Calculos emisiones gaseosas

Universidad Nacional San Agustín de Arequipa
Facultad de Ingeniería de Procesos
Maestría de Ingeniería Ambiental
Ingeniería y Gestión de
Emisiones Gaseosas
“Cálculos de Contaminación
de Emisión de Gases”
Dr. Rolando S. Basurco Carpio
10/05/2016 1Ing. Rolando S. Basurco Carpio

10/05/2016 Ing. ROLANDO BASURCO CARPIO 2
MÉTODOS DE EXPRESAR LA
CONCENTRACIÓN
 Masa/volumen.- La masa de soluto por unidad de
volumen de la solución (en la química del agua). Esto es
mg/l = ppm (partes por millón).
 Masa/masa o peso/peso. - La masa de soluto en una
masa dada de la solución; mg/kg o ppm (partes por millón).
 Si la densidad de una solución = r
 Y la concentración del constituyente en mg/l =
 Y la concentración del constituyente en ppm =
 Entonces reordenando,

MÉTODOS DE EXPRESAR LA
CONCENTRACIÓN
 Ejemplo 3.1. Expresar la concentración de un 3 % en peso
de una disolución de CaS04 en términos de mg/l y ppm.
 Solución:
 Dado que la solución es acuosa, de la Ecuación (1.1),
entonces C = 30.000 mg/l
 Ejemplo 3.2. Si un litro de la solución contiene 190 mg de
NH+
4 y 950 mg deNO-
3 , expresar estos constituyentes en
términos de nitrógeno (N).
 Solución:

IMPORTANCIA DE LOS CÁLCULOS Y LAS
MEDICIONES
 La naturaleza de tal evaluación depende :
 1.- Grado de exactitud requerido.
 2.- Datos disponibles
 3.- Experiencia
 4.- Otras…
 Se dispone de diferentes técnicas:
 1.- Balance de materia y energía
 2.- Cálculos estequiométricos
 3.- Comparación con procesos similares
 4.- Buenas prácticas de Ingeniería
 5.- Factores de Emisión.

IMPORTANCIA DE LOS CÁLCULOS Y LAS
MEDICIONES
 En base a la experiencia internacional, la cuantificación de
contaminantes se realiza a nivel de contaminante a fin de
poder brindarle seguimiento a lo largo de su ciclo de vida y
evaluar sus efectos.
 Métodos para cuantificar las emisiones:
 Medición directa (M),
 Cálculo con factores de emisión o programas informáticos (C)
 Estimaciones propias (E).
 Para cualquiera metodología, se debe conservar memorias
de cálculo para mostrarlas si son requeridas por alguien.
Para M y C, indicarse referencia científica o normativa, la
categoría E desarrolla metodología de cálculo propia, debe
indicar si el resultado es de un balance de masa, volumen o
energético; para lo cual deben aportarse datos históricos.

CONTROL DE EMISIONES GENERADAS
POR FUENTES FIJAS
CCt = ΣXi = CXi (flujoi)
 CCt = Carga contaminante total emitida por año, para
el contaminante X en kilogramos.
 SXi = Sumatoria de la carga contaminante presente
en las emisiones atmosféricas medidas
para el contaminante X en kilogramos.
 CXi = Concentración del contaminante X presente en
la emisión medida.
 Flujoi = Flujo específico de la emisión medida.

POR FUENTES FIJAS
 Ejemplo: si durante una medición directa de NOx en una
chimenea se obtuvo una concentración de 130 ppm, con
un flujo de 22 m3/min a condiciones normales de presión y
temperatura, y además considerando que el equipo estuvo
en operación durante 7200 horas al año, el cálculo a
realizar es el siguiente:
 1.- Determinar el Volumen Específico del Contaminante
 Si se tienen °C entonces °K = 273.15 + °C,
 Si se tienen °F entonces °K = 273.15 + (°F – 32) / 1.8
 
molkg
kg
45.7*1
15.298102057833.8
3
2
atm
K
Kmolkg
atmm
x
NOxde
M
V





POR FUENTES FIJAS
 2.- Determinar la concentración del contaminante por
volumen total de efluente:
 Para una concentración de 130 ppm de NOx:
kg
m
0.535351
kg
molkg
0.535351
molkg
kg
0.535351
33
3







atmKmolkg
Katmm
atm
Kmolkg
Katmm
NOxde
M
V
2.4x10-4

POR FUENTES FIJAS
 3.- Determinar la emisión del contaminante:
 Con el flujo del gas a condiciones estándar se obtiene la
emisión del contaminante por unidad de tiempo.
 Para un flujo de 22 m3/min la emisión por minuto de NOx
será:
 Para el tiempo de operación del equipo que emite estos
gases, equivalente a 7,200 horas al año, la emisión anual
de NOx será:

CALCULO DE EMISIONES POR ESTIMACION
 Entre estos métodos de estimación se incluyen : factor de
emisión, balance de materiales, cálculos de ingeniería
 Estimación por factores de emisión: Se expresa como el
peso de un contaminante entre una unidad de volumen,
peso, distancia o duración de la actividad que emite el
contaminante (Ej. Kg de SO2 por cantidad de combustible).
 E: Emisión del contaminante
 FE: Factor de emisión
 NA: Nivel de actividad, como consumo de combustible,
cantidad de producción o materia prima consumida.
 ER: Eficiencia de reducción de emisiones de un equipo de
control, expresada en porcentaje. Si no existe equipo, ER = 0.

 U.S. Environmental Protection Agency (EPA): factores de emisión o
programas para estimar emisiones (Factores EPA-42 “Compilation of
Air Pollutant Emission Factors”):
 http://www.epa.gov/ttnchie1/ap42/
 European Environmet Agency (EEA): factores de emisión o programas
para emisiones para diferentes sectores y actividades productivas:
 http://www.eea.europa.eu/publications/EMEPCORINAIR5
 Australian Government. Department of Sustainability, Environment,
Water, Population and Communities: En la web del Inventario Nacional
de Contaminantes (National Pollutant Inventory) del Gobierno de
Australia :
 http://www.npi.gov.au/publications/emission-estimation-
technique/index.html

A) ESTIMACIÓN DE LA EMISIÓN DE DIOXINAS Y
FURANOS.
 Que se puede descargar en el siguiente link:
 http://www.chem.unep.ch/pops/pcdd_activities/toolkit/Toolkit%202-
1%20version/Toolkit-2005_2-1_es.pdf
 Mientras que la herramienta de cálculo se puede obtener en:
http://www.chem.unep.ch/pops/pcdd_activities/toolkit/.
 Están identificadas como fuentes de emisión de dioxinas y furanos:
 Incineración de residuos,
 Producción de metales ferrosos y no ferrosos,
 Generación de energía y calor,
 Producción de productos minerales,
 Transporte,
 Quemas a cielo abierto,
 Producción y uso de sustancias químicas y bienes de consumo,
 Varios (Crematorios, Consumo de tabaco),
 Disposición final,
 Puntos calientes.

B) ESTIMACIÓN DE LA EMISIÓN DE GASES
DE EFECTO DE INVERNADERO (GEI).
 Para estimar las emisiones de los Gases de Efecto Invernadero (GEI),
Directrices que el 2006 preparó del Grupo Intergubernamental de
Expertos sobre Cambios Climáticos (IPCC)
 Estas directrices recomiendan uso de factores de emisión específicos
para diferentes fuentes de generación (energía, procesos industriales
y uso de productos, agricultura, silvicultura y otros usos del suelo y
desechos); y pueden obtenerse de forma digital en el siguiente link:
 http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/spanish/index.html.
 Los siguientes gases de efecto invernadero se reportaran :
 Dióxido de carbono (CO2), Metano (CH4), Óxido nitroso (N2O)
 Hidrofluorocarbonos (HFC)
 Perfluorocarbonos (PFC)
 Hexafluoruro de azufre (SF6)
 Además en el link:
 http://www.eea.europa.eu/publications/EMEPCORINAIR5, se pueden
obtener vínculos por fuente de generación, con sus factores de emisión.

C) ESTIMACIÓN DE LA EMISIÓN DE MERCURIO
 La estimación de emisión de mercurio se puede calcular el preparado
por el PNUMA en el año 2011, siguiente link:
 http://www.unep.org/hazardoussubstances/Mercury/MercuryPublications/
GuidanceTrainingMaterialToolkits/MercuryToolkit/tabid/4566/language/en
-US/Default.aspx
 Se identifican como fuentes de emisión de mercurio, las siguientes:
 Generación de energía,
 Producción primaria de metal,
 Producción de cemento,
 Producción de pulpa y papel,
 Industria química,
 Uso de productos con mercurio,
 Reciclado de metales,
 Incineración de residuos,
 Rellenos sanitarios,
 Sistemas de tratamiento de aguas residuales
 Cremación y cementerios.

D) ESTIMACIÓN DE LA EMISIÓN DE SUSTANCIAS
AGOTADORAS DE OZONO (SAO).
 Para estimar las emisiones de las sustancias agotadoras de ozono
se recomienda realizar un balance de masa, con la excepción de que
para el Metilcloroformo se puede utilizar el Programa Tanks de la
EPA, diseñado para estimar las emisiones producidas en tanques de
almacenamiento. El programa está disponible para uso público, y
puede descargarse de la página de CHIEF:
 http://www.epa.gov/ttn/chief/software/airchief/
 Las Sustancias Agotadoras de Ozono incluidas en el listado RETC:
 CFCs (Clorofluorocarbonos)
 Halones
 Metilcloroformo
 HCFCs (Hidroclorofluorocarbonos)
 HBFCs (Hidrobromofluorocarbonos)
 Bromoclorometano
 Bromuro de metilo

E) ESTIMACIÓN DE COMPUESTOS
ORGÁNICOS PERSISTENTES (COP).
 Los plaguicidas COPs se
recomienda utilizar factores de
emisión o balance de materiales.
Las otras sustancias COPs, se
debe realizar el respectivo
balance de materiales.
 Las sustancias COPs incluidas en
el listado RETC son las
siguientes:
 Aldrin
 Alfa hexaclorociclohexano
 Beta hexaclorociclohexano
 Bifenilos polibromados (PBB)
 Bifenilos policlorados (PCB)
 Clordano
 Clordecona
 DDT
 Dibenzoparadioxinas +
dibenzofuranos policlorados
(PCDD/PCDF)
 Dieldrin
 Endosulfan
 Endrin
 Heptacloro
 Hexabromobifenilos
 Hexaclorobenceno
 Lindano (isómero gamma)
 Mirex
 Pentaclorobenceno
 Toxafeno

 Ejemplo: una industria cementera está interesada en conocer,
específicamente la emisión de Cadmio. En ese sentido, para calcular
su emisión anual se debe utilizar la formula general:
 ECd = (FeCd) (NA)
 ECd: Es la emisión anual de cadmio en kg
 FeCd: Factor de emisión para Cadmio referido a la actividad
productiva. En este caso específico es de 1.1x10-6 kg/Mg = 1.1x10-6
kg/ton de clinker, referenciado el estudio de “Compilation of air
pollutantemissionfactors, AP-42” en su apartado 11.6 en la tabla
11.6-9 “Summary of noncriteriapollutantemissionfactorsfor portland
cementkilns”.
 NA: Nivel de actividad, 1,070,180 ton/año que es el nivel de
actividad expresado en la cantidad anual de clinker producido en
toneladas.
 Calculando:
 ECd = (1.10x10-6 kg/ton) (1,070,180 ton/año) = 1.1771 kg/año

BALANCE DE MATERIALES
 Las entradas del proceso incluyen materias primas (MP),
materiales de consumo indirecto (MCI), agua (A) o aire (Ai),
y las salidas incluyen productos (P), emisiones al agua
(Ea), emisiones al aire (Eai) y emisiones al suelo (Es). La
ecuación para el balance de una sustancia determinada, es
el siguiente:
 El balance de materiales es una herramienta valiosa para
estimar las emisiones de muchas fuentes, su aplicación
requiere se conozca información del material estudiado en
cada punto a lo largo del proceso, implica el análisis del
proceso para determinar si las emisiones se pueden
estimar conociendo únicamente los parámetros específicos
de operación y la composición de los materiales.

CÁLCULOS DE INGENIERÍA
 El desarrollo de estos métodos requiere del conocimiento
técnico del proceso, así como de las reacciones que
ocurren y que dan origen a la formación de contaminantes;
ya que se basan en principios y criterios de ingeniería
correlacionados matemáticamente, como por ejemplo:
condiciones de equilibrio fisicoquímico y termodinámico de
fases, propiedades físicas y químicas de las sustancias,
variables, constantes de reacciones químicas, y
correlaciones y especificaciones de diseño

TIPOS BÁSICOS DE CÁLCULOS DE INGENIERÍA
 a) Correlaciones de diseño desarrolladas, como por
ejemplo por pérdidas de tanques, pérdidas por manejo de
materiales y descargas de procesos de tratamiento de
aguas.
 b) Uso de especificaciones de diseño de equipo, como
por ejemplo: velocidad y eficiencia de remoción y velocidad
de secado, entre otros. Este tipo de cálculos se utilizan
principalmente para estimar emisiones al aire de fuentes
puntuales provenientes de equipo anticontaminante.
 c) Uso de las propiedades físicas, químicas y
condiciones de equilibrio de fases; datos que son
usados para estimar la concentración de una sustancia
presente en una emisión.

 Un establecimiento usa gas natural en caldera pequeña y
en varios secadores infrarrojos. Los registros indican que
en un periodo de un año, utilizó 17 millones de m3 de gas
natural. Se decide estimar las emisiones en base al
consumo total del gas natural en vez de procurar separar
las emisiones de la caldera de las emisiones de los
secadores infrarrojos. No se conoce el contenido de
carbono de su fuente de gas, pero el factor de emisión del
IPCC es 55.9 toneladas métricas de CO2/TJ (después de
corregir para 0.5% carbón sin oxidar). Se utiliza los factores
de emisión de CH4 y de N2O de la Tabla (5 kilogramos
CH4/TJ y 0.1 kilogramo N2O/TJ). Se estima el valor
calorífico del gas natural en 52 TJ/kilotón y la densidad en
0.673 kg/m3. Las emisiones anuales se estiman como sigue

 Emisiones de CO2:
 (17 x 106 m3 gas/y) x (0.673 kg/m3) = 11.4 x 106 kg gas/año = 11.4
kton/año
 (11.4 kton gas/año) x (52 TJ/kilotón) = 595 TJ/año
 (595 TJ/año) x (55.9 t CO2/TJ) = 33,300 toneladas de CO2/año
 Emisiones de CH4:
 (595 TJ PCN/año) x (5 kg CH4/TJ PCN) = 2975 kg CH4/año = 2.975
toneladas CH4/año
 Usando el GWP del IPCC de 21, esto es igual a 62.5 toneladas de
CO2eq/año
 Emisiones de N2O:
 (595 TJ PCN/año) x (0.1 kg N2O/TJ PCN) = 59.5 kg N2O/año = 0.06
toneladas N2O/año
 Usando el GWP del IPCC de 310, es igual a 18 ton de CO2eq/año
 Total emisiones de GEI = 33,300 + 62.5 + 18 = 33,400 ton de
CO2eq/año

 Sobre una base de CO2 equivalentes, las emisiones de CH4 y de N2O
son aproximadamente 0.25% de las emisiones del CO2. Estas
emisiones son muy pequeñas incluso si los factores de emisión fueran
varias veces más grandes. Dependiendo del uso del inventario o las
especificaciones del programa para las cuales el inventario haya sido
desarrollado, estas emisiones no serán significativas en los resultados
del inventario porque son menores de 0.25% de las emisiones de CO2.

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