EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

1. EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

3. Esquema FPSIR

4. Control de Fuentes Fijas • Dos líneas de actuación • Modificaciones en el proceso de producción para impedir o minimizar las emisiones. • Uso de técnicas que nos ayuden a eliminar la contaminación producida. En este último caso se debe de tener en cuenta siempre que hacer con los residuos,

5. A la hora de eliminar la contaminación debemos tener en cuenta si la contaminación es gaseosa o por partículas. En el primer caso existen cuatro categorías: absorción, adsorción, condensación, incineración • Absorción: Retención de contaminantes mediante su absorción por un absorbente húmedo o una disolución que circula contracorriente del contaminante. El tratamiento puede ser físico (disolución) o químico (reacción) o ambos • Adsorción: Retención de contaminantes sobre sólidos por fenómenos de tensión superficial. La eficacia del método depende del sistema sólido-gas que intervengan. En cualquier caso se requiere adsorbentes de elevada porosidad y área superficial. Cuando el adsorbente se satura se hace necesaria su sustitución.

6. Condensación: Se permite que el gas condense sobre un fluido finamente dividido en pequeñas gotitas o mediante intercambiadores de calor. • Incineración: Se le añade combustible a los gases de salida, o se le hace pasar a través de un lecho catalítico, para terminar de realizar la combustión (conversión a CO2 y H2O) de los gases nocivos.

7. Elementos a tener en cuenta • Eficiencia de captación Los límites de emisión vienen fijados frecuentemente por las normas regulatorias de emisión. Suponed por ejemplo que una chimenea emite, sin control, 1800 mg /m3. Mientras que las normas regulatorias solo permiten 90 mg/m3, ¿ Cual debe de ser la eficiencia de captación ? La eficiencia de captación se diseña para unas condiciones muy particulares de funcionamiento del sistema de captación si cambian estas, su eficacia puede variar enormemente.

8. Pérdidas de carga. Normalmente la introducción de un sistema de control de la contaminación introduce pérdidas de carga (pérdida de presión) en el flujo de salida de gases y/o partículas. A veces es necesario instalar ciertos aparatos para aumentar la presión a la salida del sistema de captación • Coste del sistema. Obviamente se debe de instalar aquellos sistemas que logren alcanzar eficiencia de colección elevadas al mínimo coste posible

9. Procesos de adsorción

10. Adsorción: proceso mediante el cual se produce un fraccionamiento selectivo de una cierta sustancia desde la fase gaseosa o la fase líquida a un substrato sólido. Esto es, mediante el proceso de adsorción se traspasa materia desde una corriente gaseosa o líquida a una superficie de un sólido. El sólido sobre el que se produce la adsorción se denomina adsorbente o también sustrato y la sustancia que se trata de eliminar de la corriente se denomina adsorbato Absorción Adsorción

11. Existen dos tipos de adsorción: La adsorción física o fisiadsorción y la adsorción química o quimiadsorción. En el proceso de adsorción física entra en juego un tipo de fuerza a escala molecular llamada fuerza Dispersiva de London (que es una fuerza tipo Van der Waals) entre las moléculas del sólido y las moléculas del gas que queremos eliminar, de tal forma que esta fuerza es lo suficientemente intensa como para retener sobre la superficie del sólido dicha sustancia frente al resto de fuerzas que tratan de mantenerla en la corriente gaseosa. En el proceso de adsorción se libera la energía cinética que llevaba el adsorbato, de tal forma que este proceso es exotérmico. La energía liberada es este proceso es del orden de 2-20 kJ/mol. En la adsorción física, las fuerzas London son más intensas si las moléculas del adsorbente y el adsorbato tienen la misma polaridad. Una característica importante de la adsorción física es que la naturaleza química del adsorbato permanece inalterada Por lo tanto, el proceso es reversible y se puede recuperar la sustancia, generalmente aumentando la temperatura. En este tipo de procesos la temperatura es un factor clave. Un aumento de esta conduce por lo general a una desorción

12. En la adsorción química o quimiadsorción se produce un enlace químico entre el adsorbato y el adsorbente, esto es se produce un intercambio de electrones entre al adsorbente y el adsorbato. Este enlace es mucho mas fuerte que el que se produce en la fisiadsorción. Se libera mucha más energía, del orden de 20 a 400 kJ/mol. El proceso de quimiadsorción por lo general altera el adsorbato y el adsorbente y es irreversible. Cuando la adsorción química varía con la temperatura se habla de adsorción activada y cuando el proceso de adsorción ocurre muy rápidamente se habla de adsorción química no activada

13. Obviamente para que se produzca la adsorción se debe de poner en contacto el sólido con el gas o líquido, de tal forma que cuanto mayor sea la superficie de contacto mayor es el proceso de adsorción. Se ha de emplear sustratos con una gran superficie por unidad de masa, esto es, se han de emplear substancias muy porosas. Un ejemplo muy común es el carbón activado donde se han logrado formar carbones activados con una razón área/masa de 105 a 106 m2/kg.

14. Materiales adsorbentes • Carbón activado (Hidrocarburos, disolventes) • Silica gel (Vapor de agua) • Alúmina activada • Zeolitas o tamices moleculares (se controla muy bien el tamaño del poro. A mayor molécula mayor tamaño) La efectividad viene determinada por • Naturaleza química • Superficie específica (m2/kg) • Distribución del tamaño de poro • Tamaño de la partícula

16. Por lo general, en la adsorción física, los adsorbatos con moléculas polares prefieren a los adsorbentes con moléculas polares y los adsorbatos con moléculas no polares prefieren a los adsorbentes con moléculas no polares. Puesto que que el vapor de agua está presente en una buena parte de las salidas de gases, el uso de un adsorbente polar nos llevaría a que se saturase rápidamente de agua y no nos adsorbería al contaminante. De los adsorbentes no polares el carbón activado es de los más utilizados

17. Como se mide la adsorción X: masa de adsorbato/masa de adsorbente Ce: presión parcial del adsorbato Isotermas de adsorción de Freundlich: máxima cantidad que el adsorbente puede retener a una temperatura y presión parcial dados

18. El ciclo de adsorción

19. Factores que afectan a la adsorción • La temperatura • La presión • La velocidad del flujo • Contaminación por partículas • Humedad

20. Estrategia de adsorción

21. Usos de la adsorción • Recuperación de disolventes orgánicos • Tratamiento de malos olores • Tratamiento de vapores tóxicos

22. Combustión

23. El proceso de combustión • Mediante este proceso se añade una cierta cantidad de calor al material combustible (hasta que alcanza su punto de ignición) para que se produzca la oxidación de los compuestos reducidos del carbono con la subsiguiente liberación de energía. Se libera la energía que en su momento se empleó en reducir el CO2 atmosférico cuando se formó la materia orgánica empleando como fuente de energía la energía solar. En el proceso intervienen tres componentes • El combustible (líquido, sólido, gaseoso) • El oxidante (oxígeno) • El diluyente (Nitrógeno) • Obteniendo como productos • Productos orgánicos oxidados, CO2 y H2O • Productos oxidados de otras substancias presentes en el combustible • Productos residuales parcialmente oxidados tales como hidrocarbonos no quemados, CO • Diluyentes, Nitrógeno y oxigeno no utilizado

24. La reacción química genérica que teóricamente (forma estequiométrica) tiene lugar es (se supone que el combustible es un hidrocarburo) CxHy + bO2 + b (79/21) N2 ----> xCO2 + (y/2) H2O + b (79/21) N2 2b=2x+y/2 Por cada mol de fuel, aparecen x+y/2+b(79/21) moles de productos. El calor generado se emplea en calentar estos productos. • Es usual que la anterior reacción ocurran con un exceso de aire, para asegurarnos que todo el combustible es oxidado. Sea e el exceso de aire (aire utilizado/aire teórico). La reacción la podemos escribir CxHy + e[bO2 + b (79/21) N2]----> xCO2 + (y/2) H2O +(e-1)bO2+e b (79/21) N2

25. Se parametriza la relación entre el combustible y la cantidad de aire que se añade mediante la razón O bien como función del número de moles Si la reacción transcurre en modo estequiométrico tenemos una razón estequiométrica. El cociente entre la razón real y la estequiométrica se denomina factor lambda l.

26. Si l es mayor que 1 se dice que la mezcla es pobre en combustible o rica en aire. Si l es menor que 1 se dice que es rica en combustible o pobre en aire La cantidad de CO2 y H2O que se obtiene depende de la razón H/C en el combustible y la razón lambda. La razón H/C va de 4 (metano) a 0.2 en la mayoría de los combustibles empleados.

27. 1 BTU (British thermal unit)= 252.2 calorías

28. Ejercicio: Un carbón bituminoso se quema con un 23% de exceso de oxígeno. El análisis final de carbón muestra la siguiente proporción (en masa) C- 63.5%, H2 - 4.07%, S- 1.53%, O2 - 7.46%, N2, 1.28%, H2O- 15.0%, cenizas, 7,16%. Determinar la cantidad de aire que se debe de suministrar por cada 1000kg de combustible. Determinar la concentración de CO2, H2O, N2, O2 y SO2 en los gases de salida. Determinar la emisión de partículas en gr/m3 suponiendo que un 50% de estas salen a la atmósfera. O2 5,29 2.04/2=1.02 0.048 -0.233 6.125 Constituyente masa M moles C 63.50 12 5.29 H2 4.07 2 2.04 S 1.53 32 0.048 O2 7.46 32 0.233 N2 1.28 28 0.046 H2O 15.00 18 0.833 Ash 7.16 *1.23 = 7.53 moles *(1+79/21) = 35.9

29. En los gases de salida tendremos: Combustible Productos de combustión CO2 5.29 - 5.29 O2 H2O 2.04 - 1.02 O2 SO2 0.048 - 0.048 O2 O2 + 0.233 O2 N2 0.046 H2O 0.833 Aire O2 +7.53 N2 28.34 38.0 (húmedos) 35.13 (secos) Partículas (7.16/2)/0.91 = 3.93gr/m3 pV=nR+T; V = nR+T/p = 38.0*8.31*293/101325 =0.91 m3

30. La combustión incompleta del combustible puede dar lugar a la aparición de hidrocarburos no quemados. • La combustión incompleta del combustible da lugar, además del combustible que queda sin quemar, a la aparición de monóxido de carbono CO. • Así mismo, a las temperaturas alcanzadas en el interior de los cilindros se forma NO a partir del oxígeno y el nitrógeno del aire. La cantidad de este compuesto depende de la temperatura, la presión, tiempo de reacción y combustible presente.

31. Emisiones de VOC, CO y NO en función de la razón de mezcla

32. La figura anterior nos muestra que a factores l menor que la unidad, se produce una alta concentración de CO e hidrocarburos y una baja emisión de NO. Cerca de la razón estequiométrica se produce un mínimo de CO e hidrocarburos, pero un máximo de NO. A factores l mayores que la unidad se incrementan los hidrocarburos y disminuyen el CO y NO. • La conclusión que se puede obtener de los anteriores números es que variando únicamente la razón de mezcla no se puede disminuir a la vez el CO, el NO y los HC.

33. Factores que afectan a la combustión • Temperatura: La velocidad a la que los materiales combustibles son oxidados dependen fuertemente de la temperatura de trabajo del incinerador. En general un aumento de la temperatura produce un aumento de la velocidad de oxidación. Se debe de alcanzar por lo menos la temperatura de ignición de las substancias que queremos eliminar. Como una mayor temperatura puede significar más combustible y por tanto mayor coste se debe de evaluar muy bien la cantidad de combustible que hay que añadir (es posible que el material a oxidar contribuya también a generar calor, ahorrando combustible)

34. Factores que afectan a la combustión • Tiempo de residencia: Para que se produzca la combustión completa de además de alcanzar la temperatura apropiada se debe de mantener un tiempo mínimo a esa temperatura de tal forma que todas las substancias nocivas sean eliminadas. El tiempo de residencia es función de la geometría de la cámara de combustión y del flujo de paso de la corriente gaseosa por dicha cámara. El tiempo de residencia depende obviamente de la temperatura.

35. Factores que afectan a la combustión • Turbulencia: Para que se produzca una buena combustión es necesario que exista una buena mezcla entre el oxígeno y el combustible, si no ocurre esto, es posible que parte del combustible no sea oxidado y salga al exterior. Así mismo es necesario que toda la mezcla combustible alcance la temperatura de ignición. La corriente de gases de desecho se pueden calentar de dos maneras • Por contacto directo con la llama del combustible auxiliar. • Mezclándolos con los gases generados en el proceso de combustión, corriente debajo de la llama. Aunque el contacto directo con la llama es el método más rápido de alcanzar altas temperaturas a veces es contraproducente porque se puede producir un efecto de dilución al añadir una mezcla más fría y disminuir la temperatura de la llama.

36. Factores que afectan a la combustión • Oxígeno: Obviamente puesto que el proceso de combustión necesita oxígeno, uno de los ingredientes fundamentales es dicho gas. Hay que mantaner por tanto un aporte mínimo de gas. Al menos el que corresponde a la relación estequiométrica Temperatura de la llama como función de la razón de mezcla

38. Incineradores

39. Eliminación de hidrocarburos y otros compuestos orgánicos • Eliminación de otros compuestos, Cl, S, F • Eliminación de partículas combustibles • Eliminación de sustancias peligrosas

40. Industrias/emisiones

41. Tipos de incineradores

42. Incineración por llama directa: Los gases residuales se queman directamente en una combustión, con o sin aporte de combustible adicional. Es un método únicamente apto para aquellos casos en los que la cantidad de gases combustibles en los gases residuales sea importante. Es necesario conocer los límites explosivos y la inflamabilidad de los gases a incinerar. Presenta el problema de las altas temperaturas (~1300 C) que se alcanzan lo que puede llevar a la formación de óxidos de nitrógeno. Es habitual ver antorchas de incineración por llama directa en industrias petroquímicas

43. Incineración térmica: Se usa cuando la concentración de gases combustibles en la los gases residuales es baja. Los gases residuales se precalientan en un intercambiador de calor y se llevan a la cámara de combustión donde con aporte de combustible adicional y oxígeno se queman por completo. Los parámetros más importantes para conseguir un buen rendimiento son: tiempo de residencia, turbulencia y temperatura. Entre los 780 - 1030 K se queman los hidrocarburos y hacia los 950 - 1060 K se oxida el CO, los olores entre 750-980 K.

44. Incineración catalítica: En este caso los gases se hacen pasar por un lecho catalítico que provoca la aceleración de la tasa de oxidación. Los tiempos de residencia son menores que en el caso de los incineradores térmicos y las eficacias muy elevadas trabajando a temperaturas muy bajas, del orden de 225 a 340 C, aunque las mayores tasas de eficacia se alcanzan a temperaturas algo más elevadas entre 415-550 C. Como catalizadores se suelen emplear metales nobles sobre una soporte de alúmina. Se debe de tener en cuenta la presencia en los gases residuales de elementos que envenenan el catalizador

45. Los incineradores bien térmicos bien catalíticos se dividen en: simples, recuperativos, regenerativos. En el primer caso, no llevan ningún tipo de recuperación de calor. Los recuperativos, como su nombre indica tratan de recuperar parte del calor que se le ha añadido a los gases en el incinerador, de tal forma que no se necesite demasiado combustible para su funcionamiento. Incinerador térmico recuperativo

46. Incinerador catalítico recuperativo

47. Incinerador térmico regenerativo: En este caso el la recuperación de calor se hace con un sistema de torres cerámicas, que absorben fuertemente el calor y un sistema de válvulas que alternan el paso del aire entre una torre y otra. La torre que en un ciclo del sistema absorbe calor una vez el aire ha pasado por el quemador, se emplea para calentar el aire en el siguiente ciclo

48. Tipo de tecnología LEL: Lower explosive limit