Pgina 1 UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Informe final
2011 TITULO: LA ECUACIN DE GAUSS Y EL INDICADORORAQI, PARA
SIMULACIN DELA CALIDAD DEL AIRE DURANTE LA EMISIN DE GASES DE
COMBUSTIN DE UN CALDERO Responsable: Vctor Manuel Terry Caldern
Colaboradores: Elba Adrianzen Matienzo Gaby Bengoa Mara Teresa
Flores FACULTAD DE OCEANOGRAFIA PESQUERIA Y CIENCIAS ALIMENTARIAS
INSTITUTO DE INVESTIGACION Francia 726 Miraflores
[email protected] Miraflores Noviembre 2011 Pgina 2 Resumen Para
el presente trabajo se considero los siguientes datos de una planta
pesquera, donde sus
emisionesgaseosasprocedentedeuncalderoCleaverBroke,fueronlossiguientes(CO):
0,045kg/s;(SO2)
:0,010kg/sy(NOx):0.006kg/s,consignndoselaalturadelachimenea(H):15m,lavelocidaddelviento():1,62m/s,latemperaturadelosgasesdechimenea
(To) : 623 K la Temperatura del medio en 291 K, y para efectos
delclculo, se considero a la atmosfera en forma estable, las
emisiones de MP10 y de hidrocarburos alifticos CnHm se calcularon
mediante lo indicadores de latabla 1. Con todos estos datos se
procedi a realizar
lasimulacindeladispersindeestasemisiones,afindedeterminarvaloresdeinmisin,
utilizandopara ello la ecuacin de Gauss y sus parmetros
respectivos, dando como resultado
quelamayorconcentracindeestosgasesselocalizaa0,60kmdelpuntofijodeemisin.
ConeseresultadoseprocediaaplicarlaecuacindeORAQI,determinndosequenolos
valoresdeinmisinencontradosaesadistancianoafectanlacalidaddelaire,puesel
indicador de calidad del aire I.C.A, da como valor 96,7%, con lo
cual la actividad del caldero y sus emisiones no daan en forma
traumtica al entorno. Como podr apreciarse este mtodo
permitepredecirlacalidaddelaireconociendolasemisionesdeuncaldero.Porlocualse
convierte en una herramienta, y como lo es, para los Estudios de
Impacto Ambiental (EIA). Palabras claves: Gauss, ORAQI, emisiones
gaseosas, simulacinPgina 3 Abstract
Forthepresentworkconsiderthefollowingdataofaplantfishing,whereitsgaseous
emissions from a cauldron Cleaver Broke, were the following CO:
0.045 kg/s; el SO2: 0,010 kg/s and NOx: 0.006 kg s, entering the
h:15 m, the speed of the wind chimney height: 1.62 m/s, the
temperature of the gas fireplace To: 623K temperature environment
291 K, and for
thepurposesofthecalculation,considertotheatmosphereinastablemanner,PM10and
aliphatic hydrocarbons CnHm emissions were calculated using the
indicators in table 1. With
allthesedataweretomakethesimulationofthedispersionoftheseemissions,inorderto
determineimmissionvalues,usingtheGaussequationandtheirrespectiveparameters,with
the result that the highest concentration of these gases is located
0.60 km away from the fixed point of emission. With this result
proceeded to apply the ORAQI equation, determining that not
immission values found within this distance does not affect the
quality of air, for I.C.A air
qualityindicator,suchasvalue96.7%,withwhichtheactivityofthecauldronandtheir
emissionsdonotdamageinthetraumaticformtotheenvironment.Asyoucanseethis
method allows to predict the quality of the air knowing the
emissions of a cauldron. By thus becomes a tool, and as it is, for
the studies of environmental impact (EIA). Keywords: Gauss, ORAQI,
gaseous emissions, simulation Pgina 4 INTRODUCCION En los ltimos
aos, la modelacin y la simulacin se han convertidoen una
herramienta de
diversasdisciplinasquebuscanexplicaroreproducirsusrespectivasobservaciones.Esas
como,BirdR(1995)seala:Lamodelacinmatemticaesunametodologasistemticade
comprobado xito en el descubrimiento y entendimiento de los
procesos y causas subyacentes en la naturaleza basada sobre sus
partes observables y sus relaciones. La simulacin es la
representacindelcomportamientodeunprocesorealmediantelaresolucindeunmodelo
matemtico. Pelayo(2011).
Lamodelizacindeltransportedecontaminantes,Camacho(1998)seutilizaparala
determinacin del como variala concentracin de un determinado
contaminante en el espacio y en el tiempo. De esta manera, se
estimaciertos parmetros de emisin desde una fuente fija para
mantener los lmites indicados por la legislacin en las zonas
circundantes al foco emisor cuando se disea una chimenea
industrial, en la planificacin del territorio, etc. Existen varios
tiposdemodelosypaquetesdesoftwaredestinadosalaestudiarlaevolucindelos
contaminantes en la atmsfera. Elmodelo matemtico que se presenta
implico: La identificacin delas variables causantes del cambio de
un sistema. Elplantearun conjunto de hiptesis razonables acerca del
sistema (leyes empricas aplicables). Dondelas hiptesis planteadas
implicaron la tasa de cambio de variables queintervinieron. El
enunciado de esas hiptesis esel algoritmo para elclculo de las
emisiones e inmisiones de los productos de la combustin. De todos
los modelos desarrollados, uno de los ms usados, cuando los
contaminantes no son
reactivos,eselmodelodedispersingaussiano,Poch(2005).stemodelopartedevarias
suposiciones.Porelpresentetrabajotuvoporobjeto,investigarelmodelodedispersin
atmosfricadetipogaussiano,paradeterminarelimpactodeunoovarioscontaminantes
atmosfricos en los alrededores de la fuente fija de
emisin.Existenlimitadosmodelosmatemticosqueproyectandolasconcentracionesde
contaminantesvientoabajopermitenpredecirlacalidaddelairecomoconsecuenciadelas
actividadesindustriales.Losmodelosgausianossonampliamenteusadosparaestimarel
impactodecontaminantesnoreactivos,estosmodelosincorporandatosmeteorolgicosde
Pgina 5
superficieyaltura,topografa,caractersticasdelafuenteydelcontaminanteemitidopara
simular la dispersin y el transporte de contaminantes. (Senamhi,
2011).
Cuandoserequieresimularlosefectosquepuedencausarlasemisionesgaseosasde
generadoresdevaporycualessuinfluenciaenlacalidadambientaldesuentorno,sedebe
considerarcontaminantescomoelmonxidodecarbono,elxidosdeazufre,losxidosde
nitrgeno, el material particulado MP10.
Basadosenlacomposicinproximaldelpetrleoresidual5yenlasecuaciones
estequiomtricosdelacombustin,podemosdeterminarelvalordelaemisionesgaseosas,
quemuchasvecesnosonproporcionadosporloslaboratoriosquerealizanelcontrolde
emisionesdelosgasesdecombustin,conlocualsecomplementolosvaloresdelos
principales contaminantes del petrleo residual 5. Considerando que
en nuestro pas no existe un indicador de calidad de aire, se ha
considera al
indicadorORAQIutilizadoenUSA,esteindicadorconstadealgoritmosdeclculo
fundamentales;elprimero,paralaobtencindesubndicescorrespondientesadiferentes
indicadoresdelacalidaddelaire;yelsegundo,paralacombinacindestosenunndice
global. (Evaluacin de la gestin ambiental, 2011). El objetivo del
presente trabajo, fue la implementacin de un algoritmo, que fue
desarrollado,
enbasealprogramaExcel,programndoseelalgoritmoenbaseaunmodelomatemtico,
empleadoparadeterminarelcomportamientodelosgasesdecombustinenestudiosde
Impacto Ambiental (EIA) a diferentes distancias del foco fijo, para
lo cual se tuvo valores en
condicionesreales,comofueron,lacomposicindelpetrleoresidualN5,empleadoenla
industria, la condiciones ambientales, como son el vientoy la
temperatura y algunosvalores
deemisiones.Paracompletarelvalordelndicedecalidaddeairesedebideterminar
algunos valores en base a indicadores,afn completar elclculo de las
emisiones gaseosasy su dispersin. Pgina 6 COMBUSTION Mtodo El
proceso de modelado sigui los siguientes pasos para la presente
investigacin, basados en conceptos matemticos, aplicados a la
operacin de combustin y la respectiva dispersin de las emisiones
que esta genera. Se formo el siguiente algoritmo: El modelo fsico
del proceso de combustin
Elmodelamientodelsistemaenestudiosebosquejadeacuerdoaldiagramadeflujodella
figura 1 Figura 1: Diagrama de flujo del proceso de combustiny
clculo de las emisiones Calor a proceso
Fuente: elaboracin propia Ecuaciones estequiomtricos de la
combustin El conocimiento de la composicin del petrleo, se deber
utilizar para aplicar las ecuaciones estequiomtricos que va a
permitir conocer los gases que se van a formarVariables Fsicas
Temperatura del gas de combustinVelocidad de salida Caudal del gas
Calor que se pierde en los gases de combustin Entalpia de los gases
de combustinFlujo msico de los contaminantes Temperatura de la
flama Variables qumicas Dixido de carbono Monxido de carbono Dixido
de azufre Nitrgeno Oxigeno en exceso NOX MP10 CnHm Oxigeno en
exceso exceso Petrleo Oxigeno Terico Gases de Combustin (emisiones)
Condiciones ambientales Temperatura del aire Velocidad del aire
Estabilidad atmosfricaComposicin del petrleo Carbono( C) Hidrogeno
( H2) Azufre (S) Oxigeno (O2) Nitrgeno (N2) Cenizas Pgina 7
Formacin de dixido de carbono C+ O2 CO2 Formacin del monxido de
carbono C+ 0,5 O2 CO Formacin de vapor de agua H2+ 0.5O2 H2O
Formacin de dixido de azufre S+O2SO2 Indicador para el calculo de
emisiones utilizando tablas de Air Pollution Emission Factors AP-42
El clculo de las emisionesde partculas e hidrocarburos que no
fueron proporcionados por la
empresaserealizoconsiderandolasiguientetabla1,dondesepresentalosindicadores
requeridos. Tabla 1 Indicadores de la combustin del combustleo,
diesel y gasleo CONTAMINANTECOMBUSTLEO kg/m3 GASLEO kg/m3 DIESEL
kg/m3 Partculas4.884.880.24 Hidrocarburos0.120.120.006 Nota: la
medida es por m3 de combustible Densidad del Diesel: 0.865 kg/la
1,5 C & 760 mm Hg Densidad del combustleo: 0,982 kg/la 15.5 C
& 760 mm Hg Indicador de calidadORAQI(Oak Ridge Air Quality
Index)Lacalidaddelaireestdeterminadaporlosnivelesdeinmisindecontaminantespresentes
enlaatmsfera,entendiendoporniveldeinmisin,laconcentracindecadatipode
contaminantes existentes entre cero y dos metros de altura sobre el
nivel del suelo. La calidad
delaireestarrepresentadaporlapresenciadexidosdeazufre(SOx),xidosdenitrgeno
(NOx), partculas totales en suspensin, monxido de carbono (CO) y
oxidantes fotoqumicos (O3), en el rea de influencia inmediata y
mediata del sitio en donde se encuentre ubicada la planta, (
Evaluacin de la gestin ambiental, 2011). Pgina 8
Elindicadorpropuestoparadeterminarlacalidaddelaireesunindicadormodificadodel
ORAQI(OakRidgeAirQualityIndex,propuestoporV.Conesa-Vitora,1997),elcual
corresponde a la suma ponderada de la contribucin de cada uno de
los cinco contaminantes
antescitadosyparaloscualesexisteunvalorestndardecalidad,onivelmximode
concentracin permisible para diferentes perodos de evaluacin Se
dice que es un indicador modificado, por cuanto los parmetros de
calidad utilizados, corresponden a los indicados por el Decreto 02
de 1982, los cuales difieren de los parmetros establecidos para las
condiciones de Espaa, pas de donde fueron tomados los valores para
la construccin de la ecuacin. El ORAQI se calcula a partir de la
siguiente expresin matemtica, segn (Daz, etal., 2011), 37 , 115 ,
3||.|
\|||.|
\|=SifCCORAQUI Ci : valor analtico de la concentracin medida Cs
: valor de la concentracin estndar (valores correspondientes
aproximadamente al valor porcentual 50 establecido en la tabla 2.
Tabla2 Valores de concentracin estndar de Cs, al 50% SO2Part.
susp.NO2CnHnCO Part. sedim. PbCl2 Comp. Fluor %
350250200140203004502050 g/m3 g/m3 g/m3 mg/m3mg/m3mg/m3 g/m3 g/m3
g/m3 % Fuente: Daz etal. (2011)
ElORAQUItomavaloresdesde0(airelimpio)a50(airecontaminado,conlascinco
concentracionesdelosparmetrosigualesalaestndar).Silasconcentracionesmedidas
superan a la estndar (valores de concentracin correspondientes a
los porcentuales de 0 a 40),
elORAQUI,puedellegaravaloressuperioresa500.Sehacenotarqueconunparmetro
alcancelaconcentracincorrespondienteelvalorporcentual0,laCalidaddelaireser0.
Daz, etal., (2011), Pgina 9 Tabla 3 Valores delos contaminantes
atmosfricos SO2 PART. SUSP. NO2CNHNCO PART. SEDIM. PBCl2 COMP.
FLUOR % V A L O R A N A L T I C O 220018001000800601800402751200
180014009006505514003025010010 14001000750500501000201758020
70060060035040750151256030 5004003502503050010754040
350250200140203004502050 250200150100152003301560
15015010075101502200170 100100505051001.510580
755025252.550152.590
