendado las concentraciones que se den siguiendo las condiciones meteorológicas adjuntas: Categoría de dispersión = f, y velocidad del viento = 2 m/s

SIMPLE TERRAIN INPUTS: SOURCE TYPE = POINT EMISSION RATE (G/S) = 23.0600 STACK HEIGHT (M) = 25.0000 STK INSIDE DIAM (M) = 1.4000 STK EXIT VELOCITY (M/S) = 7.6700 STK GAS EXIT TEMP (K) = 313.0000 AMBIENT AIR TEMP (K) = 293.0000 RECEPTOR HEIGHT (M) = 1.5000 URBAN/RURAL OPTION = RURAL BUILDING HEIGHT (M) = 0.0000 MIN HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000 MAX HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000

Al realizar esta prueba se obtuvo un dato de concentración máxima bastante bueno, sobretodo bajo, en comparación con las otras pruebas, esto debido a la estabilidad de dispersión bastante eficaz del SO2, la concentración máxima obtenida fue de 206,3 µg/m3 a una distancia de 3000 metros.

Por ello la concentración a la distancia hacia el municipio fue de 5,443 µg/m3 un valor sumamente bajo al dato propuesto de 200 µg/m3, esta estabilidad de dispersión es ocasionada por el gradiente térmico y el grado de turbulencia del viento.

f) Categoría de dispersión = d, y velocidad del viento = 7 m/s

SIMPLE TERRAIN INPUTS: SOURCE TYPE = POINT EMISSION RATE (G/S) = 23.0600 STACK HEIGHT (M) = 25.0000 STK INSIDE DIAM (M) = 1.4000 STK EXIT VELOCITY (M/S) = 7.6700 STK GAS EXIT TEMP (K) = 313.0000 AMBIENT AIR TEMP (K) = 293.0000 RECEPTOR HEIGHT (M) = 1.5000

URBAN/RURAL OPTION = RURAL BUILDING HEIGHT (M) = 0.0000 MIN HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000 MAX HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000

Para esta prueba se ocupo el valor de 7m/s, dato que va indicar el nivel de estabilidad. A partir de estos datos se obtuvo una concentración máxima de 415,7 µg/m3 a una distancia de 537 metros.

Finalmente el valor de concentración del contaminante en el municipio disminuyo hasta los 391,6 µg/m3, claro esta imponiéndonos el grado de estabilidad D

g) Diseño propio de la chimenea, Autores.

SIMPLE TERRAIN INPUTS: SOURCE TYPE = POINT EMISSION RATE (G/S) = 23.0600 STACK HEIGHT (M) = 48.0000 STK INSIDE DIAM (M) = 0.4800 STK EXIT VELOCITY (M/S) = 65.2300 STK GAS EXIT TEMP (K) = 313.0000 AMBIENT AIR TEMP (K) = 293.0000 RECEPTOR HEIGHT (M) = 1.5000 URBAN/RURAL OPTION = RURAL BUILDING HEIGHT (M) = 0.0000 MIN HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000 MAX HORIZ BLDG DIM (M) = 0.0000

Tal y como se planteo, se decidió utilizar una altura de 48m y un diámetro de 0,48m con ello al final del reporte se puede ver la máxima concentración calculada en una hora, para esta caso 248,9 µg/m3 a 508 metros.

Por otra parte se alcanzaron los resultados esperados, el cual era reducir por debajo de 200 µg/m3 la concentración que llegaría al municipio, de tal forma que al introducir nuestros valores de diseño se alcanzo un valor de 197,5 µg/m3 

6. RAZONAMIENTO DE RESULTADOS

La idea fundamental de disminuir la concentración de SO2 que llega hasta el municipio (ubicado a 670m de la fuente emisora), sin aplicar el lavado del gas, ni mucho menos utilizar los índices de estabilidad de la atmosfera, se concreto diseñando una chimenea de 48 y 0,48 metros de altura y diámetro respectivamente. La idea fundamental para aplicar estos conceptos de diseño está basada en planificar una chimenea a una altura y con un diámetro que permita la buena dispersión de los gases, a una mayor altura y a un diámetro proporcional la presión con la que pudiese salir normalmente la concentración del contaminante disminuirá hasta formarse la pluma de salida a la atmosfera. Se trata de un análisis básico en donde la velocidad con la que se emiten los contaminantes deberá ser proporcional a la presión con la que recorre el contaminante en la chimenea.

Básicamente la concentración requerida desde la fuente al municipio no disminuyo en el primer análisis ya que se considero una altura menor (25metros); para los análisis en donde la concentración disminuyo o se acerco a 200 µg/m3 se utilizaron parámetros como el lavado de gases el cual disminuyo la concentración significantemente, pero al utilizar agua como mecanismo de limpieza, las partículas de SO2 al entrar en contacto con el agua puede formar acido sulfúrico (H2SO4), el mismo que producirá sedimentos altamente contaminados en el agua, por ello no es recomendable el lavado de gases, pues posteriormente se provoca un nuevo impacto ambiental, precisamente al recurso hídrico.

Finalmente al utilizar los valores de estabilidad atmosférica se logro disminuir la concentración, pero cabe mencionar que estos datos dependerán del gradiente térmico y de la velocidad de turbulencia del viento, por lo que la dispersión será variable si dependemos de estos índices de estabilidad.

7. CONCLUSION

Por lo tanto, el estudio realizado a nuestra perspectiva de diseño y manejo de una chimenea de gases, se debe descartar el mecanismo de lavado de gases por el impacto que este ocasionaría al agua, además los valores que se estudiaron de estabilidad atmosférica no siempre serán favorables para una buena dispersión de los contaminantes, por lo que se aconseja aplicar un diseño favorable con una altura y diámetro de la chimenea que garanticen la reducción de la concentración a los parámetros que se desean disminuir. Por ello el procedimiento “g” diseñado por nosotros se lo pueda catalogar como optimo, dejando en claro la buena dispersión de la concentración contaminante hasta el municipio, ubicado a los 670 metros de la fuente.

8. BIBLIOGRAFIA

Parámetros de Diseño de Chimeneas en la Dispersión de Contaminantes en el Aire.

Estrucplan On Line, Transporte y dispersión de contaminantes en el aire ambiental

U.N.A.D ,Seguimiento y Control de Emisiones Atmosféricas

D. Francisco Jesús Morales, Dispersión de los contaminantes en la atmósfera. Diseño de chimeneas

CEPIS, la dispersión de las plumas y el modelado de la calidad del aire

http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S0254-07702003000200002&script=sci_arttext

http://www.epa.gov/ttncatc1/dir2/scrn3ds.pdf