INFORME FINAL DEL PROYECTO

EMISIONES DE CARBONO NEGRO EN PARTÍCULAS ATMOSFÉRICAS PROVENIENTES DE LA QUEMA DE LA CAÑA

DE AZÚCAR

Dra. Violeta Mugica Alvarez Responsable del Proyecto

2012

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CONTENIDO

RESUMEN EJECUTIVO ..................................................................................................................................... 3

EJECUTIVE SUMMARY ..................................................................................................................................... 4

II. CARBONO NEGRO PROVENIENTE DE LA QUEMA DE LA CAÑA DE AZÚCAR ....................................... 8

III. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................................ 9

IV. OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 10

V. METODOLOGIA ........................................................................................................................................... 11

VI. SITIO DE MUESTREO EN CAMPO ............................................................................................................ 13

VII. RESULTADOS ........................................................................................................................................... 16

VIII. CONCLUSIONES ...................................................................................................................................... 30

IX. REFERENCIAS ........................................................................................................................................... 31

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RESUMEN EJECUTIVO

La caña de azúcar es uno de los más importantes cultivos para la economía mexicana y en forma aproximada el 30% de esta producción ser realiza en el estado de Veracruz. Sin embargo, la práctica usual de hacer una quema pre-cosecha de la caña provoca la emisión de partículas, carbono negro, gases de efecto invernadero y precursores del ozono troposférico a la atmósfera.

Aunque se prevén políticas para la eliminación de las quemas en un futuro, actualmente significan un importante daño al medio ambiente. Por ello es importante construir inventarios de emisión confiables y realistas para poder llevar a cabo un adecuado estudio de impacto ambiental.

Se desarrollaron dos campañas de muestreo en la zona de cañaverales de Córdoba, Veracruz con la finalidad de conocer los niveles de contaminación por partículas y carbono negro en las épocas de quema en la estación seca y no quema al final de la estación de secas y de inicio de la de la estación de lluvias. Se determinó que las concentraciones en la época de quema son de 89.4±18 μg/m3 para PM10 y decrecen a 57.2±10 μg/m3 cuando no hay quema. Las concentraciones de carbono negro en la época de quema caña son más del doble en la temporada de quema y cosecha de caña y el 88.3% del carbono negro está contenido en la fracción de PM2.5.

En este contexto, este trabajo tuvo el objetivo de determinar factores de emisión para algunos gases, partículas y carbono negro en el laboratorio. Para ello se construyó un quemador diseñado con una chimenea con puertos de muestreo para realizar un muestreo isocinético y determinar las emisiones generadas por biomasa quemada.

Se determinaron los Factores de emisión para CO2, CO, Partículas suspendidas totales (PST), y carbono negro. En promedio, los valores estimados para los factores de emisión (g kg−1 de biomasa seca) fueron 1,752 ± 367 para CO2, 39 ± 7 para CO, 4.2 ± 2 para PST y 0.16±0.04 para el carbono negro. Estos factores de emisión pueden utilizarse para generar inventarios de emisión con menos incertidumbre y mejorar los resultados para los modelos de calidad del aire.

Se realizó una encuesta socioeconómica con trabajadores y empleados del ingenio azucarero. Cerca de 9,000 personas están involucradas en el proceso ya sea como propietarios, arrendatarios o trabajadores. La participación de las mujeres es muy poca según datos oficiales. Sin embargo la encuesta reveló que más de 700 mujeres trabajan como cortadoras de caña ayudando en el corte a sus esposos, aunque solamente ellos son contratados en forma oficial.

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EJECUTIVE SUMMARY

Sugarcane is an important crop for the Mexican economy and roughly 30% of its production is carried out in Veracruz. However, the common practice of pre-harvest burning of sugarcane straw emits particulate material, black carbon, the sugar fieds of Cordoba, Veracruz greenhouse gases, and tropospheric ozone precursors to the atmosphere.

Even with policies to eliminate the practice of pre-harvest sugarcane burning in the near future, there is still significant environmental damage. Thus, the generation of reliable inventories of emissions due to this activity is crucial in order to assess their environmental impact.

Two sampling campaigns were developed in the sugar fields of Córdoba, Veracruz order to obtain the level concentrations of PM10 and PM2.5 as well as black carbon, during the harvest and not harvest season. It was determined that the concentrations during the dry season when the harvest is performed, are high, 89.4±18 μg/m3 in average for the PM10 and they decrease to 57.2±10 μg/m3 in average in the raining season when there is no biomass burning. The black carbon concentrations in the sugarcane burning season are more than twice than those in the no burning season and 88.3% of black carbon is into the PM2.5 fraction.

In this context, this work aims to determine sugarcane straw burning emission factors for some trace gases and particulate material as well as black carbon in the laboratory. An especially designed burner was constructed with a high chimney with a sampling port for isokinetically measurements.

Emission factors for CO2, CO, total suspended particles and black carbon were determined. Average estimated values for emission factors (g kg of burned dry biomass) were 1,752 ± 367 for CO2, 39 ± 7 for CO, 4.2 ± 2 for TSP and 0.16 ± 0.04 for black carbon. These emission factors can be used to generate more realistic emission inventories and therefore improve the results of air quality models.

A socioeconomic survey was performed also with workers and employees of the sugar mill. Around 9,000 people participate in the process as owners, renters or workers. The women participation is too small according to official data. Nevertheless trough the survey we could know that around 700 women works cutting sugarcane working with their husbands, although only them are contracted in an official form.

It is important the regulation of sugarcane burning mainly in the post-harvesting time, since in addition this practice impoverishes the soil. The regulation during pre-harvest is a more difficult matter since could have economic implications mainly for workers.

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I. INTRODUCCIÓN

El IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001) define a los aerosoles atmosféricos; como partículas sólidas o líquidas transportadas por el aire que poseen un tamaño entre 0.01 y 10 μm de diámetro aerodinámico, se observan asiduamente como polvo, humo y/o neblina y son de origen natural o antropogénico. Una gran cantidad de aerosoles se producen debido a actividades industriales y/o urbanas en las que se utilizan combustibles fósiles y como resultado de la combustión de biomasa (CCSP, 2009).

Dentro de los aerosoles atmosféricos se encuentran los aerosoles carbonáceos que son compuestos de origen orgánico (COrg) y carbono negro, el cual es denominado en ocasiones carbón elemental, (CN) (Feng et al., 2009). Se ha cuantificado que más del 40% de las partículas atmosféricas PM2.5 y del 10 al 50% de partículas PM10 se encuentran constituidas por aerosoles carbonáceos (Seinfeld y Pandis, 1998). Los aerosoles de carbono negro provienen de la combustión incompleta del material orgánico, incluyendo el carbono, aceite, petróleo, madera y biomasa, mientras que los de origen orgánico pueden ser primarios y secundarios. Los aerosoles de carbono orgánico primario tienen fuentes similares a las del carbono negro, pero también provienen de la resuspensión de polvo y partículas biogénicas primarias, (virus, bacterias, polen, esporas de hongos y desechos de tipo vegetal) (Hildemann et al., 1994).

Los aerosoles de carbono negro ocasionan serios problema de salud, debido a que pueden depositarse fácilmente dentro del sistema respiratorio, recientemente el carbono negro se ha utilizado como un indicador de exposición al hollín (Fruin et al., 2004), el cual se ha clasificado como un contaminante tóxico y susceptible a causar cáncer (Kumar et al 2011), por lo que, se ha establecido un límite máximo permisible de 0.07 mg/m3 en partículas de carbono negro en el ambiente. Además tienen efectos indirectos y directos en la modificación del clima del planeta, los primeros van en relación a la formación de las gotas de las nubes en la atmósfera baja a causa de la condensación y en la perturbación del ciclo hidrológico del agua por la modificación en el tamaño y las características microfísicas de las nubes. Los efectos directos de los aerosoles de carbono negro en la atmósfera terrestre se relacionan con la fuerza radiativa que ejercen en el planeta (Charlson et al.,1992).

Desde 1992 en el primer informe de evaluación del IPCC se señaló a los gases de efecto invernadero como los causantes del desequilibrio en el balance radiativo del planeta el cual se define, como la interacción de la energía emitida por el sol (radiación solar) con las nubes y la superficie terrestre, debido que éstas la absorben, dispersan e irradia como radiación infrarroja, se cuantifica como la tasa de cambio de energía por área de unidad de planeta (W/m2). El aumento en las concentraciones de los gases de efecto invernadero, ocasionan la disipación y absorción de la radiación infrarroja evitando su irradiación, lo que origina un incremento en la temperatura global. Lo anterior se define como efecto invernadero o forzamiento radiativo (IPCC, 2001).

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Se ha demostrado que los aerosoles atmosféricos antropogénicos también modifican el forzamiento radiativo del planeta ya que poseen la capacidad de absorber y disipar la radiación infrarroja (Charlson et al.,1992). Un forzamiento radiativo positivo indica que la sustancia presente retiene energía propiciando un incremento en la temperatura (CCSP, 2007). El papel que juegan los aerosoles con respecto al forzamiento radiativo, se calcula con base en el cambio de flujos en la parte alta de la atmósfera (TOA, por sus siglas en inglés) o en la superficie (SFC, por sus siglas en inglés) cuando hay presencia de aerosoles -aerosol-laden- y en ausencia de los mismos -aerosol-free- (Kim et al., 2010).

Después del dióxido de carbono (CO2) los aerosoles de carbono negro son los principales causantes del efecto invernadero (Das y Jayaraman, 2011) y poseen un efecto radiativo de 0.27 a 0.54 W/m2 (IPCC,2007). Por medio de la relación entre el coeficiente de absorción ơabs (m-1) y la concentración de aerosoles de carbono negro BC (ng m-3) se establece la eficiencia de la absorción másica del carbono negro ơmeBC (m2g-1):

BC = ơabs / ơmeBC

Donde ơmeBC y ơabs dependen de la longitud de onda. ơmeBC va en relación con el tipo de aerosol, el tiempo de residencia en la atmósfera y el tamaño (Liousse et al., 1993). Está relación permite conocer la concentración de aerosoles de carbono presentes en determinada muestra y la eficiencia de la absorción. Se ha reportado un valor de 6.5 m2g-1 para determinar ơabs, (Petzold et al., 2002). La variable ơabs también se representa como ơabs= βλ− αBC donde β en la cantidad de aerosoles atmosféricos presentes, αBC es la exponente de la longitud de onda. Se han reportado valores cercanos a 1 de αBC representan aerosoles de carbono negro provenientes de combustibles fósiles y valores mas altos (αBC ~1.8) corresponden a fuentes de combustión de biomasa (Kirchstetter et al., 2004). ơabs también se conoce como el espesor óptico del aerosol (τp) (AOD, por sus siglas en inglés) definiéndose como una de las principales características físicas y ópticas de los aerosoles, ya que permite determinar su tamaño y posee estrecha relación con su forzamiento radiativo ya sea positivo o negativo. Se han encontrado valores de 0.2 a 1.2 de AOD para concentraciones de 1.5 a 4.5 ug/m3 de aerosoles de carbono negro a una longitud de onda de 500 nm (Das y Jayaraman A., 2011).

La medición del espesor óptico se realiza con equipos que utilizan principios de medición fotométricos para la cuantificación directa de la radiación solar, despreciando la interferencia de las nubes, neblina y su dispersión en la atmósfera (Microtops).

Una vez obtenido el espesor óptico, es posible calcular por medio de la ley de Angström τ(l) = βλ−α, el coeficiente de turbidez (β) y alfa (α), los cuales representan características físicas de los aerosoles (Satheesh, et al., 2001), como se menciona en la relación establecida por Kirchstetter: ơabs= βλ− αBC.

En donde de acuerdo a la Ley de Angström;

τp es el espesor óptico del aerosol (AOD) en la longitud de onda λ en nm.

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β es el coeficiente de turbidez de Angström, relacionado con la cantidad de aerosoles presentes en la atmósfera.

α es el exponente de la longitud de onda, se relaciona con tamaño del radio aerodinámico de los aerosoles.

Valores altos de α indican mayor cantidad de partículas finas y son atribuibles a emisiones vehiculares e industriales, mientras que valores bajos indican predominancia de partículas gruesas (Alam et al., 2012).

La incertidumbre del forzamiento radiativo a causa de los aerosoles atmosféricos de carbono negro origina un obstáculo para vincularlos estrechamente con las modificaciones en el clima del planeta (Forster et al., 2007). Estos aerosoles pueden relacionarse directa o indirectamente a las propiedades de las partículas, concentración y presencia de material absorbente en su composición y tamaño de distribución (Marioni et al., 2010), así como el perfil atmosférico de la zona y sus condiciones meteorológicas (Tabla 1).

Tabla I. Propiedades de aerosoles de carbono negro.

Promedio Intervalo

Tiempo de residencia1 6.5 días 5.3 – 15 días

(AOD) Profundidad óptica1 550 nm 0.004 0.002-0.009

Densidad2 1.5 g/cm

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Índice de refracción real2 1.75

Índice de refracción imaginario2 1.4e

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Fuente: 1 CCSP, 2009. 2 Hess, 1998.

El uso de modelos para el cálculo del forzamiento radiativo implica hasta cierto punto incertidumbres debido a que no se utilizan las condiciones reales de la medición, pero modelos como el SBDART (Santa Bárbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer) toman en cuenta condiciones climatológicas especificas de la zona de muestreo, así como la principal característica del aerosol (AOD), teniendo en cuenta una atmósfera limpia y con presencia de aerosoles atmosféricos (Ricchiazzi et al., 1998).

Se estima que en el mundo se emiten ocho millones de toneladas de carbono negro al año y es preocupante que hasta el momento no se le haya estudiado ni dado importancia suficiente a este contaminante, a pesar de que el abatir las emisiones de carbono negro permitirá conseguir beneficios más rápidos de los que generaría una estrategia enfocada solo a los GEI (ICCT, 2009). Según las estimaciones de este mismo organismo, un kilogramo de carbono negro emitido es

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aproximadamente 460 veces más potente que la cantidad equivalente de dióxido de carbono en un período de 100 años a futuro y 1600 veces más potente en un período de 20 años a futuro (ICCT, 2009).

II. CARBONO NEGRO PROVENIENTE DE LA QUEMA DE LA CAÑA DE AZÚCAR

A nivel mundial se estima que la aportación de aerosoles de carbono negro a la atmósfera es de 11 Tg/año, siendo la quema de biomasa el principal contribuyente (CCSP,2009). Brasil posee el primer lugar a nivel mundial en la producción de caña de azúcar, lo que origina que la mayor parte de los aerosoles atmosféricos presentes provengan de esta actividad. En el estudio realizado en Southerastern Brasil (2005), se determinó que la composición de los aerosoles presentes fueron 25% PM10, 60% PM2.5 y 64% de masa de carbono negro; además, se encontró que en temporada de sequía las concentraciones de PM10 son altas (238 μg/m3) y en época de lluvia las concentraciones bajan hasta 9.3 μg/m3, observándose el mismo comportamiento en los aerosoles de carbono negro (época de sequía 10.7 μg/m3 y época de lluvia 0.8 μg/m3) (Lara et al., 2005).

La caña de azúcar (Saccharumofficinarum L.), es un cultivo de alta importancia a nivel mundial utilizada para la producción de azúcar, producto de alto consumo para la población humana. Se utiliza además, como fuente de materias primas para una amplia gama de derivados, algunos de los cuales constituyen alternativas de sustitución de otros productos con impacto ecológico adverso (cemento, papel obtenido a partir de pulpa de madera, entre otros). Los productos residuales de la industria que utiliza la caña de azúcar como materia prima, especialmente los mostos utilizados en la fabricación de alcohol de caña y otros productos alcohólicos por las destilerías, son reutilizados para la elaboración de abono agrícola y alimento animal, por su alto contenido de nutrientes orgánicos e inorgánicos [6].

México ocupa el sexto lugar en la producción a nivel mundial de caña de azúcar con una productividad anual de cinco millones de toneladas, la cual se realiza en 664 mil hectáreas distribuidas en 57 ingenios localizados en 15 estados. El Estado de Veracruz posee el primer lugar en la producción de caña de azúcar a nivel nacional y en él se encuentran 19 de los 58 ingenios azucareros del país, siendo la zona centro del estado la mayor productora de caña de azúcar. El proceso agrícola de la caña sirve para la producción de azúcar, miel, melaza, alcohol y etanol, éste último, empleado como biocombustible, para el año 2012 se pretende aumentar 6.5 millones de toneladas adicionales de caña de azúcar, lo cual permitiría la producción de 7840 barriles diarios de etanol, dando como resultado un aumento adicional en las concentraciones de aerosoles de carbono negro durante la temporada de caña de azúcar (CNIAA, 2007).

La cosecha o zafra de la caña de azúcar se lleva a cabo a los once y doce meses de la plantación, es decir, cuando las hojas empiezan a adquirir color amarillo (o cuando alcanza un grado sacarimétrico de 15%), los tallos dejan de desarrollarse,

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las hojas se marchitan y caen, la corteza de la capa se vuelve quebradiza. Es entonces donde se lleva a cabo una práctica común en los países cañeros; la quema, esta es realizada para eliminar maleza y las propias hojas secas de la caña, con la finalidad de facilitar el corte realizado por trabajadores manualmente. La requema es la práctica posterior a la cosecha, realizada para eliminar los residuos sobrantes y acelerar la preparación del suelo para la resiembra (Augstburger et al., 2000). Los beneficios económicos obtenidos por la quema de la caña son: una mayor eficiencia de 30 % al momento del corte y la recolección de la caña por parte de los jornaleros. Se ha demostrado que la caña que no ha sido quemada contiene un mayor número de sustancias ajenas haciendo el proceso de elaboración del azúcar menos eficiente. Por otro lado, se realiza la requema porque la cobertura de rastrojo impide el crecimiento de brotes nuevos, sobre todo en regiones húmedas, además, el fuego elimina enfermedades y plagas y por último los nutrientes se hacen más fácilmente disponibles por la ceniza (Ripoli et al., 2000).

Las emisiones de carbono negro que genera la quema de biomasa pueden determinarse a partir del conocimiento de la densidad de biomasa en la superficie sembrada multiplicada por el factor de emisión y por el área donde se realiza la quema. El factor de emisión (EF) representa la cantidad de una especie emitida por el peso seco de la biomasa quemada (Neto et al., 2011). Sin embargo, en México no se han realizado estudios sobre la presencia de carbono negro por la quema de la biomasa en particular de la caña de azúcar. Algunas metodologías se han desarrollado recientemente para la estimación de factores de emisión por quema de biomasa en Brasil (Sharma et al., 2003), pero en México no se reportan estudios, por lo que al realizar los cálculos de emisiones de carbono negro se utilizan factores de emisión determinados en otros países y otras condiciones climatológicas; por lo que se considera de interés estimar factores de emisión de carbono negro por la quema de caña de azúcar.

III. JUSTIFICACIÓN

Los inventarios de emisión de sustancias que contribuyen al incremento del efecto invernadero son herramientas de gran utilidad para los diferentes niveles de gobierno. Con este tipo de herramientas, es posible establecer distintas estrategias que conduzcan a la disminución de las emisiones y mitigar los efectos en el Cambio Climático. Sin embargo, los datos del inventario deben ser lo más preciso posible para que la política pública resultante basada en la estrategia de disminución de emisiones no sea errónea y al final tenga un resultado global positivo para la población. A pesar de que México es uno de los países con mayor producción de caña de azúcar que aún contempla dentro de su procesamiento la quema de biomasa, hasta donde sabemos, no se han desarrollado estudios sobre la determinación experimental de factores de emisión de carbono negro por este proceso. Considerando la importancia del carbono negro en el potencial radiativo, es de

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gran interés conocer dichos factores de emisión para establecer estrategias que se traduzcan en la reducción de dichas emisiones. IV. OBJETIVOS

Objetivo General Determinar los factores de emisión de carbono negro generado por la quema de caña de azúcar en la zona de Córdoba, Veracruz, y discutir las acciones de mitigación que podrían llevarse a cabo tomando en cuenta las implicaciones socioeconómicas de dichas acciones. Objetivos específicos

Realizar dos campañas de monitoreo en la zona de cañaverales mencionada, la primera durante la época de quema y la segunda en época de no-quema.

Realizar el muestreo de especies de caña de azúcar en la zona con el fin de llevar a cabo mediciones relacionadas con la quema de esta biomasa en condiciones controladas de laboratorio.

Realizar un levantamiento de datos de actividad en la zona de estudio que contenga datos socioeconómicos.

Medir las concentraciones de PM10 y PM2.5 y de carbono negro en los filtros colectados en campo y ciudad.

Medir las concentraciones de carbono negro de las partículas colectadas en los experimentos controlados de quema de caña de azúcar en el laboratorio y determinar los factores de emisión de carbono negro durante la quema de la caña de azúcar.

Formular algunas recomendaciones para la mitigación de las emisiones de carbono negro tomando en cuenta sus implicaciones socioeconómicas en cuanto a la contratación de trabajadores y trabajadoras del campo.

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V. METODOLOGIA

El estudio se realiza en tres etapas: 1) Estudio en campo. Este estudio se llevó a cabo de julio a septiembre a través

de dos muestreos de partículas con la finalidad de comparar la cantidad de partículas y carbono negro contenido en ellas se lleva a cabo y cuando no hay quema de caña de azúcar. El estudio de campo comprendió las siguientes actividades:

Diseño de las campañas de muestreo. Muestreo de partículas en la época de quema y cosecha de la caña en

la zona de cañaverales de Córdoba, Veracruz. Muestreo de partículas en la época de no-quema en la zona de

cañaverales de Córdoba, Veracruz. Determinación de espesor óptico de los aerosoles atmosféricos. Recolección de especies de caña (al menos 30 plantas) de la zona de

estudio. justo antes de que se realice la quema es decir en el momento justo en que deben ser cosechadas.

Metodología utilizada en el trabajo de campo:

Para la colección de partículas (PM10 y PM2.5) en la zona de referencia de la ciudad se utilizaron monitores portátiles de bajo volumen (minivoles), que se ubicaron en la azotea de una casa. Para el monitoreo cerca de los cañaverales se utilizaron monitores de partículas de alto volumen marcha Tisch.

Los filtros para la colección de partículas y medición de carbono negro, tanto para las PM10 como las PM2.5 son de fibra de cuarzo y se precalcinaron para eliminar posibles interferencias.

Para la cuantificación de masa en los Minivol, además de los filtros de cuarzo se utilizaron filtros de teflón para determinar con mayor exactitud la masa colectada.

La Universidad Veracruzana cuenta con una Estación de Monitoreo en la Región de Córdoba-Orizaba donde se encuentra la Facultad de Ciencias Biológicas y Agropecuarios en donde se instalaron los muestreadores de alto volumen.

Los monitores portátiles se colocaron en una zona habitacional para conocer el impacto de la quema en la calidad del aire de la ciudad.

2) Estudio en laboratorio. Se realizaron las siguientes actividades:

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Cuantificación a través de análisis gravimétrico de las partículas en las muestras de PM10 y PM2.5 colectadas en los cañaverales en una balanza Sartorius.

Cuantificación de diversos parámetros en las especies de caña colectadas y cortadas como la humedad y masa.

Las mediciones de humedad se hicieron colocando una cantidad determinada de biomasa en una estufa a 85°C hasta sequedad alcanzando un peso constante. La diferencia de masas proporciona la cantidad de agua con lo que se determina el porcentaje de humedad.

Se diseñó y construyó un quemador que simula las condiciones de la quema de la caña a cielo abierto para medir los parámetros de velocidad de flujo, emisión de gases, temperatura de la quema y finalmente los factores de emisión de carbono negro por Kg de biomasa. Las especies de caña se utilizaron para realizar experimentos bajo condiciones controladas Figura 1.

Figura. 1. Diseño del quemador para estudio en laboratorio

Se realizaron quemas de 1 kg de la biomasa muestreada los cuales se colocaron en un contenedor de alrededor de 0.6 m2 colocado bajo la campana sobre la que se colectaron los gases y partículas. El

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contenedor se colocó sobre una balanza que registra el cambio de masa.

En la chimenea sobre la campana se instaló un muestreador isocinético para determinar la concentración de partículas las cuales se colectaron en filtros de cuarzo precalcinados.

La determinación de carbono negro en los filtros colectados en campo y en laboratorio se llevó a cabo con un transmisómetro SootScan McGee.

Se realizó un análisis estadístico con los resultados obtenidos para todas las muestras y se determinó el factor de emisión con la siguiente ecuación:

Donde: VT = volumen del gas a través de la chimenea durante el experimento en m3 [X] = Concentración del carbono negro en mg/m3 m = masa de la biomasa en base seca (kg)

3) Estudio socioeconómico. Este estudio se llevó a cabo posterior al monitoreo

y colecta de caña en los ingenios de Córdoba a fines del mes de octubre cuando el personal del ingenio y los trabajadores regresaron a los cañaverales para la preparación de la cosecha del mes de noviembre. Metodología relacionada con el estudio socioeconómico.

Se hizo un levantamiento de datos de siembra y cosecha en la zona que nos permita establecer diversos datos de actividad como son las superficies sembradas y quemadas, las superficies que se procesan por corte, cantidad de biomasa por superficie.

Se realizó un levantamiento de datos a través de entrevistas con trabajadores, miembros del sindicato y autoridades de los ingenios.

VI. SITIO DE MUESTREO EN CAMPO

La Ciudad de Córdoba Veracruz, también conocida como la Ciudad de los Trece Caballeros se encuentra ubicada en la zona centro de ese estado, cuenta con 196 541 habitantes (INEGI, 2010), su clima es templado-húmedo-regular con una temperatura promedio de 19.9°C, su altitud con respecto del mar es de 850 m y una precipitación pluvial de 1800 mm, el municipio cuenta con 10 881.577 hectáreas destinadas para la agricultura, las cuales destinan 4 630 para la siembra de caña de azúcar (Enciclopedia de los Municipios de México). La Figura 2

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muestra una fotografía de las emisiones de un ingenio cercano a la Ciudad de Córdoba donde se aprecia el importante volumen de emisiones a la atmósfera. Coordenadas geográficas de la Ciudad de Córdoba (INEGI, 2010):

Latitud: 18°53'09'' Longitud: 96°56'45''

Cerca de esta ciudad se encuentran varios ingenios, entre ellos el de San Miguelito (Carretera Córdoba Amatlán Kilómetro 2, Buena Vista, 94680 Córdoba, Veracruz-Llave, México), el cual, para el periodo de zafra 2011-2012 se estima que procesó cerca de 400 mil toneladas de caña azúcar (García, 2012).

Figura 2. Emisiones de la chimenea de un Ingenio cercano a Córdoba

En el proceso productivo convencional de la caña de azúcar (zafra) se realizan dos quemas de biomasa; la primera como parte de la recolección del fruto maduro para facilitar el corte eliminando maleza y animales ponzoñosos y la segunda una semana después de la cosecha para eliminar los residuos durante el corte, ambas actividades provocan la formación de aerosoles de carbono negro, diversos estudios indican que eliminar la quema de biomasa durante el proceso productivo de la caña contribuye a evitar el desarrollo de malezas y permite incorporar al suelo la materia orgánica remanente del proceso productivo (Subiros, 1995). Se ha reportado que el cultivo agroecológico de la caña de azúcar, conocido como caña en verde (sin quema de biomasa) origina mayor crecimiento, fertilidad del suelo y mantenimiento de la biodiversidad en comparación al proceso convencional, económicamente el cultivo en caña verde favorece el rendimiento, ya que presentó más utilidad sin quema (197%) en comparación con la que es

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quemada una vez (143%) y la que es quemada dos veces (100%) (Jurgen et al., 2005).

La Figura 3 presenta el sitio donde se realizó el muestreo en la zona de cañaverales en Córdoba, Veracruz en la Facultad de la Universidad Veracruzana.

Figura 3. Sitio de muestreo en la zona de cañaverales.

La Figura 4 presenta el sitio en la ciudad de Córdoba en una zona residencial donde se realizó el muestreo con Minivoles para ver la afectación en la Ciudad, en tanto que en la Figura 5 se pueden apreciar las distancias de los sitios en que se llevaron a cabo los muestreos y la Figura 6 la instalación de los equipos.

Figura 4. Muestro en la Zona residencial de Córdoba en la colonia La Esmeralda.

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Figura 5. Vista de los dos sitios de muestro en el mapa de Córdoba.

Figura 6. Instalación de Hi Vol en la Universidad Veracruzana en Córdoba.

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VII. RESULTADOS

7.1 Concentración de partículas atmosféricas

Durante la época del muestreo en la época de zafra se observaron diariamente quemas en los campos de cultivo en un diámetro de 20 Km a la redonda, la quema pre-cosecha dura entre 10 y 20 minutos y enseguida entran los cortadores Figura 7. La zona es un gran valle con vientos frecuentes por lo que el humo se dispersa en alrededor de dos horas después de la quema, aunque cuando se queman los residuos las emisiones de humo se observan todo el día.

Figura 7. Vista de la contaminación generada durante la quema de la caña y su transporte

El análisis de los datos de masa de partículas PM10 y PM2.5 en la zona de cañaverales en la época de cosecha y quema de la caña de azúcar muestra una importante diferencia en cuanto a la cantidad de partículas suspendidas. En las Figuras 8 y 9 se presentan los resultados de este sitio de muestreo cercano a las quemas donde se puede apreciar que las concentraciones de partículas aumentan más del 30% en la temporada de la cosecha de la caña como consecuencia de las emisiones de las quemas y el ingenio.

El promedio de las concentraciones de PM10 durante la época de quema fue de 89.4±18 µgm-3 frente a un promedio de 57.2±10 µgm-3 dos meses después de la cosecha. Para las partículas de PM2.5 se obtuvo un promedio de 52.9±57 µgm-3 en la época de quema en comparación de 35±4 µgm-3 posterior a la cosecha. Ningún día se excedió la norma de PM10 en la época de zafra, sin embargo la norma de PM2.5 se excedió 4 veces en esta época. En la época de no zafra las concentraciones para PM10 y PM2.5 fueron 36 y 34% menores y aunque no se excede la norma diaria, sí se excede la norma anual de PM2.5.

Se esperaba una mayor diferencia entre las dos épocas, sin embargo es posible que las concentraciones en la época de quema no fueron tan alta por ser cercano al fin de la zafra. Por otra parte, la zona tiene otras fuentes de contaminación por partículas como son: la empresa Kimberly Clark, una calera y una cementera entre

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otras, por ello aun en la época de no quema se presentan concentraciones de partículas que muestran una regular calidad del aire.

Figura 8. Masa de partículas colectadas en la temporada de quema de la caña de azúcar.

Figura 9. Masa de partículas colectadas en la temporada en que no hay cosecha de caña.

Cuando se aplica la prueba no paramétrica de Kruskal–Wallis se obtiene como resultado que las cuatro series de datos tienen diferencia significativa. Es decir, tanto entre ambas épocas, como en los dos tamaños de partículas, hay diferencia estadística indicando condiciones diferentes.

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Las Figuras 10 y 11 presentan los resultados de la masa de partículas suspendidas determinadas en la Ciudad de Córdoba en la temporada de cosecha y quema de la caña y en la de no cosecha. Se aprecia claramente que los niveles de contaminación por partículas en la zona habitada es mayor durante la época de quema de la caña con un promedio de 85 y 64 µgm-3 para PM10 y PM2.5 respectivamente, la norma se excede 1 vez para PM10 y 3 veces para PM2.5. En comparación con la época de no quema las concentraciones presentaron valores de 64 y 20 µgm-3 para PM10 y PM2.5 respectivamente.

Con excepción del 4 de julio en que se presentaron tolvaneras y se determinó una concentración alta de PM10 de 110 µgm-3, los demás días las concentraciones fueron relativamente bajas.

El impacto de la quema de la cama se aprecia al hacer la prueba Kruskal-Wallis donde se encontraron diferencias significativas tanto para las épocas de colecta como para el tamaño de partícula.

Figura 10. Masa de partículas en la Ciudad en la temporada de quema de la caña de azúcar.

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Figura 11. Masa de partículas en la Ciudad en la temporada de no-quema de la caña de azúcar.

7.2 Espesor óptico de los aerosoles en Córdoba durante la época de zafra

No se han reportado en México estudios sobre el espesor ópticos de aerosoles en zonas cañeras, por lo que en este reporte se presentan resultados preliminares de este parámetro.

La Figura 12 muestra los valores del espesor óptico AOD determinados con un sonómetro Modelo 540 Microtops II, serie 17895, a diferentes longitudes de onda medidos en la Ciudad de Córdoba durante tres días en la época de zafra. Cada punto corresponde al promedio de más de 20 mediciones por día de aerosoles realizadas entre 2 y 4 horas. Las longitudes de onda mayores a 800 nm corresponden a aerosoles de carbono negro y los menores a 500 nm a aerosoles con especies orgánicas y algunas inorgánicas. Todas las mediciones se realizaron en días claros (ausencia de nubes), ya que estás provocan interferencia en el equipo.

De acuerdo a la ecuación de Angstrom, el AOD está relacionado con el tamaño del aerosol (α) y la cantidad de aerosoles presentes en la atmósfera en el perfil vertical (β), por lo que aplicando logaritmos naturales se obtienen los valores de α y β. Como se mencionó anteriormente los valores de α se relacionan con el tamaño de los aerosoles, valores cercanos a 0 indican predominio de partículas gruesas en tanto que valores mayores a 1 indican predomino de partículas finas (Kaskaoutis-Kambezidis, 2006).

21

Figura 12. Valores de AOD medidos durante la zafra en cañaverales cercanos a Córdoba

En la Figura 13 se observa el comportamiento del espesor óptico en función de la longitud de onda, el cual es similar al reportado por Kavanov (2000). La Tabla presenta los valores de α estimados con los valores medidos de AOD y la ecuación de Angstrom. Se aprecia que la mayor parte que todos los valores de α son mayores a 1 en las longitudes de onda de 870-936 donde absorben las especies de carbono negro lo que significa predominancia de partículas finas. En cuanto a los aerosoles orgánicos e inorgánicos, se observa que en la longitud de onda de 440-500 nm se tiene mayor cantidad de partículas gruesas, lo que indica la presencia de especies con menor sensibilidad de absorción.

Figura 13. Comportamiento del espesor óptico en función de la longitud de onda

22

Tabla 2. Valores estimados de α para distintas longitudes de onda

380-440 440-500 500-876 870-936 Día 1 1.85 -1.97 0.75 1.29 Día 2 1.73 0.52 1.30 1.29 Día 3 1.71 0.43 1.29 1.30

La medición de estos valores en largos períodos de tiempo permite estimar el potencial de calentamiento a través de diversos modelos.

7.3 Concentración de carbono negro en la zona de cañaverales.

La determinación de carbono orgánico carbono negro se llevó a cabo con un transmisómetro SootScan McGee. En este equipo se mide el carbono negro en la región infrarrojo a 880 nm, mientras que el carbono orgánico se determina en la región ultravioleta a 370 nm. La concentración promedio de carbono negro en la temporada de quema de caña fue de 18.7±6 y 16.9±6 µgm-3 para PM10 y PM2.5

respectivamente. El carbono negro representa aproximadamente el 21±0.04 y 35±09% de la masa total para los tamaños de partícula mencionados. El carbono orgánico no se reporta debido a que con este equipo solamente puede medirse a una longitud de onda la cual no incluye una parte importante de este tipo de compuestos.

La Figura 14 presenta las concentraciones de carbono negro en las muestras colectadas en la zona de cañaverales para los dos tamaños de partícula. En promedio el 88.3±11% del carbono está contenido en la fracción PM2.5.

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mg/m3

PM10

PM2.5

Figura 11. Concentraciones de carbono negro en época de quema de caña

23

La Figura 15 presenta las concentraciones de carbono negro en las muestras colectadas en la zona de cañaverales para los dos tamaños de partícula en la época en que no hay quema de caña. Las concentraciones promedio son más de dos veces menores que las obtenidas durante la época de cosecha y quema. El carbono negro representa en la época de no quema alrededor del 16±1% en promedio de las PM10, y 22±2% de las PM2.5 con 8.9±1.6 y 7.6±1 µgm-3 en promedio respectivamente. Como se mencionó previamente la presencia de partículas y carbono negro en la época de no quema se atribuyen a las industrias de la zona y a las fuentes vehiculares de la carretera cercana.

*

0

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

mg/m3

PM10

PM2.5

Figura 15. Concentraciones de carbono negro en época de no-quema expresadas en µgm-3

7.4 Factores de emisión por la quema de la caña.

Se cortaron alrededor de 40 Kg de caña de azúcar lista para cosecha, a las que se determinaron distintas características que se presentan en la Tabla 3.

Tabla 3. Características de la caña cortada

Individuo de caña Promedio y DS

Altura promedio 3.41± 0.48 m

Peso promedio en verde

3.37± 0.42 Kg

Peso promedio seca 1.78± 0.37 Kg

Humedad promedio 65.9 ± 4.32 %

24

Se realizaron 9 experimentos en los que se determinaron los factores de emisión durante la quema de la caña. En cada experimento se quemó 1 Kg de caña y se realizó el registro de temperatura y emisión de gases. Durante la quema se logró una pluma de humo constante. Las mediciones se hicieron con un equipo de muestreo isocinético. Se midieron todas las constantes, se determinaron los flujos y los volúmenes de emisión. La Figura 16 muestra una fotografía del equipo construido para estas determinaciones.

Figura 16. Equipo utilizado en la determinación de factores de emisión

Las temperaturas alcanzadas durante la quema oscilaron entre 250 y 459°C, manteniéndose en promedio en 418°C con una flama constante durante toda la prueba (Figura 17).

25

Cabe mencionar que solamente fue posible medir en tres experimentos el carbono negro y orgánico debido a la alta saturación del filtro que impidió la lectura en el transmisómetro.

Figura 17- Vista de la zona de quemado

Se determinaron los factores de emisión en gKg-1 de biomasa para el dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), PST y carbono negro (CN). Se reporta asimismo la eficiencia de combustión. Este parámetro corresponde a la relación entre el carbono emitido como CO2 y el carbono emitido como CO2 + CO.

EfComb = CO2/CO2 + CO

Los valores promedio obtenidos se presentan en la tabla 4 donde se comparan con los reportados en otros lugares del mundo. Es importante mencionar que el

26

valor obtenido para carbono negro es menor debido a que todos los demás factores para esta especie se determinaron con un método térmico, en tanto que en este trabajo se utilizó un método óptico, lo cual es una limitación. El 4.03% de las partículas corresponde a carbono negro.

Tabla 4. Factores de emisión obtenidos

CO2 CO PST PM2.5 CN EComb

Este trabajo 1,752±367 39±7 4.2±2 0.16±0.04 0.978

Hays et al.,

2005.

NR NR NR 12.95±0.3 0.17±0.04 NR

Neto et al,

2012

1,303±218 65±14 NR 2.6±1.6 NR 0.928

Hall et al.

2012

1,255±287 9.4±3.3 NR 2.49±0.66 0.71±0.22 0.985

López-

Carvalho

2009

1,288±167 28±3 NR NR NR NR

Yokelson et

al, 2008

1,838 28.3 NR 2.17 NR 0.976

Le Canut et

al, 1996

NR NR NR 2.8 NR 0.965

Andreae and

Merle, 2001

1,515±177 92±84 NR 3.9 NR 0.943

AP-42, 1995 NR 30-40 NR NR NR NR

NR. No reportado

En el anexo 1 se presenta un ejemplo de una corrida en el equipo isocinético donde se aprecia el cálculo de los diferentes parámetros.

7.5 Factores socioeconómicos y enfoque de género.

Se seleccionó la zona del Ingenio de San Miguelito por ser uno de los más antiguos de la zona de Veracruz y porque las instalaciones de la Universidad Veracruzana se encuentran junto al mismo. La distancia a la Ciudad de Córdoba es de alrededor de 3 kilómetros.

La Tabla 5 presenta un resumen del número de agricultores que participan cada año desde la siembra hasta la cosecha de la caña de azúcar en la zona de Córdoba.

El ingenio representa un sector económico importante para la zona. La planta permanente del ingenio es de alrededor de 70 personas y 60 empleados sindicalizados de acuerdo a los datos proporcionados por autoridades sindicales.

27

Los obreros que trabajan en los dos ciclos de zafra y no zafra son 172 de planta y se contratan alrededor de 200 en forma temporal.

Tabla 5. Agricultores dedicados a la caña de azúcar en Córdoba.

Tipo de agricultor Número % mujeres

Productores 3435 2

Ejidatarios 1653 2

Pequeños propietarios 1146 3

Arrendatarios 636 0.5

Cortadores 1300 1.5

Durante la época de la cosecha se contratan alrededor de 1300 cortadores de caña de los cuales solamente el 10% son de la zona y el resto provienen de otras partes del estado o de otros estados.

En cuanto a la participación de la mujer en el proceso, es posible observar que es muy poca en los datos oficiales. Sin embargo de acuerdo a las entrevistas realizadas a los capataces, autoridades sindicales y con los mismos cortadores de caña, las mujeres contribuyen en forma muy importante en el corte de la caña pero no son contratadas en forma directa.

Las estimaciones realizadas por las personas entrevistadas reportan que de los 1300 cortadores contratados de manera oficial, un 55% traen a sus mujeres e incluso a sus hijos con la finalidad de cosechar una mayor cantidad de caña.

Esta situación se presenta porque el pago que recibe el trabajador es en función de la cantidad de caña cortada por lo que trabajan en forma integral como familia. De esta manera el ingenio no necesita contratar a esta fuerza de trabajo extra ya que el pago se realiza solamente al jefe de familia, sin embargo se les proporciona un lugar para que vivan durante la época de cosecha, la Figura 18 muestra algunas de las instalaciones utilizadas como albergues. Lo anterior significa una participación de más de 700 mujeres que no quedan registradas de manera oficial como cortadoras de caña.

Aunque hay una pequeña cantidad de mujeres que cortan caña y son contratadas de manera oficial, generalmente vienen en grupo pues resulta sumamente peligroso trabajar en la zona de los hombres sin tener la protección de una pareja.

En este ingenio la cosecha es 100% de tipo manual, el alce es mecanizado con 29 alzadoras y 252 camiones. La cosecha de la caña se lleva a cabo desde principios del mes de diciembre a principios del mes de mayo.

28

Figura 18.Vista de cuartos de un albergue

En el Ingenio de San Miguelito se produjeron en 2011-2012 78.98 ton/ha, se cree que por la degradación del campo se ha disminuido la masa de caña cosechada, La Tabla 6 muestra la tendencia en la siembra y cosecha de la caña en los últimos años.

Considerando 5,264 toneladas de caña cosechada y de acuerdo a los factores de emisión determinados, solamente en el ingenio de San Miguelito se produjeron alrededor de 2.3 toneladas de carbono negro y 10 toneladas de carbono orgánico por la quema durante la cosecha.

Tabla 6. Datos de producción de los últimos años

29

La derrama económica debida al cultivo y cosecha de la caña es en conjunto con la del café la más importante de la región. La Tabla 7 muestra que aunque el valor de la caña se ha incrementado muy poco, representa más de 260 millones de pesos anuales.

Tabla 7. Datos de producción de los últimos años

7.5 Consideraciones sobre posibles medidas de mitigación

Las hojas de la caña son irritativas por lo que la quema de la caña anterior al proceso de corte, además de ahuyentar serpientes e insectos disminuye la irritación a la piel a pero aumenta la irritación respiratoria y ocular, particularmente en días con mucho viento. Sin embargo no existen estudios que hayan evaluado el impacto de la quema de la caña en el sistema respiratorio de los cortadores, otros trabajadores o las comunidades en las cercanías.

Brasil es pionero en evaluar el uso favorable del corte mecánico dejando la práctica de la quema de materia orgánica durante la cosecha de caña de azúcar, dando como resultado un ahorro anual de 310.7 kg de CO2 equivalente por hectárea (De Figueiredo y Scala, 2011) esto indica que es una práctica que puede eliminarse del método tradicional, siempre y cuando se tenga un enfoque socioeconómico y de protección al trabajador.

El Programa Especial de Cambio Climático (PECC, 2009), contempló en su objetivo 2.3.2 el Fomento a la cosecha en verde de la caña de azúcar, a través de su meta M58 relacionada con la cosecha en verde de 188,000 ha de la superficie industrializable de caña de azúcar, durante el periodo 2008-2012 para reducir 0.43

30

MtCO2e (2008-2012). Esta meta se reporta como cumplida para lo cual se contempló un apoyo económico para la compra de cortadoras mecánicas.

Las cortadoras mecánicas se han comenzado a utilizar en los campos cañeros de otras partes del país con lo cual puede omitirse al menos la quema de la pre-cosecha. Sin embargo Córdoba no es un sitio viable para la introducción de cortadoras mecánicas debido a que el terreno presenta una cantidad importante de rocas que hacen muy difícil el trabajo mecánico. Por otra parte aún con las cortadoras mecánicas en sitios como Chiapas se sigue realizando la quema pre-cosecha con la finalidad de que las cortadoras no se llenen de maleza.

Como una medida inmediata para abatir las emisiones de dióxido de carbono, partículas y carbono negro en la zona de cañaverales, debería prohibirse al menos la quema post-cosecha que realizan los agricultores para preparar el terreno para la siguiente cosecha. Esta práctica además de ser contaminante, empobrece el suelo de manera importante al quemar la superficie vegetal y los microrganismos presentes en el suelo.

En cuanto a la toma de medidas para evitar la quema en la pre-cosecha esta es una situación más compleja ya que como se mencionó la quema de caña además de facilitar el corte, ahuyenta a los animales como serpientes y una gran variedad de insectos por lo que si se prohibiera dicha quema, los empresarios tendrían que pagar más cara la tonelada de caña a los cortadores, ya que sin la quema les representa una merma de al menos 30% de la caña cortada con la consecuente disminución de su salario. Por otra parte sería necesaria la adquisición de equipo y ropa de seguridad para evitar picaduras de animales ponzoñosos y daños en la piel.

VIII. CONCLUSIONES

Las concentraciones de partículas, principalmente de PM2.5 exceden en forma frecuente las normas de calidad del aire durante la época de quema de la caña en la zona de cañaverales pero no en la Ciudad de Córdoba. Se encontró diferencia significativa en la concentración de partículas y de carbono negro entre la zona de cañaverales y la Ciudad de Córdoba y durante las épocas de quema y no quema, lo que muestra el impacto negativo en cuanto a niveles de contaminación por la práctica de la quema de la caña.

El 88.3% del carbono total contenido en las partículas durante la temporada de quema de caña se encuentra en la fracción fina de PM2.5. El carbono negro representa el 21±0.04 y 35±09% de la masa total de partículas PM10 y PM2.5

respectivamente en la temporada de cosecha de caña, mientras que en meses posteriores es del 16±1% y 22±2% para los dos tamaños mencionados.

Se determinaron los factores de emisión para gases y carbono negro en la quema de la caña de azúcar. Los valores estimados promedio de dichos factores en gkg-1 fueron: 1,752 ± 367 para CO2, 39 ± 7 para CO, 4.2 ± 2 para PST y de 0.16±0.04 para el carbón negro.

31

La agricultura cañera representa uno de las derramas económicas de la zona de Córdoba, además de que alrededor de 9000 personas dependen de este proceso agrícola, por lo que es importante preservarla. La contribución de las mujeres aunque oficialmente no se registra, es de alrededor del 10% del total mencionado y representa la tercera parte del trabajo de los cortadores. Sin embargo, la quema de la caña contribuye de manera muy importante a la contaminación atmosférica, además de contribuir con cantidades muy importantes de carbono negro que aumenta la fuerza radiativa de la atmósfera contribuyendo al calentamiento global.

Es importante comenzar a regular la actividad cañera en lo que se refiere a las emisiones a la atmósfera para disminuir los impactos mencionados. Podría comenzarse con la prohibición de las quemas post-cosecha que además empobrecen el suelo. Para el caso de las quemas pre-cosecha habría que estudiar el impacto socioeconómico que representaría un cambio en la práctica agrícola, ya sea a través de su prohibición que implicaría un alza en el costo por tonelada de caña cortada, así como con la introducción de cortadoras mecánicas.

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ANEXO 1

Fecha : 1 de Febrero del 2013

Razon Social : Universidad Autonoma Metropolitana

Dirección : Plantel Azcapotzalco

D.F. Mexico

Número de Muestreo: Uno

Responsable del Muestreo : Asistente (s):

Ing. José Luis Castro Torres Tec. Juan Carlos Reyes

LOCALIZACION DEL CONDUCTO Y SUS DIMENSIONES

Fuente Muestreada :

Incinerador de cana (Quema de cana)

Diametro Interior del Ducto ( DI ):

25.00 ( cm. )

Diametros Corriente Abajo ( B ):

8.00

Diametros Corriente Arriba ( A ):

2.00

Extención del Puerto ( Ep ):

- ( cm. )

Figura de Determinación del Numero del

Puntos de Medición en el Ducto.

DETERMINACION DEL No. DE PUNTOS DE MUESTREO POR PUERTO:

Numero Total de Puntos de Muestreo = 6.00 = 6.00

Numero del Puertos 1.00

NOTA 1.- Para Diametros Mayores a 0.60 m ( 24 In )

NOTA 2.- Para Diametros de 0.30 m ( 12 - 24 In )

MUESTREO ISOCINETICO EN:Incinerador de cana (Quema de cana)

"A"

"B"

4 5 6 7 8 9 10

Numero de Diametro del Conducto en el Sentido del Flujo

4

16

20

12

8

28

24

24

12

16

24

20

Nota 2

Nota 1

A

B

1.0 1.5 2.0 2.5

Num

ero

Min

imo d

e P

unto

s d

e M

uestr

eo

LOCALIZACION DE LOS PUNTOS DE MUESTREO EN LINEA

TRANSVERSAL Y LECTURA DE LAS PRESIONES DINAMICAS

Numero de Puntos ( cm ) DP ( In H2O ) DP

Transversales K L K L x DI + Ep I II III ( In H2O ) DP

1 0.044 1.10 0.04 0.04 0.04 0.04 0.20

2 0.147 3.68 0.03 0.03 0.03 0.03 0.17

3 0.295 7.38 0.04 0.04 0.04 0.04 0.20

4 0.705 17.63 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

5 0.853 21.33 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

6 0.956 23.90 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

7 0.044 1.10 0.04 0.04 0.04 0.04 0.20

8 0.147 3.68 0.03 0.03 0.03 0.03 0.17

9 0.295 7.38 0.04 0.04 0.04 0.04 0.20

10 0.705 17.63 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

11 0.853 21.33 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

12 0.956 23.90 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Promedio: 0.1911

A N A L I S I S D E G A S E S

Hora: 11:48

CORRIDA %CO2 %O2 %CO

1 3.27 17.45 0.0856

2 2.23 18.54 0.1552

3 3.79 13.62 0.1302

Promedio 3.10 16.54 0.12367

Presión Estatica ( Pe ): 0.01 ( In H2O )

Presión Barometrica ( Pb ): 23.00 ( " In Hg " )

Temperatura del Conducto ( Tc ): 853.15 ( ° K )

Temperatura Ambiente ( Ta ): 296.15 ( ° K )

Temperatura del Medidor ( T m ): 296.11 ( ° K )

Presión del Medidor ( P m ): 23.06 ( In Hg )

Diametro de la Boquilla ( D n ): 0.500 ( In )

CALCULO DE LA BOQUILLA ESTANDAR Y FACTOR " k "

Factor de Calibración del Tubo de Pitot ( Fc ): 0.8400

Factor de Calibración del Gasometro ( Fcg ): 0.9665

Constante de Placa de Orificio:

a = 0.0 b = 0.0 DH@ = 1.6907

Número de Serie del Gasometro: 392-643

Temperatura del Conducto ( Tc ): 853.15 ( ° K )

Presión del Conducto ( Pc ): 77893 ( Pa )

3.015 ( Pa )

Fracción de Humedad Propuesta ( Fhp ):

F g s = 1.0 - F h p = Fgs= 1.0 - 0.02 = 0.99

PESO MOLECULAR HUMEDO:

PMH = 18 X Fhp + Fgs X [ (0.44 X % CO2 + 0.32 X % O2 + 0.28 X ( % N2 + % CO ))]

PMH=18x 0.02 + 0.99 x [(0.44 x 3.8 + 0.32 x 16.54 + 0.28 x( 79.55 + 0.12367 ))]= 29.099

CALCULO DE LA VELOCIDAD PROMEDIO PRELIMINAR

V = 128.77 x 0.840 x 853.15 x 3.015 = 6.327

29.10 x 77893 ( m /seg.)

DONDE Kp ES IGUAL A:

Kp = 85.4 Ft/s Sistema Ingles

Kp = 128.77 m/s Sistema Internacional

CALCULO DE LA CONSTANTE PARA DETERMINAR EL AREA DE LA BOQUILLA ( C ):

C = 6.327 x 60 x 0.99 x 77893 x 298.15 = 100.46

101325 853.15

))()((

))((

2OInHkLbmol

InHgLb

°

))((

)(

kgmol

g

°

úû

ùêë

é

°

°´úû

ùêë

é´´ú

û

ùêë

é=

)(

)(15.298

)(101325

)()(

60

kTc

k

Pa

PaPcFgs

min

sVxC

PPcPMH

TcFcKpV

D´

´´´=

CALCULO DEL AREA DE LA BOQUILLA PARA EL GASTO DESEADO A CONDICIONES NORMALES

Area Deseada de la Boquilla ( Ab ) = Gasto Deseado para el Muestreo ( Gd )

C

A b = 0.02124 = 0.000211 ( m2 ) = 0.00228 ( Ft

2 )

100.458

GD = Para Equipo Manual: 0.5 Ft3/min = 0.01416 m3/min.

Para Equipos Semiautomaticos: 0.75 fT3/min. = 0.02124 m3/min.

SELECCION DE LA BOQUILLA :

Diametro de la Boquilla Estandar Area de la Boquilla Estandar

0.47625 3 / 16 0.17814 1.9175 x 10 -4

0.635 1 / 4 0.3167 3.4088 x 10 -4

0.79375 5 / 16 0.4948 5.3263 x 10 -4

0.9525 3 / 8 0.712559 7.6699 x 10 -4

1.27 1 / 2 1.266772 1.3635 x 10 -3

Diametro de la Boquilla Estandar ( Dn ) : ( cm ) 1.2700

Area de la Boquilla Estandar ( Ab ) : ( cm2 ) 1.2668

CALCULO DE LA CONSTANTE ISOCINETICA " K "

Cuando se Cuenta con las Constantes " a " y " b " se Calcula " K " con la Formula Siguiente:

0.0

K = 0.00 ( 0.0001 x 100.46 x 60 )= 0.000

3.0151

Donde " D P " es el Cuadrado del Promedio de las Raicas Cuadradas de la Presión Dinamica de los

Datos Preliminares.

Cuando se Cuenta con la Constante D H@ se Calcula "K" con la Formula Siguiente:

4 2 2

K = 859.34033 x 0.500001 x 0.840 x 1.6907 x 0.99 x 29.27 296.11 77893 = 21.6468

29.10 853.15 78090

CM In CM2 Ft2

=D

´´=

p

TtmCAbaK

b)(

( ) =úû

ùêë

éúû

ùêë

éúû

ùêë

é´-´D´´=

Pm

Pc

Tc

Tm

PMH

PMSFhHDnK

24 1@34033.859

PROCEDIMIENTO PARA DETERMINACION DE SOLIDOS TOTALES MEDIANTE

SOLUCION LAVADORA, EN EL ENJUAGADO DE SONDA Y ACCESORIOS

Fecha del Analisis: 1 de Febrero del 2013

Humedad Relativa Durante el Analisis: 32.00

Tipo de Solución Lavadora: Acetona

Densidad de Solución Lavadora: 0.9875

Volumen Total de la Solución Lavadora ( ml ): 500.00

" PROCEDIMIENTO "

1.- Se Deben Acondiconar los Filtros de Acuerdo a las Especificaciones Indicandose en el

Punto 6.1.1. De Esta Norma.

2.- Medir Volumetricamente 200 ml. De Solución Lavadora y Verter Sobre el Previamente

Acondicionado.

3.- Nuevamente Reacondicionar el Filtro y Obtener el Peso Final.

Número de Peso Final: Peso Inicial: Diferencia: Fecha y Tiempo de Pesado para Cada Filtro:

Filtro : ( g ) ( g ) ( g )

0 0.79450 0.79110 0.00340 Una Hora a 120°C y Humedad

0.00000 Relativa del 50%

Número de S o l u c i ó n T i p o Peso Peso Diferencias:

Impactor S e l e c t i v a D i f u s o r Final Inicial

1 Agua Destilada 640.80 640.20 0.60

2 Agua Destilada 620.90 620.10 0.80

3 V a c i o 502.00 502.00 0.00

4 Silica Gel 756.10 755.20 0.90

5 0.00

6 0.00

Agua Total Ganada por

los Impactores ( P g a ): 2.30

Hoja de Campo Planta : Universidad Autonoma Metropolitana

Muestreo Isocinetico Fuente Muestreada : Incinerador de cana (Quema de cana)

Corrida Número:

Pesos de Impactores Unidad de Muestreo Número de Serie:

No. Inicial Final Ganancia Unidad de Control Número de Serie:

1 640.20 640.80 0.60 DH@ : 1.6907 CTEa : 0.00 CTEb :

2 620.10 620.90 0.80 Factor Calibración de Gasosmetro (FCG) :

3 502.00 502.00 0.00 Factor Calibración Tubo de Pitot (FC) :

4 755.20 756.10 0.90 Material de Sonda : Acero Inoxidable 3FT.

Promrdio : 2.30 Factor K :

Gases Fecha Prep. No. Analisis :

Tipo y Material del Filtro : Fibra de Vidrio

Punto Tiempo Lectura en Vacio en Gasto de Gas Presión Dinamica D H

de Muestreado el Gasometro el Sistema Muestreado ( In H2O ) Orificio Chimenea

Muestreo ( min. ) ( ft3 ) ( In Hg ) ( ft

3/min. ) D P DP ( In H2O ) (°F)

11:48 998.10

A 1 11:53 1001.08 1.00 0.5901 0.040 0.2000 0.820 1160.000

2 11:58 1003.85 1.00 0.5499 0.030 0.1732 0.701 987.000

3 12:03 1006.98 1.00 0.6198 0.040 0.2000 0.884 1081.000

B

3.13 5 MIN

3 15.00 8.88 15MIN 8.80

1.00 0.1911 0.8015 1076.00

Nombre del Operador :

Ing. José Luis Castro Torres

P

u

n

t

o

Peso Molecular gr/gr mol. 29.099

Incinerador de cana (Quema de cana) Fecha : 1 de Febrero del 2013

Uno Metodo Utilizado Manual Semiautomatico Automatico

Temperatura Ambiente °K : 296.15

392-643 Presión Barometrica mmHg : 23.00

0.00 % de Humedad Propuesta : 0.02

0.9665 Volumen de Infiltación (Pies Cubicos Min.) 0.01

0.8400 Presión Estatica Pulgada de Agua : 0.01

Filtro Número : 0

21.647 Peso Inicial : 0.79110 Peso Final : 0.79450

3.00 Diametro de Boquilla : 1.2700

Lavado de Sonda: 0.0004 ( g)

Temperatura en: ( )

Sonda Medio Impactores ( °F ) Gasometro ( °F )

(°F) Filtante (°F) Entrada Salida Entrada Salida

188.000 192.000 192.00 77.000 72.000 72.000

197.000 202.000 202.00 81.000 89.000 73.000

217.000 212.000 212.00 86.000 95.000 75.000

202.00 81.33 85.33 73.33

200.67 202.00 141.67 79.33

F i r m a :

CALCULO DEL PORCIENTO DE ISOCINETISMO

Temperatura Promedio del Conducto ( Tc ) : 853.15 ( °K )

Temperatura Promedio del Medidor ( Tm ) : 299.45 ( °K )

Promedio de las Raices de la Presión Dinamica : DP 3.02 ( Pa )

Presión Barometrica ( Pb ) : 77890 ( Pa )

Promedio de la Presión en la Placa de Orificio : DH 199.58 ( Pa )

Presión de Vacio ( Pv ) : 249.01 ( Pa )

Presión Estatica ( Pe ) : 2.49 ( Pa )

Factor de Calibración del Medidor ( Fcg ) : 0.9665

Volumen Total Corregido ( Vtc ) = Volumen Total x Fcg : 242.97 ( Lt. )

Consumo de Combustible ( C b ) : 0.00 (m3/Hr.)

CONSTANTES DE LA PLACA DE ORIFICIO

a : 0.0 b : 0.0 DH@ : 1.6907

Factor de Calibración del Tubo de Pitot ( Fc ) : 0.8400

Tiempo Total de Muestreo ( T tm ) : 15.00 (min.).

PROMEDIO DE LOS GASES DE COMBUSTION

%CO 0.12367 %CO2 3.10 %O2 16.54

Número de Puntos Muestreados : 3.00

Diametro del Ducto ( cm ) : 25.00

C A L C U L O D E L A F R A C C I O N H U M E D A

Pm = 77890 + 199.58 = 78090 ( P a )

Fracción Humeda ( Fh ) =

Fh = 2.30 x 1.3592

2.30 x 1.35923 8.58 x 23 x 508.28 0.01653 % = 1.653

539.33

Fracción Seca ( Fgs ) = 1 - Fh = Fgs = 1.00 - 0.0165 = 0.9835

CALCULO DEL PESO MOLECULAR HUMEDO (PMH)

%N2 = 100-( 16.54 + 0.123667 + 3.10 ) = % N2 80.24

PMH =18 x 0.01653 + 0.9835 x [(.44 x 3.10 + .32 x 16.54 + .28 x ( 80.24 + 0.12367 ))]= 28.94

Donde K1 y K2 son Igual : 508.2842 Lt °R/In Hg Ft3 Sistema Ingles K2 0.08329 Lt °K/Pa Ft3 Sistema Internacional 1.359227 Lt/gr. Sisteam Ingles K1 0.07574 Lt/gr. Sistema Internacional

}

}

HPbPm

D+=

úû

ùêë

é´

´+´

´

21

1

KTm

PmVtcKPga

KPga

)%%(%100% 222 COCOON ++-=

( )( )[ ]CONOCOFgsFhPMH %%28.0%32.0%44.018 222 +´+´+´´+´=

CALCULO DEL VOLUMEN TOTAL A CONDICIONES DEL CONDUCTO

853.15

VTCC = 0.243 x 299.446 = 0.7039 ( m3 )

0.9835

Para Utilizar la Ecuación Anterior es Necesario Cambiar la Posición de la Bomba de Vacio de

Acuerdo a la Fig.

CALCULO DE LA VELOCIDAD PROMEDIO CORREGIDA

Donde Pc = Pb ± Pe Pc = 77890 ± 2.49 = 77892.7 ( P a )

Sistema

Ingles

Sistema

Internacional

V = 128.77 x 0.8400 853.15 x 3.02 = 6.3448 ( m/s. )

28.94 x 77893

C A L C U L O D E L I S O C I N E T I S M O

% ISOC. = 0.704 x 100.00 = 97.31

0.00013 x 900.00 x 6.345

Fgs

T

TV

VM

CTC

TCC

úû

ùêë

é´

=

( ) ( ) ( )=

D´

´

°´´=

)/

)(40.85

PaPInHgPcMolLbPMH

RTcFcV

( ) ( ) ( )=

D´

´

°´=

PaPInHgPcgmolgPMH

kTcFcV

/

)(77.128

=´´

´=

VTtmAb

VISOC TCC 100

.%

CALCULO DE LA EMISION A CONDICIONES NORMALES BASE SECA

D A T O S :

Peso Final del Filtro ( W F ) : 794.50 ( mg. )

Peso Inicial del Filtro ( W I ) : 791.10 ( mg. )

Peso de Particulas en Lavado de Sonda y Accesorios ( W A ) : 0.40 ( mg. )

Diametro del Conducto ( D I ) : 0.25 ( m )

Velocidad Promedio en el Conducto ( V ) : 6.34 ( m/s )

Volumen Total de Gas Muestreado : 0.25 ( m3 )

Presión del Conducto ( Pc ) : 77893 ( Pa )

Temperatura del Conducto ( T c ) : 853.15 ( ° K )

Factor de Corrección del Medidor ( F c g ) : 0.9665

Fracción de Gas Seco ( F g s ) : 0.9835 ( m3 )

Temperatura del Medidor ( T M ) : 299.45 ( ° K )

Presión del Medidor ( Pm ) : 78090 ( Pa )

C A L C U L O D E L V O L U M E N T O T A L D E G A S M U E S T R E A D O

" A C O N D I C I O N E S N O R M A L E S "

Volumen Corregido: = ( m3 )

Vtc = 0.9665 x 0.25139 = 0.2430 ( m3 ) 15 MIN

Vtc = 0.9665 x 0.08856 = 0.0856 5 MIN filtro

VOLUMEN TOTAL A CONDICIONES NORMALES EN BASE SECA

( m3 )

V CNBS = 0.2430 x 298.15 x 78089.78 0.1864 ( m3 ) 15min

299.45 101325.00

V CNBS = 0.0856 x 298.15 x 78089.78 0.0657 ( m3 ) 5min

299.45 101325.00

CALCULO DEL GASTO VOLUMETRICO A CONDICIONES NORMALES BASE SECA EN CHIMENEA

1 ).- Calculo del Gasto Volumetrico a Condiciones del Conducto ( Gvc ) :

G VC = p ( 0.25 )2 x 6.345 x 60 = 18.69 (m

3/min)

4

2 ).- Gasto Volumetrico a Condiciones Normales en Base Seca : CHIMENEA

(m3/hr)

G CNBS = 18.69 x 298.15 x 77892.70 x 0.9835 x 60 = 296.24

853.15 101325.00 (m3/min)

4.937298

Partículas 5 min Vchim= 24.69 m3

Gases 15minVchim= 74.06 m3

12

VtmFcgVtc ´=

=úû

ùêë

é´úû

ùêë

é

°

°´=

)(101325

)(

)(

15.298

Pa

PaPm

KTm

KVtcVCNBS

( ) =´´úû

ùêë

é= 60/

4

2sVmDIGVC

p

=´´úû

ùêë

é´úû

ùêë

é

°

°´= 60

)(101325

)(15.298Fgs

Pa

PaPc

KT

KGG

CVCCNBS

CALCULO DE LA CONCENTRACION DE PARTICULAS

Peso Total de Particulas en muestra ( P TP ) :

( P TP ) = ( 794.50 - 791.10 ) + 0.40 = 3.80 mg

Peso Total Particulas en chimenea = (3.80*24.62/0.0657) = 1428 mg = 1.428 g

Masa quemada en el tiempo de la prueba 5 min= 440 g = 0.340 Kg

CONCENTRACION DE PARTICULAS BASE SECA Y CONDICIONES NORMALES:

C P = 3.80 = 57.86 (mg/m3 ) ducto

0.0657

C P = 1428.31 = 57.86 (mg/m3 ) chimenea

24.6865

FACTOR DE EMISION DE PST

FEPST= 4.20 g/Kg

FACTOR DE EMISION DE CARBONO NEGRO

Peso inicial (g): 0.7911

Peso final (g): 0.7945

Dif peso (g): 0.0034

Peso real 0.0038

Volumen (m3) 0.0657

[ug/m3] partículas 57858

Area real 103.87

Área filtro = 11.5 cm

Prueba Blank Filter ID BlankIR SampleIR ATN IR

Ducto

[ug/cm2]IR

=BC

Volume

n (m3)

Área

(cm2) ug BC

ug BC

área y

conc

corregida

[ug/m3]

BC

1 Q47 028/13 221860 178055 22 1.32 0.066 78.540 103.7 153.24 2332

2 Q47 028/13 221860 178055 28 1.68 0.066 78.540 131.9 195.03 2968

3 Q47 028/13 221860 178055 16 0.96 0.066 78.540 75.4 111.45 1696

2332

Chimenea

Prueba gBC FECN %CN24.69*2332/1

000000 gBC/0.340 FECN= 0.16 g/Kg

1 0.05758 0.16 4.0312

2 0.07328 0.21 5.1306

3 0.04188 0.12 2.9318

0.16 4.03

0.04 0.90

WAWIWFPTP +-= )(

CNBS

TPP

V

PC =

CNBS

TPP

V

PC =

FACTORES DE EMISION DE GASES

FACTOR DE EMISION DE CO2

Masa quemada = 2.350 Kg

ducto V CNBS = 0.1864 m3

chimenea V CNBS = 74.06 m3

Pruebas %V CO2 ppm mg/m3 gCO2 gCO2/Kg

1 3.27 32700 58726531 4349 1851

2 2.23 22300 40048980 2966 1262

3 3.79 37900 68065306 5041 2145

Promedio 3.10 30967 55613605 4119 1752.64

0.65 6485.54 11647499.46 862.61 367.07

FECO2= 1753 g/Kg

FACTOR DE EMISION DE CO

Masa quemada = 2.35 Kg

ducto V CNBS = 0.1864 m3

chimenea V CNBS = 74.06 m3

Pruebas %V CO ppm mg/m3 gCO gCO/Kg

1 0.0856 856 978286 72.45 31

2 0.1052 1052 1202286 89.04 38

3 0.1302 1302 1488000 110.20 47

Promedio 0.1070 1070.00 1222857 90.56 39

0.0183 182.5 208597.8 15 7

FECO= 39 g/Kg

DATOS DEL MUESTREO ISOCINETICO DE PARTICULAS

9.1 Muestra ( No. Uno Fecha: 1 de Febrero del 2013 De : 11:48 Hr. A: 00:00 Hr. ):

9.2 Filtro ( No. 0 Peso Final : 0.79450 Peso Inicial : 0.79110 Diferencia : 0.0034

9.3 Peso Particulas por Lavado de Sonda y Ciclon : ( 0.1 y 0.3 = 0.4000

9.4 Peso Total de Particulas ( mg ) : 0.4034

9.5 Flujo de Infiltración ( < o = 4% del Volumen Total. 0.1165 Lt. / min. ):

9.6 Condiciones del Pesaje del Filtro : En Estufa a 120 °C por Una Hora

Sacarlo se Coloca en Desecador Durante 5 min. ; Posteriormente se Pesa.

9.7 Presión Dinamica : 3.02 Pa. 9.8 Presión Estatica : 2.49 Pa.

9.9 Presión en Chimenea : 77892.70 Pa. 9.10 Presión Barometrica : 77890.21 Pa.

9.11 P. Diferencial del Orificio ( DH ) : 199.58 Pa. 9.12 Factor K : 21.65 Pa.

9.13 Vacio en el Tren de Muestreo : 249.01 Pa.

9.14 Número de Puntos Seleccionados : 6.00

9.15 Lectura del Gasometro ( Final : 28514.59 Inicial 28263.20 Diferencia: 251.39 Litros

9.16 F C G S : 0.9665 9.17 Volumen Corregido de Muestra : 242.97 Litros

9.18 Peso del Agua: 2.30 g. )

9.19 Fracción de Gas ( %CO2 3.10 % O2 16.54 % CO 0.12367 % N2 80.24

9.20 Exceso de Aire en la Combustión : 349.8348 %

9.21 Temperatura Ambiente : 296.15 °K

9.22 Temperatura del Gasometro: 299.45 °K 9.23 Presión Gasometro : 78089.8 Pa.

9.24 Temperatura de Chimenea : 853.15 °K

10 RESULTADOS DEL MUESTREO

10.1 Fracción de Humedad : 1.65 % 10.2 Fracción de Gas Seco : 98.35 %

10.3 Peso Molecular : 28.94 g/g-mol. 10.4 Densidad de los Gases: 0.9996 Kg/m3 C CH.

10.5 Volumen de Muestra a Condiciones de Chimenea : 703.87 Litros

10.6 Volumen de Muestra a Condiciones Normales : 186.44 Litros

10.7 Velocidad de Gas en Chimenea : 6.34479 m/s. 10.8 % Isocinetismo : 97.31

10.9 Gasto Volumetrico a Condiciones de Chimenea : 18.69 m3 N/min.

10.10 Gasto Volumetrico a Condicones Normales : 4.94 m3 N/min. ( Base Seca )

10.11 Concentración de Particulas : 57.86 mg/m3 N.

10.12 Emisión de ParticulasS : 0.01714 Kg/hr.

Emisión de Particulas; Kg / 1 x 10^6 m

3 de Consumo de Combustible :

11 COMPARACION CON LAS NORMAS TECNICAS ECOLOGICAS

11.1 Nivel Maximo Permisible ( N. O. M. - ECOL - 43 / 1993 ) mg/m3

11.2 Nivel Maximo Permisible ( N. O. M. - ) mg/m3

12 O B S E R V AC I O N E S

Anexar Diagrama del Ensamble del Tren de Muestreo, Croquiz de la Fuente Muestreada, Sistribución de Puntos de

Muestreo Seleccionados y Aclare lo Necesario.

Debe Conservar la Memoria de Calculo por lo Menos Durante 5 años como comprobante de Muestreo y Resultados.