Unidad 2. 1. Modelo de contaminantes en sistemas atmosféricos

 

En la actualidad, las actividades humanas generan emisiones en estado gaseoso y material particulado el cual es integrado a la atmosfera, siendo este medio de transporte el más susceptible para la dispersión de contaminantes, esto implica la importancia de conocer y saber las escalas espaciales geográficas que son afectadas durante su dispersión. Es importante mencionar que la atmosfera es un fluido dinámico, el cual cuenta con una composición y estructura determinada, de igual forma está compuesta por sistemas atmosféricos, los cuales tienen factores climatológicos como son: velocidad, humedad relativa, presión, temperatura y dirección del viento, la relación de estas variables forman en primera instancia precipitaciones pluviales para dar paso a depresiones y tormentas tropicales llegando a generar tornados o huracanes, dependiendo su ubicación.

Con base al párrafo anterior, Zuk y Garibay definen a los sistemas atmosféricos como las variaciones atmosféricas determinadas por los movimientos globales de las masas de aire, dichos movimientos son clasificados de la siguiente manera: micro escala, mega escala y macro escala; para ello debes leer el tercer capítulo llamado Modelación de la contaminación atmosférica del libro Introducción a la evaluación de los impactos de las termoeléctricas de México de los autores Zuk, Garibay, Iniestra, López, Rojas y Laguna, de la página 45 a la 48. En estas páginas encontraras las escalas de movimientos de los sistemas atmosféricos. Estos movimientos conforman diferentes tipos de climas, como son tormentas, ciclones, precipitación pluvial o estabilidad atmosférica en ciertas regiones, es importante señalar que los sistemas atmosféricos se encuentran íntimamente relacionados al relieve topográfico y geográfico de la escala espacial.

Hablar de contaminantes en sistemas atmosféricos conlleva a tocar el tema de evaluación de calidad del aire, en la cual se compara los Limites Máximo Permisibles (LMP) de contaminantes, con la reglamentación establecida por los organismos gubernamentales de los diferentes países. En general, los avances tecnológicos e industriales han hecho que el aire pierda la calidad, por lo que es necesario estudiar este problema para proponer soluciones.

Para establecer soluciones ante estas problemáticas, es necesario realizar un diagnóstico que indique las concentraciones de los contaminantes con respecto a los receptores, siendo esta el instrumento que brinda la información de los procesos que ocurren en la atmosfera, su dilución, transporte, remoción y transformación química de los contaminantes hasta alcanzar los receptores. Para eso debes leer el capítulo 13 La contaminación del aire, en la sección llamada Predicción de concentraciones de contaminantes en el aire de Glynn y Heinke de las páginas 548 a la 555. Este modelo de dispersión de contaminantes atmosférico menciona que si se adopta un buen número de simplificadores es posible desarrollarse con ecuaciones gaussianas para describir la dispersión del contaminante en la atmosfera.

Dentro de la información requerida se muestra a continuación, algunas variables que son de utilidad para describir los contaminantes atmosféricos:

Datos de fuentes fijas:

·         Emisiones de contaminantes kg/h

·         Temperaturas de gases ºK, ºF

·         Composición de gases ppm, mg/m³

·         Diámetros de fuente fija (mts).

·         Altura de fuente fija (mts).

·         Coordenadas en UTM de fuentes fijas (mts).

·         Altura de la pluma (mts).

Condiciones topográficas.

·         Relieve de la zona (carta topográfica).

Variables meteorológicas

·         Velocidad del viento m/s

·         Dirección del viento Grados.

·         Temperatura ambiental ºC

·         Humedad relativa %

Por otro lado, el flujo energético en la atmosfera y el balance de radiación solar son temas relevantes en el sistema atmosférico. Para ello debes leer el capítulo llamado Radiación que es parte del libro Meteorología y Clima cuyas autoras Casas y Alarcón, presentan una amplia explicación sobre este tema en las páginas 36 a la 39, 43 – 44 y 53 – 56 del documento. Mencionan que la radiación solar directa en los componentes de la atmosfera interfiere en el proceso que influye en el equilibrio del sistema atmosférico. Sobre el flujo energético en la atmosfera y el balance de energía, menciona que un sistema abierto como este se determina por una series de transmisiones de materia y energía y una de las principales fuentes energéticas que recibe la atmosfera es el sol ya que de ella dependen los procesos físicos que permite la vida del planeta, asi como tambien todas las variables climáticas.

La energía del sol es emitida como radiación y se transmite en forma de ondas electromagnéticas que pueden tener longitudes de ondas diferentes; todos los cuerpos con temperatura encima de cero absoluto emiten radiación, se le denomina radiación térmica y es visible al ojo humano en forma de luz. Todo esto lo encontraras de manera completa en este tema que, en resumen, te ayudara a entender el efecto que tiene el sol y los contaminantes sobre la atmosfera y la superficie terrestre.

Como ya se mencionó anteriormente la energía del sol es emitida en radiaciones, ahora el efecto que tiene el sol sobre los contaminantes es a través de los rayos que emite sobre los contaminantes en la atmosfera, esto hace que los contaminantes se propaguen y esto hace visible la relación que existe entre el balance de energía y la dispersión de contaminantes que son las concentraciones de contaminantes en el sistema, en este caso el balance de energía se refiere a la energía que se recibe, que permite la dispersión de contaminantes.

Sin lugar a dudas, muchos de los estudios sobre el sol como fuente alterna para producir energía limpia, son de gran relevancia en la actualidad. Ya que, entre otras cosas proporcionan información sobre el balance de radiación solar, para comprender este tema debes leer detenidamente el primer capítulo de la tesis Estudio del transporte de energía solar concentrada a través de fibras ópticas de Jaramillo Salgado de la UNAM, de la página 16 a la 23, en este encontraras la información sobre radiación, intensidad de radiación, flujo radiactivo y las propiedades de la radiación, donde tambien se describe de manera detallada como calcular la radiación solar en cualquier parte de la Tierra y muestra ecuaciones que permiten obtener valores aproximados acerca de la radiación. Ademas, te ayudara a comprender el significado de la radiación solar y la importancia que tiene en el planeta el flujo energético del sol.

Asi, de esta manera la radiación solar influye cuando se está modelando en una dispersión de contaminantes; la intensidad de radiación, flujo radiactivo y propiedades de la radiación influyen de manera que los agentes contaminantes simples se descomponen y se convierten en compuestos complejos, en otras situaciones hay compuestos que son fotosensibles, es decir que reducen su concentración expuesta a la radiación solar y en ausencia de ella, aumenta la contaminación.

Dentro del estudio del sistema atmosférico, la meteorología se encarga de comprender la dinámica de los fenómenos ambientales que se presentan en la atmosfera; asi como de pronosticar el tiempo en un mediano plazo, a través del análisis de las variables meteorológicas. Tambien ayuda a explicar el impacto de dichas variables con la dispersión de contaminantes atmosféricos, la cual presenta comportamientos como: a mayor velocidad de vientos un mayor rango de afectación en las escalas espaciales, donde se depositan las concentraciones de partículas. En tanto para gases, a mayor velocidad del viento mayor dilución del contaminante y menor rango de afectación. Esto quiere decir, que dependiendo de las variables meteorológicas tales como temperatura, humedad o velocidad del viento, será el comportamiento de la dispersión del contaminante. Todo esto lo comprenderás mejor al leer el tercer capítulo del libro Meteorología y Clima de los autores Casas y Alarcón, publicado en 1999, llamado El movimiento atmosférico, en las páginas 63 a la 69. En este podrás observar el efecto Coriolis, este se produce debido a la rotación de la tierra cuando hace que las corrientes de aire se desvíen a la derecha del hemisferio norte y a la izquierda del hemisferio sur. Tambien influye en la desviación del aire por lo tanto propagara la contaminación con la dirección del viento. En ese sentido, la fuerza generadora es aquella que no depende del movimiento del aire si no de la propiedad física de los cuerpos que lo originan: por ejemplo, la fuerza de la gradiente de presión y la fuerza de gravedad. A través de estos elementos, se mueven los contaminantes en la atmosfera e influyen en la dirección del viento, con mayor fuerza.

Cabe añadir. Que para poder censar los parámetros ambientales meteorológicos, se requiere de equipo especializado que recabe la información en un determinado tiempo, tal es el caso de las estaciones meteorológicas las cuales cuentan con: anemómetros que registran la velocidad, veletas para la dirección del viento, higrómetros para la humedad relativa, termómetros para la temperatura ambiente, entre otras cosas. Todo esto lo encontraras en el cuarto capítulo Fenómenos meteorológicos del libro Meteorología y Clima de los autores Casas y Alarcón, publicado en 1999, revisa de la página 87 a la 90.

Ademas de la meteorología, la contaminación de la atmosfera incluye elementos que pueden ser de origen natural y emisiones de las diversas actividades humanas. Los contaminantes pueden ser compuestos gaseosos, aerosol o material particulado. En los contaminantes gaseosos se encuentran el ozono, óxidos de azufre y nitrógeno. El material particulado se caracteriza por partículas suspendidas totales, partículas suspendidas menores a diez micras y partículas suspendidas con diámetro menor a 2.5 micras. Asi, en las fuentes de emisiones se distinguen dos grandes tipos de fuentes: móviles y fijas.

Las fuentes móviles son los aviones, helicópteros, ferrocarriles, tracto camiones, automóviles y maquinarias no fijas con motores de combustión y similares, que por su operación pueden generar emisiones de contaminación en la atmosfera.

En las fuentes fijas existen tres tipos de fuentes emisoras:

·         Fuentes puntuales: sector industrial e institucional que se derivan de la generación de energía eléctrica y de las actividades humanas.

·         Fuentes de área: sector comercial y de servicios esto incluyen aquellas emisiones inherentes a actividades y procesos como el consumo de solventes.

·         Fuentes naturales: se refiere a la generación de emisiones que se produce por volcanes, océanos, plantas de suspensión de suelos, emisiones por digestión anaerobia y aerobia de sistemas naturales.

La contaminación de la atmosfera es el resultado de la emisión de gases y partículas que se producen de un amplio conjunto de actividades naturales. Sin embargo, la contaminación es tambien producida por las actividades humanas que afectan las vías respiratorias en las personas y animales. El aire que se respira está muy contaminado en muchas zonas, y en algunos casos esto se debe a las grandes potencias de los focos emisores, y en otros a las emisiones que se producen en las aglomeraciones urbanas e industriales donde el hombre desarrolla sus actividades. Para conocer como la chimenea es un elemento emisor en fuentes puntuales debes leer Dispersión de contaminantes atmosféricos del libro de Tratamiento y valoración energética de residuos, publicado en el año 2005 por Xavier Elías Castells de las páginas de 55 – 58. En este documentos podrás observar los mecanismos de dispersión de contaminantes de la atmosfera, asi como tambien modelos de dispersión, este modelo permite relacionar la calidad del aire con la emisora de contaminantes atmosféricos; ya que un modelo de dispersión es una herramienta que facilita observar el comportamiento del contaminante en la atmosfera.

Retomando la fuentes fijas, las chimeneas, son fuentes generadoras puntuales, ya que todo proceso de transformación de materia prima que lleve a cabo la quema de combustibles fósiles en su proceso emite partículas que puede variar de 10 a 2.5 micrones. Las fuentes fijas se definen como la fuente conducida de gases y/o partículas provenientes de un proceso de combustión, por ejemplo, los procesos de molienda o extractores de polvos que forman parte de dichas fuentes fijas y la forma como deben ser tratado adecuadamente se explica en la NOM-085-SEMARNAT-2011 publicada en el Diario Oficial de la Federación de las páginas 12 a la 16, consúltala. En esta norma se menciona que los datos importantes en las fuentes fijas son: la cantidad de humedad de las descargas, la temperatura, la concentración de contaminantes y la velocidad de los gases, todos estos datos son preponderantes para la estimación de la dispersión de contaminantes. Esta norma tambien establece los parámetros de los contaminantes en este caso, las fuentes fijas. Las fuentes puntuales afectan a la atmosfera ya que liberan grandes cantidades de contaminantes que son acumuladas en ella.

Las características de la chimenea afectan a la dispersión del contaminante, porque son utilizadas por la industria para liberar gases, vapores y residuos que la mayoría de las veces son altamente tóxicos y se van concentrando en la atmosfera. Para determinar el impacto de contaminantes que es liberada a la atmosfera por una chimenea se debe conocer la altura de la chimenea, puesto que la altura de la boca de la misma se ubica de acuerdo a la velocidad y dirección que tiene el viento; a partir de ahí, se conoce como se dispersa el contaminante sobre un área geográfica de terminada. Debido a lo anterior, es importante que conozcas que son las fuentes fijas para conocer el medio por el cual se contamina el ambiente; las fuentes fijas son las grandes industrias que emiten contaminantes nocivos para la salud.

Tambien es importante conocer las dispersiones de los contaminantes, para ello debes aprender acerca de los modelos gaussianos, estos son los que se utilizan para estimar la concentración de un contaminante no reactivo producido por una fuente puntual, por ejemplo, la chimenea de una fábrica o el escape de un depósito.

La función de la chimenea es descargar los contaminantes a suficiente altura para que puedan dispersarse en la atmosfera antes de llegar al suelo. Las chimeneas más altas dispersan mejor los contaminantes debido a que estos tienen que viajar a través de una capa atmosférica más profunda antes de llegar al nivel del suelo. A medida que el contaminante viaja, se extiende y dispersa los gases emitidos por las chimeneas formando una estructura gaseosa en forma de abanico llamada penacho o pluma.

La modelización del transporte de contaminantes sirve para la determinación de la variación de la concentración de un contaminante en el espacio y en el tiempo. De esta manera, se puede estimar ciertos parámetros de emisión desde una fuente fija para mantener los limites indicados por la legislación en las zonas al foco emisor, cuando se diseña una chimenea industrial.

De todos los modelos desarrollados uno de los más usados, cuando los contaminantes no son reactivos, es el modelo de dispersión gaussiano. Este modelo parte en varias suposiciones, lo que hace que no sea totalmente preciso:

·         La velocidad y dirección del viento entre el foco emisor y el receptor de contaminantes es constante.

·         Todo el vertido permanece en la atmosfera, sin reacción alguna, y no existe deposición en forma de lluvia o partículas.

·         La dispersión se puede describir por una distribución de Gauss.

Los factores de los que depende la dispersión de contaminantes:

·         Naturaleza física y química de la emisión.

·         Meteorología de la zona.

·         Ubicación y tamaño de la chimenea.

·         Características orográficas del terreno.

Ilustración 1. Emisiones de una chimenea.

La ecuación general del modelo de Gauss para la medida de la contaminación en cualquier punto es el siguiente:

Donde:

C = Concentración de contaminante en el punto (x, y, z).

Q = Caudal de emisión del contaminante.

 = Son las desviaciones estándar en las direcciones “y” y “z” respectivamente.

u = Velocidad del viento en la boca de la chimenea.

H = Altura efectiva de la chimenea,

Ilustración 2. Cálculo de .

Según los resultados obtenidos del modelo Gaussiano, puedes observar a través de la campana de Gauss, el nivel de contaminante que emite la chimenea, tambien se puede observar la dirección y la velocidad en que se dispersa el contaminante, dependiendo la altura de la chimenea.

Entonces que se puede decir, que la modelación atmosférica es un instrumento que permite comprender y entender lo que ocurre en un sistema en este caso atmosférico; el uso de la modelación es importante para determinar en qué valores se encuentran los contaminantes y de esta manera buscar soluciones para remediar o mitigar el impacto ambiental.

A través de la modelación atmosférica se puede determinar las concentraciones de contaminantes que son emitidos en el aire y para realizar la modelación, se requieren de datos de entradas sobre la situación de emisiones de dichos contaminantes. Dentro de este tipo de modelación, la meteorología juega un papel importante ya que investiga el comportamiento de las grandes masas de aire y analizan factores particulares como la temperatura, presión, humedad, viento o precipitaciones, para poder hacer una previsión del tiempo.

Los factores que dependen de la dispersión de los contaminantes para modelar la concentración de contaminantes en la atmosfera son: la naturaleza física y química del efluente, las condiciones meteorológicas del ambiente, la localización de la chimenea respecto al movimiento del aire, la naturaleza del terreno y el grado de turbulencia en la atmosfera. Pero es importante mencionar que para estos modelos que se aplican en un contaminante atmosférico se requiere usar la formulación matemática respectiva al contaminante. Después de elegir el modelo, con la finalidad de contar con la aproximación de la presencia de la sustancia toxica en el aire, se realiza un análisis del tipo de contaminante y sus características ya sean propiedades físicas y químicas, tambien de la disposición espacial y temporal para los cálculos, la topografía del suelo, la meteorología del lugar, los recursos computacionales y humanos y finalmente del equipo para realizar la modelación.

Unidad 2. 2. Aplicación de tecnologías de reducción de contaminantes

 

La reducción de contaminantes es un problema que se debe de atender en las industrias, para lo cual, el Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático menciona que en materia de normatividad de aire México cuenta con varios instrumentos jurídicos que permiten prevenir y controlar la contaminación atmosférica, entre los que se encuentran:

·         Ley General del Equilibrio y la Protección al Ambiente.

·         Reglamento en Materia de Prevención y Control de la Contaminación Atmosférica.

·         Normas Oficiales Mexicanas Sobre Fuentes Fijas.

·         Normas Oficiales Mexicanas Sobre Fuentes Móviles

o  Calidad de combustibles.

o  Calidad del aire.

o  Monitoreo.

De acuerdo con la normatividad aplicable, cuando una industria emite contaminantes atmosféricos debe ajustarse a cumplir ciertos requerimientos y reducir sus emisiones aplicando medidas preventivas que, en muchos casos, implican alguna tecnología para lograrlo. Un ejemplo de lo anterior es la autorregulación que se promueve en la Ciudad de México. La autorregulación se define como un mecanismo voluntario en el que se reducen las emisiones por debajo de los límites máximos permisibles fijados en la normatividad aplicable vigente, lo cual trae como consecuencia que la industria ademas de exentar el Programa de Contingencias Ambientales Atmosféricas (PCAA) sea un candidato para obtener algunos estímulos fiscales como la exención del pago del impuesto predial y la reducción del 50% al impuesto sobre la nómina.

De acuerdo con la Comisión para la Cooperación Ambiental de América del Norte, para aplicar una tecnología de reducción de contaminantes atmosféricos, primero se debe seleccionar la tecnología más adecuada; para ello considera las siguientes variables:

·         Entorno de la fuente de emisión.

·         Origen de las emisiones.

·         Distribución del tamaño de partículas. La eficiencia de muchos equipos depende de las características de la partícula.

·         El flujo o caudal de la corriente gaseosa.

·         La naturaleza de los contaminantes, es decir si son reactivos, corrosivos, volátiles, si se pueden condensar, o si son explosivos, entre otras características relevantes para su reducción y disposición.

·         Las características de la corriente gaseosa, es decir su temperatura de salida, contenido de humedad, presión, velocidad de salida de los gases, frecuencia con que lo hace, concentración de los contaminantes, tanto de partículas como gases.

·         Normatividad aplicable y los límites máximos permisibles estipulados en ellas.

·         El conocimiento de los equipos de control existentes para tratar los contaminantes existentes en la corriente gaseosa.

En lo referente al conocimiento del equipo de control óptimo para tratar los contaminantes existentes, se pensaría que debe seleccionarse el equipo que tenga mejores eficiencias de remoción, pero no siempre es asi porque tambien se deben considerar factores como el consumo energético, costo de compra y de mantenimiento y en general el impacto ambiental y técnico que puede producir su implementación.

Para seleccionar la tecnología apropiada la Comisión para la Cooperación Ambiental de América del Norte recomienda el uso de una metodología cuyo objetivo es encontrar la mejor tecnología disponible (MTD); esta utiliza un proceso descendente y se caracteriza por ser un método rápido y simple que puede aplicarse a todas las fuentes y contaminantes.

De acuerdo con la CCA, los pasos para instrumentar la MTD son cinco:

El primer paso consiste en identificar la tecnología incluyendo los equipos de control viables para los contaminantes que se desean remover, para esto es indispensable tener presente la naturaleza del contaminante y las características de la corriente gaseosa. También hay que considerar las acciones que pueden ayudar a la reducción de contaminantes y la instalación y operación de equipos de control.

El segundo paso consiste en eliminar las opciones no viables, es decir se evalúa la viabilidad técnica de cada una de las opciones identificadas en el primer paso; para ello, de nuevo se necesita considerar la naturaleza de los contaminantes y las características de la corriente gaseosa, ademas de aspectos como espacio disponible para instalar el equipo de control y eficiencia del equipo si es que aplica. Las opciones de reducción que se desechen deberán justificarse explicando las dificultades que se tendrían en la implementación de esa opción, para ello se pueden emplear principios físicos, químicos y de ingeniería.

El clasificar y ordenar las opciones viables es el tercer paso y consiste en formar una lista en donde se expongan las opciones viables resultantes del paso 2, estas estarán en orden descendente de acuerdo a la eficiencia que tengan, tambien se incluirán los siguientes puntos para cada tecnología:

·         Porcentaje de contaminante que se eliminaría.

·         Flujo de la corriente gaseosa a tratar.

·         Consumo energético.

·         Impactos negativos al ambiente, producto de su operación.

·         Rentabilidad económica.

El cuarto paso se refiere a evaluar la opción más eficaz, en este punto se consideran las opciones que resultaron del paso 3 y se evalúan los aspectos energéticos, ambientales y económicos que pueden derivar de su implementación.

Esta evaluación debe ser muy objetiva y en la medida de lo posible se cuantificarán los efectos tanto positivos como negativos, tal como lo menciona la CCA, el análisis de la(s) opción(es) de control se centrará en el impacto directo que produzca su implementación.

Durante este proceso si se detecta que la tecnología elegida no es viable o adecuada siempre se deberá justificar la razón por la cual no lo es y se escoge la opción que se apegue lo más posible a lo requerido, considerándola como la opción más eficaz a evaluar. Este proceso continua hasta que se encuentra una alternativa u opción que no pueda ser desechada.

Finalmente, el quinto paso consiste en justificar la selección de la mejor tecnología de control disponible; para este momento ya se ha elegido una opción como la mejor alternativa: la que cumpla al máximo con los requisitos que se necesitan.

Se debe tener en cuenta que la selección de la tecnología deberá acompañarse de documentos que permitan ver el proceso de selección y que fundamenten el porqué de la misma.

Cabe destacar que las tecnologías de reducción de contaminantes se modifican porque cambian las necesidades en lo referente a la reducción de contaminantes y por la naturaleza de las opciones de reducción, asi que la tecnología de reducción de contaminantes que se elige hoy puede ser remplazada por otra en el futuro.

Como veras, estos pasos son muy sencillos y se tendrán que hacer para cada contaminante o grupo de contaminantes según sea el caso.

La implementación de una tecnología o equipo de control para reducir contaminantes involucra un análisis detallado; primero, el proceso productivo, después las necesidades de la empresa y, por último, las opciones con las que se cuentan. Adicionalmente, se consideran los aspectos técnicos, económicos y ambientales que conllevan la implementación de la selección y su seguimiento.

2. 2. 1. Tecnologías de reducción de contaminantes atmosféricos para partículas.

En lo que se refiere a la contaminación atmosférica por partículas se entiende un material particulado en suspensión que puede provenir del escape de motores diésel, cenizas, polvos minerales (carbón, amianto, caliza, cemento), polvos y humos metálicos (zinc, cobre, hierro, plomo), nieblas acidas (ácido sulfúrico), fluoruros, pigmentos, nieblas de pesticidas, hollín y humos.

Para la remoción de contaminantes particulados existen equipos de control como ciclones, multicliclones, lavador Venturi, precipitador electrostático, filtros, entre otros, los cuales como recordaras, sirven para instalarse en fuentes fijas (industrias) con la finalidad de reducir partículas y gases de las emisiones atmosféricas emitidas por sus actividades productivas.

Filtros.

Dentro de los equipos de control de contaminación atmosférica, los filtros son los que mayor eficiencia tienen en el control de partículas. De acuerdo con Wark los filtros se definen como cualquier estructura porosa compuesta de material granular o fibroso que tiende a retener partículas según pasa el gas que lo arrastra a través de los espacios vacíos del filtro, por ello, estos suelen ser de diferentes materiales siempre y cuando sean compatibles con la corriente gaseosa y las partículas, siendo comúnmente de tela y metálicos.

En lo referente a su funcionamiento, el filtro es una estructura rectangular en donde se ubica el material filtrante agrupado con un número determinado de unidades individuales. De acuerdo a su diseño, este puede adoptar formas tubulares que se denominan mangas o formas rectangulares que se denominan bolsas. En la parte inferior del equipo se ubica una tolva en donde sedimentan las partículas y remueven los sólidos. En la parte de la estructura rectangular se encuentra la entrada del gas contaminado y en la parte superior de la misma estructura se ubica la salida de gas limpio.

En estos filtros ingresa la corriente de gas y se dirige corriente debajo de tal forma que llega hasta el otro extremo del equipo de control permitiendo que la corriente de gas atraviese todos los materiales filtrantes y egrese la corriente de aire limpio.

Los filtros de mangas se caracterizan por tratar efluentes entre 0.23 y 23 g/m³, sus dimensiones suelen ser de 6 – 10 m de longitud y 0.15 – 0.3 m de diámetro; el número de mangas por partículas es de 40 a 700.

En el caso de los filtros de tela, cuando este es de bolsas puede tener una longitud de 6 a 9m y 12.7 a 30.5cm de diámetro. Cuando se tienen flujos de gas a temperaturas entre 95 a 150ºC se recomienda utilizar un material filtrante (telas) como poliolefinas de nylon, acrílicos y poliésteres; para flujos de gases de combustión a elevadas temperaturas, se sugieren telas estables térmicamente como la fibra de vidrio o el teflón.

Ilustración 1. Filtro de mangas.

Dentro de los filtros de tela existen diversos tipos que se clasifican de acuerdo al sistema de limpieza que utilizan, por ejemplo:

·         Filtro de tela con limpieza aire-invertido mejorada y bocina sónica.

·         Filtro de tela con limpieza por sacudimiento mecánico mejorada y bocina sónica.

·         Filtro de tela con limpieza Pulse-Jet.

·         Colector tipo cartucho con limpieza Pulse-Jet (filtro).

·         Filtro de tela tipo de limpieza con sacudimiento mecánico.

·         Filtro de tela tipo con sacudimiento mecánico y mejorada con bocina sónica (casa de bolsas).

·         Filtro de tela tipo de limpieza por chorro pulsante (casa de bolsa).

En la selección de filtros lo más importante es conocer la finalidad de su implementación, lo cual tambien implica la necesidad de conocer las características de la fuente emisora y de la emisión misma. De los filtros, la parte fundamental es el material filtrante, para ello hay que tener presente factores como temperatura, condiciones químicas adversas y del gas, humedad y estabilidad dimensional. Por ejemplo, para el control industrial de la contaminación no es conveniente utilizar los filtros de papel pues tienen propiedades mecánicas relativamente pobres causando que no pueda colectar grandes cantidades de polvo; adicionalmente, los filtros de papel no se pueden utilizar para corrientes gaseosas con temperaturas elevadas, aunado a esto, la corriente gaseosa que entra al filtro debe ser pequeña pues de lo contrario provocaría una acumulación de polvo que habría una saturación del filtro mermando el paso del gas y por consiguiente necesitando reemplazar constantemente el filtro. Es por ello que estos tipos de filtro se utilizan para separar partículas de corrientes gaseosas relativamente limpias como en habitaciones donde se requiere cierta limpieza, aunque habitualmente se utilizan para limpiar el aire donde están motores de combustión interna.

Resumiendo, los factores que se deben tomar en cuenta a la hora de seleccionar un material filtrante son la composición química del gas, características fisicoquímicas de las partículas, humedad, resistencia mecánica y método de limpieza.

Las características típicas que debe tener la corriente de emisión para utilizar todos los equipos mencionados anteriormente son las que se presentan a continuación:

Tabla 1. Características de la corriente de emisión.

Características de la corriente de emisión
Flujo de aire	Para bolsas estándar se maneja 0.10 a más de 50 m3/s
Temperatura de ingreso del gas	Cerca de 260ºC con picos de 290ºC
Carga de contaminantes	1 – 23 g/m3, en casos extremos 0.1 – 230 g/m3
Otras consideraciones	Para su diseño se debe revisar el contenido de humedad y la corrosividad.

Tambien existe el Filtro de papel/material no tejido – colector tipo cartucho con limpieza por chorro pulsante. En este caso, para que se utilice este filtro las características que debe tener la corriente de emisión se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 2. Características de la corriente de emisión.

Características de la corriente de emisión
Flujo de aire	Menos de 0.10 – 5 m3/s
Temperatura de ingreso del gas	Medios filtrantes de papel hasta 95ºC Medios de material sintético hasta 200ºC
Carga de contaminantes	Colectores de cartucho 1 – 23 g/m3 Filtros de cartucho con medios de material sintético no tejido, hasta de 57 g/m3
Otras consideraciones	Para su diseño se debe revisar el contenido de humedad y la corrosividad. Filtros de papel: La velocidad de filtración es de 150 cm/min, se pueden utilizar para separar partículas menores a 1 µm de diámetro, inclusive bacterias y pueden tener una vida útil de varios miles de horas, dependiendo en donde se utilicen.

Lavadores.

Los lavadores son equipos que eliminan partículas y gases mediante contacto directo de agua, un adsorbente o una solución alcalina con la corriente gaseosa. Como se ha mencionado anteriormente, los lavadores se usan para remover partículas y gases, principalmente óxidos de azufre (SOx) aunque tambien pueden remover otros gases como por ejemplo HCl, H₂S, NH₃, NO₂ HF, COV, entre otros. Los tipos de lavadores que existen son secos y húmedos. Los lavadores secos utilizan un flujo de gases y se ponen en contacto con un adsorbente alcalino, el adsorbente más común es la cal. El adsorbente se puede distribuir por: suspensión acuosa (se suministra por aspersión), polvo seco (inyección del adsorbente en el lavador), inyección del adsorbente en el horno donde se producen los gases contaminantes y por medio de circulación en lecho fluidizado. Los lavadores húmedos utilizan un flujo de gases que se ponen en contacto con una solución alcalina formada por un adsorbente, los adsorbedores más comunes son la cal, caliza (CaCO₃) e hidróxido de sodio (NaOH) y se suministran por aspersión. Estos equipos se dividen en lavadores con ayuda mecánica (lavadores en húmedo), de lecho empacado, con lecho de fibra (lavador en húmedo), de orificio (lavador en húmedo), de placas y tipo Venturi.

Las características típicas que debe tener la corriente de emisión para utilizar todos los lavadores mencionados en el párrafo anterior son las que se presentan a continuación.

Tabla 3. Características de la corriente de emisión.

Tipos de lavadores
Equipo	Características de la corriente de emisión
	Flujo de aire	Temperatura de ingreso del gas	Carga de contaminantes
Lavador con ayuda mecánica (lavadores en húmedo)	0.47 – 24 m3/s	Hasta 150ºC	Hasta 150ºC 4.5 g/m3
Lavador de lecho empacado	0.25 – 35 m3/s	4 – 370ºC Para absorción de gases 4 – 38ºC	Menos de 0.45 g/m3 para partículas. Para gases de 250 a 10,000 ppm en volumen
Lavador de lecho de fibra (lavadores en húmedo)	0.5 – 47 m3/s en condiciones estándar	Los lechos de fibra de plástico trabajan por debajo de 60ºC	0.2 – 11 g/m3
Lavador de orificio (lavadores en húmedo)	0.47 – 24 m3/s en condiciones estándar	Hasta 150ºC Para absorción de gases 4 – 38ºC	Hasta 23 g/m3 en condiciones estándar
Lavador de placas (lavadores en húmedo)	0.47 – 35 m3/s	4 – 370ºC	No hay límites para el ingreso de partículas.
Lavador tipo Venturi*	0.2 – 47 m3/s condiciones estándar	4 – 400ºC	1 – 115 g/m3 condiciones estándar
*Son utilizados como pretratamiento

Para utilizar estos equipos se debe hacer una evaluación muy intensa dado que estos equipos utilizan agua y llegan a producir aguas residuales y lodos, ademas de estos inconvenientes tambien se tiene la posibilidad de que el equipo se corroa.

Para reducir partículas, el equipo más popular es el tipo Venturi. Este equipo puede manejar grandes volúmenes de gases y su estructura es relativamente pequeña, aunado a que es un tipo relativamente simple y económico. Ademas, reduce partículas muy pequeñas de hasta 5 micras con eficiencias de más del 99%.

Ilustración 2. Lavador tipo Venturi.

Precipitadores electrostáticos.

Los precipitadores electrostáticos emplean fuerza eléctrica para remover partículas de una corriente de gas y las llevan a un plato colector para finalmente depositarlos en una tolva de recolección.

Existen dos tipos de equipos: precipitador electrostático húmedo tipo tubo y precipitador electrostático seco tipo placa.

Tabla 4. Características de la emisión.

Características de la corriente de emisión	Tipo de precipitador electrostático
	Húmedo	Seco
Flujo de aire	0.5 – 50 m3/s	100 – 500 m3/s en condiciones estándar
Temperatura de ingreso del gas	Menores de 80 – 90ºC	Hasta 700ºC
Carga de contaminantes	1 a 10 g/m3 en condiciones estándar	2 – 110 g/m3 en condiciones estándar
Otras consideraciones	---	Operan eficientemente con resistividades de polvo entre 5x103 y 2x1010 ohm-cm Son difíciles de recolectar PM entre 0.1 – 1.0mm

Los precipitadores electrostáticos son muy costosos, sin embargo, tienen buenas eficiencias para recolectar partículas muy pequeñas 0.1 o 2 micras.

Para la implementación de estos equipos, al igual que los lavadores, se necesita una evaluación muy intensa dado que los lavadores húmedos pueden producir aguas residuales y lodos inherentes, lo que implica gastos extras para el tratamiento de estos residuos. Por otro lado, los precipitadores secos permiten recolectar los polvos a través de una tolva.

Precipitadores electrostáticos

Separadores con ayuda mecánica.

A estos equipos se les conoce como separadores mecánicos, separadores mecánicos centrífugos, colectores centrífugos, separadores dinámicos secos y precipitadores dinámicos. Adicionalmente, a esta tecnología se le conoce como pre-limpieza y su eficiencia es similar a la de un ciclón de alta caída de presión.

Los separadores mecánicos utilizan alabes rotatorios para impartir mecánicamente una fuerza centrífuga a las partículas de la corriente del gas, causando que se separen de dicha corriente, las partículas son colectadas en una tolva para polvos y descargadas para su disposición.

De acuerdo con la EPA, para utilizar este equipo las características que debe tener la corriente de emisión son:

Tabla 5. Características de la corriente de emisión.

Flujo de aire	0.75 – 10 m3/s en condiciones normales.
Temperatura de ingreso del gas	Menos de 370ºC
Carga de contaminantes	10 – 250 g/m3 en condiciones estándar

Nota: Este equipo se puede utilizar en casos en los que se necesite recuperar material particulado y en donde las temperaturas de salida de los gases sean menores a 370ºC. Este equipo opera como los ciclones, por lo que se podría utilizar en fuentes de emisiones de área, por ejemplo, establecimientos madereros.

Ilustración 3. Separador con ayuda mecánica.

Ciclón.

A estos equipos tambien se les conoce como colectores. Cuando varios de ellos operan en paralelo se les llama multiciclones o ciclón de tubos múltiples. Suelen conocerse como prelimpiadores porque reducen la carga de partículas de mayor tamaño (mayores a 200µm), las partículas restantes generalmente son removidas con otro equipo de control.

La forma del equipo es una cámara cónica en cuyo centro se encuentra en tubo que permite el egreso de la corriente gaseosa limpia y en un costado se encuentra un ducto que permite el ingreso de la corriente gaseosa con partículas, la forma cónica (tolva) es en donde sedimentan las partículas y por donde se remueven.

Para explicar el funcionamiento considera que ingresa una corriente gaseosa al ciclón, en el momento que ingresa es forzada a descender con movimientos circulares y rodeando el tubo central por donde emerge el aire limpio, hasta que llega al fondo del equipo; entonces, la dirección del gas se invierte y sube en forma de espiral, pero ahora por el centro del tubo donde sale el aire depurado, el cual finalmente emerge del ciclón.

Ilustración 4 Multiciclon.

¿Te imaginas como sedimentan las partículas?

Cuando ingresa la corriente de gas al ciclón se genera una fuerza centrífuga debido a la corriente gaseosa en rotación, esta promoverá que las partículas de mayor tamaño se impacten en las paredes de la cámara de sedimentación rompiendo la fuerza de resistencia producida por la fuerza de arrastre del gas que pasa por el ciclón hacia la salida, posteriormente la gravedad permitirá que las partículas sedimenten en la tolva. Con las partículas pequeñas de arrastre es mayor que la inercia promoviendo que estas egresen del equipo.

Existen ciclones convencionales, de alta eficiencia y de alta capacidad. Sin embargo, se clasifican generalmente en cuatro tipos dependiendo de cómo se alimenta la corriente de gas, en ciclones con:

·         Entrada tangencial – descarga axial.

·         Entrada axial – descarga axial

·         Entrada tangencial – descarga periférica

·         Entrada axial – descarga periférica.

Para utilizar este equipo de remoción de partículas, las características de la corriente de emisión deberán ser:

Tabla 6. Características de la corriente de emisión.

Flujo de aire	Un solo ciclón 0.5 – 12m3/s en condiciones estándar
Temperatura de ingreso del gas	Hasta 540ºC
Carga de contaminantes	2.3 – 230 g/m3 en condiciones estándar
Otras consideraciones	Trabaja mejor con cargas de contaminantes altas.

2. 2. 2. Tecnologías de reducción de contaminantes atmosféricos para gases.

Los contaminantes gaseosos incluyen compuestos azufrados, nitrogenados, con contenido de carbono, compuestos orgánicos, compuestos halogenados y haluros como SO₂, SO₃, CO, NO, NO₂, NH₄, HC, COV,PAH, aldehídos, HF, HCl. Tambien están considerados los olores producidos por el H₂S, bisulfuro de carbono (CS₂), mercaptanos (R-SH o R1-S-R2).

De acuerdo con Wark, de manera general para el control de gases se pueden emplear los siguientes métodos:

·         Adsorción del contaminante sobre sólidos previamente seleccionados para tal fin.

·         Absorción del contaminante por solventes líquidos.

·         Oxidación, mediante incineración o llama directa.

·         Revisión del proceso para hacer mejoras que ayuden a la reducción de los gases contaminantes.

A continuación, se enlistan algunos equipos de control para gases, específicamente para el contaminante NOx. Hay que recordar que la labor del ingeniero en tecnología ambiental es reducir los contaminantes que pueden ser perjudiciales para el ser humano y el ecosistema, ademas de cumplir con la legislación aplicable y evitar sanciones por parte de la autoridad pertinente al centro de trabajo (industria).

Recirculación del gas de chimenea.

Para reducir la formación de NOx, una porción del flujo de gas que emerge de la chimenea de una industria, por ejemplo, de una dedicada a la fabricación de vidrio hueco, se recircula a la zona de combustión primaria. En este punto se calientan los productos inertes presentes en el gas de recirculación, provocando que disminuya la temperatura pico de la flama (en la zona de combustión primaria) para reducir la formación de NOx por efecto de la temperatura; la formación de NOx tambien se debe a la baja concentración de oxígeno en la zona primaria de la flama.

Incinerador térmico.

Se le conoce como incinerador de llama directa, oxidador termal o quemador auxiliar. El termino quemador auxiliar se utiliza cuando existen un oxidador termal que tiene el propósito de controlar gases de un proceso en donde la combustión es incompleta. A los incineradores termales sencillos tambien se les conoce como incineradores recuperadores.

El incinerador térmico es útil para remover COV, pero tambien para materia particulada; para remover este contaminante los incineradores tienen diferente eficiencia dependiendo de la fuente de emisión en donde se utilice. La función primordial del equipo es controlar COV y se utilizan en una amplia variedad de procesos llegando a alcanzar eficiencia de hasta el 99.99%. Entre los gases que pueden controlar estos equipos están los halógenos o azufre, mismos que en su proceso de oxidación forman cloruro de hidrogeno, fluoruro de hidrogeno gaseoso, bióxido de azufre y otros gases altamente corrosivos, por lo que hay que contemplar que para tratar estos contaminantes es necesario instalar equipos de tratamiento de gases ácidos de post-oxidación.

De manera general, el funcionamiento de este equipo oxida los compuestos con ayuda de un incremento en la temperatura por arriba del punto de auto ignición del compuesto a tratar en presencia de oxígeno. La temperatura se mantiene el tiempo suficiente para completar la combustión hasta llegar a CO₂ y H₂O.

Ilustración 5 Incinerador térmico.

El incinerador termal es una cámara de combustión donde el corazón es una flama estabilizada por una tobera que es mantenida por una combinación de combustible auxiliar, compuestos gaseosos de desecho y aire, la cual es añadida cuando se requiere. La temperatura de ignición se determina empíricamente para cada compuesto.

Para utilizar el incinerador térmico, las características de la corriente de emisión deben tener las siguientes características:

Tabla 7. Características de la emisión.

Flujo de aire	Incineradores recuperativos 0.24 – 24 m3/s en condiciones estándar.
Temperatura	Destrucción de compuestos orgánicos 590 – 650ºC Incineradores de desecho operan a 980 – 1200ºC Incineradores comerciales operan a 870ºC
Carga de contaminantes	1500 – 3000 ppmv
Otras consideraciones	Puede ser necesario instalar equipos de tratamiento de gases ácidos de post-oxidación. En un incinerador comercial el tiempo de residencia nominal es de 0.75 segundos para asegurar el 98% de la destrucción de los orgánicos no halogenados.

Quemadores de bajo NOx

La función principal de estos equipos es reducir la formación de NOx. En el sentido estricto son incineradores térmicos, la reducción que logran se debe al control de la mezcla aire-combustible. Los métodos que se utilizan para la reducción de NOx son:

·         Bajo exceso de aire.

·         Inyección de aire por etapas.

Los quemadores de bajo NOx reducen la turbulencia de la flama, retrasan la mezcla de aire-combustible y reducen la disponibilidad del oxígeno en la zona de combustión primaria inhibiendo la formación de NOx.

El diseño del equipo que más se utiliza para el control de NOx consiste en llevar a cabo la combustión por etapas. Los quemadores de combustible por etapas mezclan una porción del combustible y todo el aire en la zona de combustión primaria; al no haber exceso de aire se logran temperaturas muy bajas en los picos de la flama alcanzados en la zona de combustión primaria reduciendo la formación de NOx producto de la temperatura. El combustible secundario es inyectado a alta presión en la zona de combustión a través de una serie de boquillas, las cuales están posicionadas alrededor del perímetro del quemador.

Como veras, el principio de los quemadores es controlar la combustión para reducir la emisión de contaminantes hacia la atmosfera. Estos quemadores se utilizan en hornos en la industria metalúrgica y son considerados como incineradores.

Ilustración 6. Quemador de bajo NOx

Absorción.

A los equipos de absorción tambien se les conoce como limpiadores y su función consiste en transferir los contaminantes de una corriente gaseosa a una liquida. Las soluciones absorbentes pueden ser agua, sosa caustica, aminas y algunos hidrocarburos. Los factores que generalmente afectan la remoción de contaminantes son la solubilidad del contaminante en el líquido, la temperatura y el pH. La eficiencia de estos equipos depende del solvente que se utilice como absorbente, pero pueden alcanzar eficiencias de hasta 99.9%.