Selección y diseño de un sistema de control para las ...
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería
1-1-2004
Selección y diseño de un sistema de control para las emisiones Selección y diseño de un sistema de control para las emisiones
de material particulado en el proceso de fundición de la empresa de material particulado en el proceso de fundición de la empresa
Fundicom S.A de Mosquera - Cundinamarca Fundicom S.A de Mosquera - Cundinamarca
Mónica Hernández Lozano Universidad de La Salle, Bogotá
Arnoldo Mestre Trujillo Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada Hernández Lozano, M., & Mestre Trujillo, A. (2004). Selección y diseño de un sistema de control para las emisiones de material particulado en el proceso de fundición de la empresa Fundicom S.A de Mosquera - Cundinamarca. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/1686
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1
SELECCIÓN Y DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA LAS EMISIONES DE MATERIAL PARTICULADO EN EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE LA EMPRESA
FUNDICOM S.A. DE MOSQUERA-CUNDINAMARCA
MÓNICA HERNÁNDEZ LOZANO ARNOLDO MESTRE TRUJILLO
Proyecto de Grado para Optar al título de Ingeniero Ambiental y Sanitario
Director ING. GABRIEL HERRERA
Ingeniero Sanitario
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTALY SANITARIA
BOGOTÁ D.C. 2004
2
SELECCIÓN Y DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA LAS EMISIONES DE MATERIAL PARTICULADO EN EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE LA EMPRESA
FUNDICOM S.A. MOSQUERA-CUNDINAMARCA
MÓNICA HERNÁNDEZ LOZANO ARNOLDO MESTRE TRUJILLO
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTALY SANITARIA
BOGOTÁ D.C. 2004
3
Nota de Aceptación _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________
_____________________________ Director
_____________________________ Jurado
_____________________________ Jurado
Bogotá D.C., 07 de Octubre de 2004
4
TABLA DE CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN 17
JUSTIFICACION 19
OBJETIVO GENERAL 20
OBJETIVOS ESPECIFICOS 20
1. GENERALIDADES 21
1.1 DESCRIPCION GENERAL DE LA EMPESA 21
1.2 PROCESO DE FUNDICIÓN 23
1.2.1 Materias Primas 25
1.2.2 Elaboración de Placa Moldeo 25
pág.
5
1.2.3 Preparación de Arena Verde 25
1.2.4 Fabricación de Noyos 27
1.2.5 Moldeo 27
1.2.6 Desmoldeo 28
1.2.7 Fusión y Vaciado 28
1.2.8 Terminado 29
1.3 MARCO LEGAL 30
2. DIAGNOSTICO DE LAS FUENTES DE EMISIÓN GENERADAS EN EL
PROCESO 31
2.1 RECOLECCION PRELIMINAR DE INFORMACIÓN 31
pág.
6
2.2 DESCRIPCION DE LAS FUENTES DE EMISION 34
2.2.1 Recepción y descargue de Insumos 34
2.2.2 Preparación de Arena Verde 35
2.2.3 Silos de Arena de Retorno 36
2.2.4 Hornos de Inducción 38
2.2.5 Fabricación de Noyos 38
2.2.6 Desmoldeo 39
2.2.7 Terminado 39
2.3 IDENTIFICACION DE CONTAMINANTES 40
2.3.1 Procesos de Fusión y Tratamiento del Metal Fundido 40
pág.
7
2.3.2 Producción de Moldes y Machos 41
2.3.3 Colada en Moldes, Enfriamiento y Desmolde 42
2.4 DESCRIPCION DE LOS SISTEMAS DE CONTROL EXISTENTES 42
2.4.1 Silos de Arena y Molinos 43
2.4.2 Desmoldeo 44
2.4.3 Generalidades 44
3. DETERMINACIÓN DE LAS EMISIONES DEL PROCESO 47
3.1 FACTORES DE EMISIÓN 47
3.1.1 Cálculo de Emisiones por Factores 49
3.2 BALANCE DE MASAS 53
pág.
8
3.3 ESTUDIO DE CALIDAD DE AIRE 57
3.4 NORMA DE CALIDAD DE AIRE 57
3.5 NORMA DE EMISION 59
4 ALTERNATIVAS DE CONTROL DE EMISIONES EN EL PROCESO 61
4.1 SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE EMISIONES 62
4.2 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MECANISMOS DE CAPTACION 64
4.3 DISEÑO DE SISTEMAS DE CONDUCCION 72
4.4 SISTEMAS DE CONTROL DE EMISIONES 77
4.5 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MECANISMOS DE CONTROL 89
4.6 DISEÑO DE MECANISMOS DE CONTROL 96
pág.
9
4.7 COMPARACIÓN CON LA NORMA DE EMISIÓN DE PARTÍCULAS 108
5. EVALUACIÓN ECONOMICA DE LA IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DE
CONTROL DE PARTÍCULAS 109
5.1 CAMPANAS 109
5.2 SISTEMAS DE CONDUCCIÓN 111
5.2.1 Sistemas de Conducción Rectos 111
5.2.2 Codos 112
5.3 CHIMENEA 113
5.4 COSTO TOTAL DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN Y CONDUCCION 114
5.5 FILTRO DE MANGAS 115
pág.
10
5.5.1 Costos de la Tela 116
6. CONCLUSIONES 118
7. RECOMENDACIONES 119
BIBLIOGRAFÍA 121
ANEXOS 124
11
LISTA DE TABLAS
pág
Tabla 1. Emisión de Partículas en el proceso de Fundición 54
Tabla 2. Cantidad y Composición de las Entradas del Proceso 56
Tabla 3. Cantidad y Composición de las Salidas del Proceso 56
Tabla 4. Resultados de Entradas y Salidas Fusión de Hierro 57
Tabla 5. Resistencia Física y Química del Dacrón 103
Tabla 6. Parámetros para la Ecuación de Costos de la Campana 111
Tabla 7. Costos de las Campanas 112
Tabla 8. Parámetros para la Ecuación de Costos de un Conducto Recto 112
Tabla 9. Costos de las Conductos Rectos 113
Tabla 10. Parámetros para la Ecuación de Costos de Codos 113
Tabla 11. Costos de Codos 114
Tabla 12. Parámetros para la Ecuación de Costos de la Chimenea 115
Tabla 13. Costo de Materiales de Mangas 117
Tabla 14. Resultado de los Costos obtenidos para el Sistema de Control 118
12
LISTA DE CUADROS
pág
Cuadro 1. Composición de Arena de Moldeo 26
Cuadro 2. Lista de Chequeo Emisiones Atmosféricas 31
Cuadro 3. Sistema de Conducción de Emisiones en Molino 34
Cuadro 4. Contaminantes Generales de un Proceso de Fundición 39
Cuadro 5. Emisiones Generadas en Arenería 42
Cuadro 6. Características Filtro Silos Arena 43
Cuadro 7. Estado Actual de los puntos de Emisión 46
Cuadro 8. Factores de Emisión para PST y PM10 49
Cuadro 9. Sistemas de Captación Silos de Arena 68
Cuadro 10. Sistemas de Captación Hornos 8 Toneladas 69
Cuadro 11. Sistemas de Captación Hornos 2 Toneladas 70
Cuadro 12. Sistemas de Captación Desmoldeo Sistema 1 72
Cuadro 13. Diseño de Conductos para Hornos de Fusión 74
pág
13
Cuadro 14. Diseño de Conductos para Silos de Arena 75
Cuadro 15. Diseño de Conductos para Desmoldeo Sistema 1 76
Cuadro 16. Eficiencia de Dispositivos Preliminares para Control de Partículas 83
Cuadro 17. Ventajas y desventajas del Separador Gravitatorio 90
Cuadro 18. Ventajas y Desventajas del Ciclón 90
Cuadro 19. Ventajas y Desventajas del Separador Inercial 91
Cuadro 20.Comparación de Sistemas de Control según Características de la Emisión 93
Cuadro 21. Comparación de Sistemas de Control según sus Costos 94
Cuadro 22. Ventajas y desventajas Precipitadores Electrostáticos 95
14
LISTA DE IMÁGENES
pág.
Imagen 1. Molino de 850 Kilogramos 25
Imagen 2. Preparación de Machos 27
Imagen 3. Sistemas de Moldeo 28
Imagen 4. Fusión y Vaciado de Hierro 29
Imagen 5. Granallado 29
Imagen 6. Esmerilado 29
Imagen 7. Descargue de Insumos 33
Imagen 8. Silos de Arena de Retorno 35
Imagen 9. Captación en Silos 35
Imagen 10. Ductos en Forma de “Y” 35
Imagen 11. Captación en Tamiz 35
Imagen 12. Campana en Caída de Arena 35
Imagen 13. Conexión de Escape Directo 36
15
pág.
Imagen 14. Ductos de salida al Filtro de Mangas 36
Imagen 15. Ductos Salida 36
Imagen 16. Conducción y Salida de Gases 43
Imagen 17. Conducto en Desmoldeo Sistema 1 44
Imagen 18. Filtro Granalladora Tosca 44
Imagen 19. Filtro Granalladora de Túnel 44
Imagen 20. Desmoldeo Sistema 1 64
16
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Diagrama de Flujo proceso de Fundición Fundicom S.A. 24
Figura 2. Preparación de Arenas Verde 26
Figura 3. Captación y Transporte de Emisiones Silos de Arena 43
Figura 4. Filtros Granalladoras 45
Figura 5. Sistemas de Control en Granalladoras 45
Figura 6. Sistema de Captación y Control Seleccionado 61
Figura 7. Sistema de Captación de Emisiones 63
Figura 8. Confinamiento de Arena Sílice 65
Figura 9. Cámara de Expansión 79
Figura 10. Cámara de Placas Múltiples 79
Figura 11. Purificador 80
Figura 12. Separador Inercial 81
Figura 13. Ciclón 82
17
pág.
Figura 13. Ciclón 80
Figura 14. Filtro de Mangas 85
Figura 15. Torre Húmeda 89
Figura 16. Dimensiones del Ciclón 99
18
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO A. Materias Primas del Proceso de Fundición 136 ANEXO B. Lista de Chequeo Metodología de Evaluación 137 ANEXO C. Diagramas de Flujo del Proceso de Fundición 142
ANEXO D. Filtros de Mangas Silos de Arena 143
ANEXO E. Características de Conductos en Silos de Arena 144
ANEXO F. Diseño Sistemas de Captación 147
ANEXO G. Esquemas de Diseño sistemas de Captación y Conducción 157
ANEXO H. Esquemas de Diseño de Filtros de Mangas 158 ANEXO I. Diseño Filtro de Mangas 159 ANEXO J. Características del Ventilador 163
19
RESUMEN
Los Ingenieros Ambientales dentro de su campo de desempeño profesional deben
contribuir a la realización de diseños de sistemas de control de las emisiones
atmosféricas que se generan en las pequeñas, medianas y grandes industrias
como resultado de sus procesos productivos, ya que los efectos generados por
dichas emisiones en algunos casos son difíciles de cuantificar y sus
consecuencias pueden manifestarse sólo a largo plazo.
Las Industrias de fundición son fuentes fijas de generación de emisiones, las
cuales varían por las condiciones y tecnología de los equipos utilizados, el tipo de
combustible, materias primas y capacidad de producción. Un caso puntual es el de
la planta de fundición de la Empresa Fundicom S.A., la cual, en su necesidad de
dar cumplimiento a los requerimientos de las autoridades ambientales y aumentar
su competitividad a nivel internacional, ha realizado acciones buscando mejoras
internas para que su proceso sea amigable con el medio ambiente, entre éstas se
encuentra el reemplazo de hornos de cubilote por hornos de inducción y ahora, la
intención de incluir sistemas de control para las fuentes mas representativas de
material particulado de su proceso.
Los resultados obtenidos en el diagnóstico y la cuantificación de emisiones
demostraron que el proceso de fusión de hierro, es una de las fuentes en donde
se genera la mayor cantidad de material particulado, esta fuente de emisión se
tuvo en cuenta para la selección del sistema de control para material particulado y
se escogió la mejor alternativa de acuerdo con su viabilidad técnica, realizando
finalmente el diseño y la evaluación de los costos para su implementación.
20
ABSTRACT
Environmental Engineers in their professional field of action, must contribute to design
systems to air pollution control generated by small, middle and big companies as a
result of their productive process. The effects generated by those emissions can not be
quantified and their consequences, in some cases, might be detected only in the
future.
Foundry Industries are emissions sources that change by the conditions, the
technologies, the fuels, the raw material and the production capacity. A special case is
Fundicom S.A. foundry plant. This company according to the requirements of
environmental laws, and searching to increase the competitively in the international
market, has introduced proceedings to search internal improvements that be friendly
with environment; in this way, Fundicom replaced cupola ovens for induction owen,
and now it has the purpose to include systems to control the most representative
sources of particulate matter generated in the process. The results gotten by the
diagnostic and the quantification of the emissions, applying emissions factors, showed
that Iron Fusion, that up-to-date does not have a control device, it is one of the sources
where is produced high levels of particulate matter, showing that way the necessity to
design a system of capture and treatment in this stage of the process.
Choosing the system to control the particulate material in this work we decided to
select the best alternative for the company according to the technical viability. Design
and costs in the moment to be implanted. Finally, we made the design and evaluation
of costs for its implementation.
21
GLOSARIO PROCESO DE FUNDICIÓN
ACERO: producto siderúrgico en el que el hierro combinado adquiere con el temple gran
dureza y elasticidad. Químicamente es una aleación a base de hierro y aleado con
carbono en una proporción entre el 0,03% y el 2%. El acero dulce se caracteriza por ser
muy maleable (con gran capacidad de deformación) y tener una concentración de carbono
inferior al 0,2%. Por encima de esta proporción de carbono, el acero se vuelve más duro,
pero más frágil.
ALEACIÓN: sustancia con propiedades metálicas compuesta por dos o más elementos
químicos de los cuales al menos uno es un metal.
ARRABIO: nombre dado al hierro fundido producido en un alto horno y que contiene una
gran cantidad de carbono (sobre 1,5%). En algunos procesos puede reemplazarse la
chatarra por arrabio.
BRIQUETAS: pequeños terrones que se forman al comprimir material triturado.
COLADA CONTINUA: es el método de moldear el hierro o el acero en palanquillas,
tochos o planchones a través de un proceso de enfriamiento desde su forma líquida.
COQUE: es el combustible básico que se consume en los altos hornos en la fundición del
hierro. El coque es un carbón desgasificado en una coquería. Se necesitan alrededor de
450 kilos de coque para procesar una tonelada de arrabio y este carbón representa más
del 50% del uso energético total de una acería integrada.
CRISOL: vaso más ancho de arriba que de abajo, que comúnmente se hace de barro
refractario, porcelana o materia similar y se emplea para fundir materiales a temperaturas
muy elevadas. Cavidad que en la parte inferior de los hornos sirve para recibir el metal
fundido.
22
CHATARRA: material ferroso que por lo general es refundido y vaciado para formar acero
nuevo. Las acerías integradas utilizan chatarra en un porcentaje de hasta 25% de la
alimentación de su horno al oxígeno. La chatarra constituye el 100% de la materia prima
para un horno eléctrico en una pequeña acería.
CHATARRA DOMÉSTICA: acero de desecho que se genera al interior de la planta
siderúrgica por medio de recorte de bordes y rechazos. Normalmente se envía
directamente de vuelta al horno.
CHATARRA INDUSTRIAL: excedente del acero que es recortado por los estampadores
automotrices y que es rematado a los compradores de chatarra como lotes para elaborar.
Esta es chatarra de alta calidad producto de su bajo contenido residual y de su química
consistente.
ESCORIA: impurezas en el hierro fundido. Se puede agregar material fundente como la
caliza para fomentar la reunión de elementos no deseados y formar la escoria. Puesto que
esta última es más liviana que el hierro, flota en la superficie del hierro fundido desde
donde puede ser extraída.
FUNDENTE: agente limpiador del hierro también llamado aglomerante. La caliza y la cal
reaccionan con las impurezas al interior del contenedor metálico formando una escoria
que flota hacia la superficie del hierro líquido relativamente más pesado (y ahora más
puro). También recibe el nombre de Inoculante.
FUNDICIÓN HIERRO GRIS: en este proceso el grafito aparece en forma laminar. Es una
aleación de carbono, hierro y silicio, que permite fabricar una gran variedad de piezas y
partes para maquinaria .
FUNDICIÓN HIERRO NODULAR: es un material que tiene características similares al
Hierro Gris pero también presenta propiedades físicas próximas al acero. Se le llama
también esferoidal (el grafito se presenta como esferas). En este material podemos citar
los repuestos de piezas que requieran resistencia al desgaste y de alto esfuerzo.
23
FUNDICIÓN HIERRO GRIS: forma más común del hierro fundido utilizado principalmente
en fundiciones. La fractura es de color gris oscuro, siendo utilizada para bancadas, bases,
etc.
GRAFITO: una forma cristalina del carbón que tiene una estructura laminar y que es
utilizado como lubricante. Puede ser de origen natural o sintético.
HORNO DE CUBILOTE: es un horno de cuba cilíndrica fija, en el cual se cargan por la
parte superior los metales a fundir, capas alternadas de chatarra y ferro-aleaciones, junto
con coque y piedra caliza o dolomita. El metal es fundido mediante contacto directo con
un flujo a contracorriente de gases calientes provenientes de la combustión del coque,
encendido con aire proveniente de un ventilador a través de toberas. El metal fundido se
acumula en el pozo o solera, donde es descargado mediante un flujo continuo y
depositado en una cuchara recibidora para luego ser enviado a los hornos eléctricos de
inducción, donde se realiza el ajuste final de composición química y temperatura. El
combustible utilizado en este tipo de hornos es el Carbón Coque.
VACIADO: actividad en la cual los moldes para las piezas que se van a fabricar son
llenados por las cucharas que contienen el metal líquido.
24
GLOSARIO CALIDAD DE AIRE
AIRE: uno de los medios en que se desenvuelve el ecosistema; suele utilizarse como
sinónimo de la capa de atmósfera en contacto con la superficie terrestre. Es una mezcla
de gases que, al parecer, han evolucionado en los últimos millones de años hasta su
composición actual. Sus componentes naturales básicos son el nitrógeno, el oxígeno,
algunos otros gases inertes o nobles y componentes variables como el dióxido de carbono
y el vapor de agua.
CONCENTRACIÓN: corresponde a la proporción de contaminante presente en un medio,
generalmente expresada en unidades de masa como micro o nanogramos fraccionando a
una unidad de masa mayor como gramos o kilos (µg/Kg o ng/g) o a una de volumen como
centímetros o metros cúbicos (µg/m3 o ng/cc). En ocasiones la concentración se expresa
directamente en una fracción como partes por millón (ppm). El nivel de daño que causa un
contaminante depende en buena medida de su nivel de concentración
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA: presencia de contaminantes en la atmósfera, tales
como polvo, gases o humo en cantidades y durante períodos de tiempo tales que resultan
dañinos para los seres humanos, la vida silvestre y la propiedad. Estos contaminantes
pueden ser de origen natural o producidos por el hombre directa o indirectamente.
CONTAMINANTE PRIMARIO: contaminante producido directamente por la actividad
humana o la naturaleza.
CONTAMINANTE SECUNDARIO: contaminante producido a partir de algún(os)
contaminante(s) primario(s) y otras sustancias.
EMISIONES DIFUSAS: son aquellas emisiones, no necesariamente visibles, que son
imposibles de canalizar por un ducto. Ejemplo de éstas son los caminos de tierra,
extracción de mineral, detonaciones, canchas de fundición, etc.
25
EMISIONES FUGITIVAS: emisiones que se escapan del sistema de captación, debido a
un mal diseño o desperfectos en él. Estas emisiones pueden salir por ductos, filtros,
campanas, etc.
MATERIAL PARTICULADO (MP): es una mezcla de partículas líquidas, sólidas o líquidas
y sólidas suspendidas en el aire que difieren en tamaño, composición y origen. El tamaño
de las partículas suspendidas en la atmósfera varía en más de cuatro ordenes de
magnitud, desde unos poco nanómetros a decenas de micrómetros. El Material
Particulado conviene clasificarlo por sus propiedades aerodinámicas (Diámetro
Aerodinámico), dado que éstas son un factor decisivo para el transporte y la remoción de
las partículas desde el aire. También, son determinantes para la depositación en el
sistema respiratorio y están asociadas con la composición química y las fuentes de esas
partículas, cuando se habla del tamaño de una partícula se está hablando de su diámetro
aerodinámico.
MATERIAL PARTICULADO RESPIRABLE (MP10): comprende las partículas de diámetro
aerodinámico (d.a.) menor a 10 µm. Representa una mezcla compleja de sustancias
orgánicas e inorgánicas. Estas partículas penetran a lo largo de todo el sistema
respiratorio hasta los pulmones, produciendo irritaciones e incidiendo en diversas
enfermedades. De acuerdo a su masa y composición se tienden a dividir en dos grupos
principales, material particulado grueso, de diámetro mayor a 2,5 µm y menor a 10 µm y
material particulado fino menor a 2,5 µm en diámetro., existiendo también el denominado
material particulado ultrafino de alrededor de 0,1 µm.
MONÓXIDO DE CARBONO (CO): esta sustancia es producida por la combustión
incompleta de carburantes y ciertos procesos biológicos e industriales. Actúa en la sangre
suplantando al oxígeno (O2) e impidiendo su llegada al cerebro y los músculos, incluyendo
el corazón.
NORMA ANUAL: establece la concentración máxima anual permisible de un
contaminante, definida como el promedio aritmético de los valores de las muestras diarias
cuando se trata de contaminantes en estado gaseoso, o el promedio geométrico de los
26
valores de las muestras diarias cuando se refieran a partículas suspendidas totales –
PST.
NORMAS DE CALIDAD: aquellas que establecen límites para elementos, compuestos,
sustancias, derivados químicos o biológicos, energías, radiaciones, vibraciones, ruidos, o
combinación de ellos en el ambiente; atmósfera por ejemplo.
NORMA DE EMISIÓN: la que establece la cantidad máxima permitida para un
contaminante, en forma de concentración o de emisión másica, medida en el efluente de
la fuente emisora.
NORMA DIARIA: establece la concentración máxima diaria permisible de un
contaminante, definida como el promedio aritmético de los valores de las muestras
horarias, que podrá excederse solo una vez en un año.
NORMA PROMEDIO HORARIA: establece la concentración máxima permisible de un
contaminante, de las mediciones realizadas en un periodo de tiempo establecido (media
hora, una hora, tres horas, 6 horas, 8 horas).
PARTÍCULAS TOTALES EN SUSPENSIÓN (PTS ó PST): son materiales finamente
divididos, presentes (suspendidos) en el aire, sólidos o líquidos de un diámetro igual o
inferior a 50 micrómetros (µm). La fracción de PTS de tamaño superior a 10 micrones
corresponde a partículas no respirables, depositándose en la parte superior del sistema
respiratorio y son limpiadas y expulsadas a través de la formación de mucus, a través de
la tos o de la deglución.
PM 2.5: corresponde a la fracción fina del MP10, con un diámetro aerodinámico inferior a
2,5 µm, lo que les permite penetrar más por el sistema respiratorio llegando a los alvéolos
pulmonares.
27
INTRODUCCIÓN
Actualmente todas las industrias de manufactura en Colombia, por los requerimientos de
la autoridad ambiental y buscando ser competitivos en el mercado, deben dar
cumplimiento a las normas establecidas en la legislación y a las solicitudes de los clientes
de demostrar gestión hacia la minimización de la contaminación que se genera en sus
procesos.
Las industrias de fundición pueden describirse como aquellas actividades industriales en
las que a partir de un metal o aleación en estado líquido y mediante el llenado de un
molde, se obtienen piezas con la forma y características deseadas. Durante este proceso,
los principales impactos ambientales son resultado de las emisiones atmosféricas desde
la preparación de materias primas hasta el terminado del producto.
En Colombia, son pocas las industrias de fundición que cuentan con tecnologías óptimas
para reducir las emisiones en forma significativa, un caso a destacar es el de Sabaneta
Cast Metals Foundry, una fundición comercial de hierro fundada en el 2001 y localizada
en Sabaneta (Antioquia, Colombia). Su planta fue diseñada y construida con los últimos
avances tecnológicos para dar cumplimiento con los estándares de seguridad industrial,
conservación del medio ambiente y aseguramiento del control del proceso. Tiene
implementado un sofisticado sistema automático de control de impactos ambientales,
compuesto por un colector de mangas (980 talegas) con una eficiencia del 99.9 %, cuyo
caudal de 85.000 pies cúbicos por minuto; este filtro se encarga de recoger todos los
gases de la combustión y los finos resultantes de la preparación de las arenas y el
proceso de moldeo.
Por otra parte, en muchos países se ha buscado reducir las emisiones a través de
Políticas de Producción Mas Limpia, implementando acciones preventivas (en la fuente)
como son la clasificación de materias primas, limpieza de la chatarra (eliminar pinturas y
28
grasas), apertura del horno por cortos periodos de tiempo, precalentamiento de la
chatarra, uso de combustibles limpios, cambio a gas natural, entre otras.
En cuanto a los equipos necesarios para reducir los niveles de emisión (al menos a
valores permisibles de emisión de partículas) los mas usuales son los filtros de mangas,
ciclones y precipitadores electrostáticos, ya que no siempre se puede reducir las
emisiones en forma significativa desde la fuente. Estos sistemas siempre van
acompañados de buenos mecanismos de extracción y recolección de las emisiones
generadas, que en su mayoría son campanas y extractores de alta capacidad.
Fundicom S.A. es una industria de fundición y mecanizado de autopartes; en la Planta de
Fundición se producen gran variedad de piezas en hierro gris y nodular; actualmente
cuenta con sistemas de captación y control en alguna de las fases del proceso, sin
embargo han existido cambios internamente como son, aumento en la producción e
inclusión de nuevas etapas, lo que incentiva a evaluar la situación actual de la empresa
en la generación de emisiones y considerar la inclusión de nuevos mecanismos de control
que contribuyan al cumplimiento de las normas ambientales y disminuir el impacto
ambiental de su proceso.
Con estos antecedentes y de acuerdo con el proceso que realiza Fundicom S.A. lo que se
consiguió en este estudio fue identificar los puntos en los que se generan mayores
emisiones, si los sistemas de captación existentes son eficientes para el caudal y
características de la emisión que capturan y si de acuerdo con los casos presentados
anteriormente es posible adaptar un sistema de captación y tratamiento de los gases para
los hornos de inducción y otras fuentes representativas, que sea viable técnica y
económicamente y que controle al máximo el impacto al medio ambiente.
29
JUSTIFICACIÓN
La problemática ambiental inherente a la emisión de contaminantes a la atmósfera es un
aspecto difícil de controlar a nivel mundial, teniendo en cuenta que se presentan un sin
número de reacciones entre los compuestos existentes y los emitidos durante las
actividades humanas, cuyos efectos en la mayoría de los casos son incuantificables.
Debido a la ocurrencia de episodios que por causa de la contaminación han generado
pérdidas económicas y humanas, la legislación y los acuerdos internacionales han
intentado controlar la emisión de contaminantes generados por las actividades
productivas, incentivando a que las industrias reduzcan los impactos ambientales con
alternativas de control en la fuente de sus procesos; sin embargo las mismas condiciones
operacionales conllevan a una descarga final de contaminantes la cual es difícil de
controlar completamente en la fuente y que requiere de un tratamiento previo a su emisión
o descarga al ambiente.
Los Ingenieros Ambientales dentro de su campo laboral abarcan la línea de control de la
contaminación atmosférica, siendo partícipes en la creación y diseño de alternativas que
contribuyan a dar cumplimiento a las normas permisibles por las autoridades ambientales,
más aun cuando existen procesos productivos en los cuales la naturaleza de su actividad
desencadena un impacto directo al aire. La realización de este proyecto esta
fundamentado en la necesidad de Fundicom S.A. de dar cumplimiento a lo exigido por la
autoridad ambiental (Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca CAR) y disminuir
el impacto de su proceso de fundición, el cual genera emisiones en las cuales el sistema
de captación existente no era suficiente o por el contrario no existía algún control de
dichas emisiones. Se presenta a continuación la alternativa seleccionada para el control
de las emisiones en la empresa contemplando las necesidades actuales y las
capacidades técnicas y económicas para su implementación, con el fin de dar
cumplimiento a las normas exigidas, obtener el permiso de emisiones y realizar un control
permanente de las actividades minimizando la contaminación de su proceso.
30
OBJETIVO GENERAL
Realizar la selección y diseño de un sistema de control para las emisiones de material
particulado originadas en el proceso de fundición de la empresa Fundicom S.A. de.
Mosquera-Cundinamarca.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar los puntos representativos de emisión al aire, presentes en el proceso de
fundición realizado por la empresa Fundicom S.A. de Mosquera- Cundinamarca.
Realizar una descripción de los ductos, chimeneas o fuentes dispersas existentes en
la planta de fundición de la empresa.
Identificar los mecanismos de control requeridos para el tipo de emisiones
atmosféricas que se generan en el proceso.
Diseñar las unidades de control requeridas para la reducción de emisiones
atmosféricas de partículas que sean viables de aplicar.
Realizar una evaluación técnica y económica de los mecanismos escogidos para el
control de las emisiones generadas en el proceso de fundición de la empresa.
31
1. GENERALIDADES
1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA EMPRESA
Fundiciones y Componentes Automotores S.A. creada en el 2000 es una organización
que cuenta con un proceso integrado de fundición y mecanizado, principales actividades
productivas heredadas de Industrias KAPITOL S.A. Dichos procesos se llevan acabo en
sus dos Plantas de Producción: la Planta de Fundición localizada en el municipio de
Mosquera, Cundinamarca y la Planta de Mecanizado localizada en la ciudad de Bogotá.
Ambos procesos están certificados con normas de calidad ISO 9000-QS9000,
destacándose así por ser una empresa con capacidad de producir toda clase de partes en
hierro fundido gris o nodular con requerimientos de alta precisión y bajo normas
Nacionales e Internacionales.
Las actividades realizadas en la Planta de Mecanizado son la fabricación y mecanizado
de discos, campanas, bombas de freno, cilindros de rueda y pistones, así como el
ensamble de servos y conjuntos de freno. Durante éstas no se generan emisiones
directas a la atmósfera y dentro de la legislación no se contempla la exigencia de permiso
de emisiones para este tipo de actividad, por tal motivo el presente estudio se
fundamentó en el proceso realizado en la Planta de Fundición
Los equipos y maquinaria existentes de fusión y moldeo permiten tener flexibilidad para el
manejo de todo tipo de producto, de acuerdo con la necesidad de los clientes.
Al comienzo de la actividad de Fundicom S.A., se empleaba una batería de hornos de
cubilote, que son uno de los tipos de horno más antiguo usado en la industria de la
fundición. Estos hornos requieren coque para fundición, entre el 10% y el 15% de la carga
de metal.
32
Además de la contaminación atmosférica por dióxido de carbono (CO2) , monóxido de
carbono (CO) y dióxidos de Azufre (SOx), la operación del cubilote genera arena
quemada, escorias, material refractario, residuos de limpieza y lodos de cenizas
depositadas en los tanques, que impactan significativamente el ambiente.
Fundicom S.A. disponía de una batería de hornos eléctricos de inducción de 750 Kw con
capacidad de 2 Ton en cada cuba, cuyo consumo de energía era muy elevado con
respecto a los estándares promedio de estos hornos, debido a que eran equipos con
tecnología de más de 20 años y con baja eficiencia de fusión.
Sin embargo, la compañía decidió reemplazar tanto los hornos de cubilote como los
hornos de inducción de 750 Kw, adquiriendo hornos eléctricos de inducción con
capacidad de 1250 Kw y tecnología de punta, disminuyéndose de esta forma un 48%
aproximadamente en el consumo de energía eléctrica, aumentando la velocidad y la
versatilidad en la fusión y minimizando la generación de residuos sólidos por operación
del cubilote y la contaminación por emisiones al aire además de contar con la capacidad
requerida para abastecer las líneas de moldeo.
Para el proceso de moldeo, se cuenta con un sistema de moldeo automático HUNTER y
un sistema de moldeo tipo carrusel con máquinas BMM, que permite moldear piezas en
serie desde 300 gramos hasta 60 kilogramos, igualmente cuentan con una infraestructura
de Moldeo en Piso para fabricar partes hasta de una tonelada; disponen de suficientes
máquinas productoras de noyos de todo tipo.
Para garantizar y certificar la calidad de los productos, cuentan con Laboratorios de
Arenas, de Análisis Químico, de Metrología, Espectrómetro, máquinas para medir
resistencias de microprobeta, Universal y Quick Lab en línea.
33
1.2 PROCESO DE FUNDICIÓN
La Planta de Fundición se encuentra localizada en el Km 18.5 Vía Occidente, Mosquera
Cundinamarca, en la Vereda Siete Trojes, tiene un área aproximada de 16. 593 m2 y una
capacidad de producción de 270 toneladas por semana de Hierro Gris y Nodular
aproximadamente. Para el proceso de fusión cuentan con Hornos eléctricos de inducción
VIP POWER TRAK, de 1250 Kw y 2200 Kw con capacidad de 2 y 8 toneladas
respectivamente.
Esta Planta, Limita con la Empresa de Energía, Ferrocarriles Nacionales, Worthington de
Colombia y con la carretera central que conduce de Mosquera a Madrid. Se encuentra
ubicada en una zona Industrial de acuerdo con el concepto de uso de suelo emitido por la
Alcaldía del Municipio.
Entre sus productos principales se encuentran:
• Partes para frenos: campanas, discos, caliper, cilindros rueda y maestro.
• Partes para Embragues: platos de presión, cilindros embrague.
• Partes para motor: volantes
• Accesorios para tubería
• Cuerpos y tapas para bombas
• Partes para gatos hidráulicos
Los principales clientes pertenecientes al Sector Automotriz, son:
• Planta de Mecanizado
• Herparco, Incolbestos
• Bonem
• Transejes
• Socofam
En la Figura 1 se observa el diagrama de flujo del proceso de fundición de Fundicom S.A.
VACIADO
ZARANDA
SISTEMA 2PIEZAS
FUNDIDAS
GRANALLADORA TOSCA GRANALLADORA DE TUNEL
Piezas Terminadas
ESMERILES
MOLINO
SILOS DE ARENA
SHELL
FUNDICOM S.A.FUNDICOM S.A.PLANTA DE FUNDICIÓN
PIEZAS FUNDIDAS
VACIADO
ZARANDA
SISTEMA 1
HORNO DE INDUCCIÓN
2 TON
HORNO DE INDUCCIÓN
8 TON
TORRE DE ENFRIAMIENTO
180 GAL/MIN
TORRE DE ENFRIAMIENTO
130 GAL/MIN
Figura 1. Diagrama de Flujo Proceso de Fundición Fundicom S.A.
Fuente Los Autores 2004
35
1.2.1 Materias Primas. La principal materia prima del proceso productivo de la empresa
es la chatarra (que puede ser doméstica e industrial), la cual se carga al horno en una
mezcla característica para cada pieza que se funde. La mezcla consiste en la adición
ferro-aleaciones y un inoculante, los cuales dan las características químicas y físicas al
material, además e adiciona un “aglomerante” para remover las impurezas de las coladas
de hierro en los hornos (escorias).
El proceso de fabricación de hierro gris y nodular, está dividido en distintas etapas, las
cuales cumplen una función importante para la elaboración del producto final:
En el Anexo A se pueden observar las fichas técnicas de las materias primas e insumos
utilizados durante el proceso de fundición.
1.2.2 Elaboración de Placa Modelo. El proceso de fundición en Fundicom S.A.
comienza con la elaboración del patrón, un patrón es un modelo (placa modelo) que tiene
las características dimensionales de la pieza a fabricar; generalmente son elaborados en
aluminio, bronce, madera o resinas plásticas.
Imagen 1. Molino de 850 Kilogramos
Fuente Los autores 2004
1.2.3 Preparación de Arena Verde. El proceso
conocido como “Arena Verde” consiste en acondicionar
la arena con las características necesarias para que
tenga un optimo desempeño en el moldeo. La arena
verde es una mezcla de arena silícea; bentonita, que
es una arcilla que funciona como aglomerante; carbón
bituminoso, el cual genera una capa reductora dentro
del molde; agua que es el que activa a la bentonita, y
arena de retorno que proviene del proceso de
desmoldeo. Esta preparación se realiza en un molino
marca SIMPSON de 850 Toneladas.
36
Figura 2. Preparación de Arena Verde
Fuente Los Autores 2004
La composición de las materias primas requeridas en la preparación de la arena de
moldeo se muestra en el Cuadro 1.
Cuadro 1. Composición de Arena de Moldeo
Fuente Fundicom S.A.
Estos aditivos de regeneración necesarios, tienen porcentajes específicos que permiten
que la arena cumpla con las características requeridas de humedad, compactibilidad,
resistencia, permeabilidad, entre otras. El agua se adiciona para activar la bentonita
presente en la arena verde; se preparan en total 90 molinadas diarias aproximadamente.
* Porcentaje calculado con base en la cantidad de arena nueva.
COMPOSICIÓN DE ARENA DE MOLDEO 15 % de Bentonita *4 12.5 % de Carbón Bituminoso * 5 % Arena Sílice Nueva 94 % Arena de Retorno
37
1.2.4 Fabricación de Noyos. Los noyos o machos son piezas que se colocan dentro del
molde para que el hierro fundido al solidificarse a su alrededor, genere la cavidad interna
requerida de acuerdo con el producto a fabricar. Se construyen con una mezcla de arena
silícea y silicato de sodio. Esta mezcla es colocada en una caja de machos o matachera
(calentada previamente a 200º - 230ºC), que tiene la forma del macho a obtener,
posteriormente se hace correr una corriente de gas CO2 para que el macho adquiera la
consistencia necesaria para soportar la presión del metal dentro del molde.
La arena inyectada en la matachera es preparada previamente en molinos pequeños,
adicionando resina fenólica, hexametiltetramina, alcohol y agua. Esta mezcla permite que
al someter la arena a las temperaturas establecidas, esta se compacte formando una
pieza sólida fácil de desmoronar, pero resistente a la temperatura en que se realiza el
vaciado del hierro fundido.
Imagen 2. Preparación de Machos
Fuente Fundicom S.A.
1.2.5 Moldeo. En esta etapa se hace una impresión “en negativo” del modelo con la
arena verde preparada con anterioridad, con el fin de generar la cavidad que
posteriormente será llenada con el metal liquido. Una de las características de los moldes
fabricados es que tienen una línea de partición horizontal, es decir los moldes están
conformados por una base (parte inferior del molde) y una tapa (parte superior del molde)
Disco
Campana Molino Matachera
38
que al momento de juntarse forman una línea horizontal de sellamiento o partición en la
parte media del molde.
La distribución de la arena para cada sistema de moldeo se realiza a través de bandas
transportadoras; en el Sistema 1, se coloca arena alrededor del patrón para hacer el
molde, de tal manera que el patrón pueda ser retirado fácilmente.
En el Sistema 2 la tapa y la base se elaboran por separado en cada una de las prensas,
luego de sellarse, pasan sobre la banda que las va a transportar hasta las líneas de
vaciado.
Imagen 3. Sistemas de Moldeo
Fuente Fundicom S.A.
1.2.6 Desmoldeo. Después de que los moldes han sido vaciados, se deja un tiempo
prudencial de enfriamiento para que las piezas tengan una solidificación adecuada y
coherente con las propiedades mecánicas deseadas. Pasado este tiempo, los moldes se
rompen para extraer las piezas. La arena generada vuelve al proceso de preparación de
arena de moldeo como materia prima.
1.2.7 Fusión y Vaciado. La fusión se realiza cargando los hornos de inducción con
chatarra, arrabio, ferro- aleaciones, grafito y ligas. Primero se adiciona una “muestra” de
hierro hasta alcanzar la temperatura de fusión que es de 1300-1380°C, luego de este
punto se continúa el llenado subiendo la temperatura hasta 1500°C (para hierro gris)
1550°C (hierro nodular). Si el proceso es para hierro nodular, se aplica liga nodulizante y
39
luego se adiciona lentamente el inoculante; sin importar si es gris y nodular;
posteriormente se lleva al sitio de escoriado y se realiza la respectiva operación
agregando el aglutinante de escoria y quitando las impurezas.
Una vez que el metal fundido ha sido tratado para conseguir la propiedades deseadas es
transferido al área de colada en cucharas revestidas con un material refractario, se retira
la escoria de la superficie y se vierte el metal en los moldes previamente elaborados como
se muestra en la imagen 4.
Imagen 4. Fusión y Vaciado del Hierro
Fuente Fundicom S.A.
1.2.8 Terminado. Luego del desmoldeo y el enfriamiento, las piezas son llevadas al
área de terminado: se retiran los canales de alimentación del metal fundido (algunas
piezas pasan por un tratamiento térmico previo), posteriormente las piezas son sometidas
al granallado donde se retira arena adherida por los moldes a la pieza y finalmente pasan
al esmerilado, donde se quitan las rebabas y demás imperfecciones de la pieza. Se
realiza inspección final del material y el cargue respectivo para ser despachado.
Imagen 5. Granallado Imagen 6. Esmerilado
Fuente Los Autores 2004 Fuente Fundicom S.A.
40
1.3 MARCO LEGAL
En 1992 durante la Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente y
Desarrollo de Río de Janeiro, surgió el Convenio sobre Cambio Climático, con el fin de
lograr la estabilización en la atmósfera de los gases efecto invernadero sobre estos
acuerdos Colombia ha fundamentado las normas relacionadas con la protección del
Medio Ambiente
En el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables Ley 2811 de 1974, se
establecen las medidas de prevención de la contaminación atmosférica (Art. 75), y las
normas sobre calidad de aire (Art. 74).
Con el Decreto 02 de 1982 se establecieron los primeros parámetros a cumplir en materia
de emisiones de partículas en suspensión: normas de calidad de aire y los niveles
permisibles de emisión según el tipo de actividad industrial. Se presentan normas de
emisión para industrias que trabajen calderas a base de carbón, fábricas de cemento e
industrias metalúrgicas, plantas de ácido nítrico entre otros.
Para el caso de este estudio, se tendrán en cuenta las normas de calidad y emisión
establecidas en los artículos
El Decreto 948 de 1995 contiene el Reglamento de Protección y Control de la Calidad del
Aire; de alcance general y aplicable en todo el territorio nacional, se establecen las
normas y principios generales para la protección atmosférica, los mecanismos de
prevención, control y atención de episodios por contaminación del aire generada por
fuentes contaminantes fijas y móviles, las directrices y competencias para la fijación de las
normas de calidad del aire o niveles de inmisión, las normas básicas para la fijación de los
estándares de emisión y descarga de contaminantes a la atmósfera, de emisión de ruido y
olores ofensivos, se regula el otorgamiento de permisos de emisión, los instrumentos y
medios de control y vigilancia, el régimen de sanciones por la comisión de infracciones y
la participación ciudadana en el control de la contaminación atmosférica.
41
1.3.1 Norma de Calidad de Aire. La legislación que rige para la zona en la que está
localizada la empresa (Mosquera, Cundinamarca) es la establecida por el Ministerio de
Salud en el Decreto 02 de 1982, en el artículo 32; por lo tanto se deben convertir las
normas de calidad correspondientes a la zona de estudio de acuerdo con las condiciones
locales de temperatura y presión:
Características de la Zona de Estudio
Temperatura 14.3°C
Presión Barométrica Local 556.3 mm Hg
Altitud sobre el nivel del mar 2516 m
Fórmula para el cálculo de la Norma Aplicable a las condiciones de la zona:
NLOCAL= NCR x Pb x 298_ (2) 760 273+°C Concentración Permisible De Partículas Suspendidas Totales35 En el Artículo 32 del
Decreto, encontramos que el valor de la concentración de partículas anual, permisible es
de 100 µg/m3; y el valor correspondiente a la concentración de partículas diaria es de 400
µg/m3
Cx
mmHgmmHgxdiariaNLOCAL °+
=3.14273
298760
3.556100
3/92.75 mgdiariaNLOCAL µ=
3 MIN SALUD. Decreto 02/82 Capítulo II De las Normas de Calidad de Aire y sus Métodos de Medición Artículo 32. Colombia. 44p
42
Cx
mmHgmmHgxanualNLOCAL °+
=3.14273
298760
3.556400
3/69.303 mganualNLOCAL µ=
1.3.2 Norma de Emisión. Para el cálculo de la norma de emisión que debe cumplirse en
el proceso de fundición de la industria en estudio, se tomó como referencia la norma
establecida en el artículo 62 y 63 del Decreto 02/82; allí se encuentran los factores de
emisión para industrias metalúrgicas que operan hornos de inducción.
Dicha norma debe calcularse de acuerdo con la zona en que se encuentra ubicada la
empresa y la producción máxima diaria en toneladas: en este caso la empresa se
encuentra en zona rural de acuerdo con el concepto de uso de suelo emitido por la
Alcaldía de Mosquera – Cundinamarca y la producción es de 42 Toneladas/día, por lo
tanto se seleccionó la siguiente ecuación:
306.002.2 −= PE (3) para 10 < P < 200
Donde:
E = Máxima emisión permisible de partículas expresada en Kilos por tonelada producida.
P = Máxima producción diaria en Toneladas.
306.0)42(02.2 −=E
producidaTonPartículasKgE /6436.0=
Para realizar la corrección por altura y presión, se calculó el factor K con la ecuación () el
cual debe multiplicarse por la emisión calculada previamente:
43
HpbhK 04.0760
+= (4)
Donde: K = factor de modificación por altitud.
Pbh = presión barométrica del lugar en milímetros de mercurio.
H = Altitud sobre el nivel del mar en miles de metros.
Entonces
)516.2(04.0760
3.556+=K
8326.0=K
Por lo tanto, la norma de emisión corregida que debe cumplir Fundicom S.A. es:
E = 0.6436x 0.8326 = 0.536 ≈ 0.54 Kg Part./ Ton
44
2. DIAGNÓSTICO DE LAS EMISIONES GENERADAS EN EL PROCESO
2.1 RECOLECCIÓN PRELIMINAR DE INFORMACIÓN
Para elaborar un diagnóstico acerca de la situación actual de la empresa en materia de
Emisiones, se elaboró una lista de chequeo para la recolección de información (Anexo B
Metodología de Evaluación Lista de Chequeo) en la cual se evaluaron cinco aspectos con
el fin de identificar si la empresa tiene conocimiento sobre el impacto de las emisiones, y
si realiza seguimiento a actividades de mejoramiento ambiental y Cumplimiento Legal.
Los aspectos evaluados fueron:
- Identificación Fuentes de Emisión
- Equipos de Control Existentes
- Mejoramiento Ambiental
- Cumplimiento Legal
- Aspecto Social.
LISTA DE CHEQUEO: EMISIONES ATMOSFÉRICAS FUNDICOM S.A. Cuadro 2. Lista de Chequeo
ASPECTO PUNTAJE OBSERVACIONES
I. Identificación de Fuentes de
Emisión 37 %
La empresa identifica parcialmente los puntos en los que se generan emisiones representativas a la atmósfera. Se han hecho cambios en el proceso desde el último monitoreo de aire, por lo que se desconoce si dichos cambios han incrementado los niveles de emisión. No se tiene establecido un periodo para realizar monitoreos y verificar que se esté cumpliendo con las normas ambientales.
45
II. Equipos de Control 38 %
La empresa cuenta con equipos de control para algunos puntos de emisión, de los cuales uno no se encuentra en funcionamiento, la revisión de los equipos de control se incluye en el Plan de Mantenimiento, en el cual se hace una inspección visual del equipo; cada año se realiza cambio de los filtros. La información existente de los equipos es mínima, no se encontraron parámetros de diseño considerados para su selección. El personal se encuentra capacitado para hacer inspección básica del funcionamiento del equipo.
III. Mejoramiento Ambiental 33 %
La empresa no ha centrado su atención en la evaluación de las emisiones desconociendo el verdadero impacto que están generando en el medio ambiente. No identifican si existe la necesidad de adquirir nuevos equipos de control y por consiguiente no se conocen proveedores ni se han realizado cotizaciones para adquirir nuevos equipos. Existe un capital destinado para el mejoramiento ambiental.
IV. Cumplimiento
Legal 44 %
Se está recolectando información para comenzar el trámite del permiso de emisiones, por el momento no existen requerimientos importantes de la autoridad ambiental en materia de emisiones, se conocen las normas de aire que aplican para la actividad, en el monitoreo realizado no se estaba incumpliendo con la normatividad.
V. Aspecto Social 83 %
La industria se encuentra distante de la zona urbana del municipio, por lo que no existen comunidades sobre las que se pueda tener una influencia directa, no han existido quejas de la comunidad, de acuerdo con el concepto de uso del suelo de la industria, cumple con lo estipulado en el POT.
Fuente Los Autores 2004
Con esta evaluación se obtuvo un panorama global de la situación de la empresa acerca
de su conocimiento e interés por trabajar en el mejoramiento ambiental. Se evidenció la
necesidad de dar cumplimiento a los requisitos legales ya que nunca se han realizado
actividades concretas para esto, lo cual se debe principalmente al desconocimiento del
verdadero impacto ambiental que se genera en el proceso.
46
2.2 DESCRIPCIÓN DE LAS FUENTES DE EMISIÓN
De acuerdo con las características del proceso productivo las fuentes generadoras de
emisión varían según las condiciones de operación, la tecnología de la maquinaria y los
insumos y materias primas utilizados en cada etapa.
En el Anexo C se encuentra el Diagrama de Flujo del Proceso con sus respectivas fuentes
de emisión en cada una de las etapas del proceso de fundición de Fundicom S.A.
2.2.1 Recepción y Descargue de Insumos. En esta etapa se presentan emisiones
difusas de PST (partículas suspendidas totales) durante la descarga a granel de la arena
sílice. Estas emisiones actualmente no cuentan con un sistema de control y no se
requiere del diseño de este dispositivo, pues se pueden mitigar mediante la
implementación de buenas prácticas operacionales.
Existen dos puntos de descargue de arena sílice, el principal es el que se utiliza para los
moldes de arena verde el cual se encuentra expuesto permanentemente a corrientes de
aire por su cercanía a la puerta este de la planta, y el segundo, en menor proporción, está
ubicado en el área donde se prepara la mezcla de los machos.
Imagen 7. Descargue de Insumos
Fuente Los Autores 2004
ARENA SÍLICE A GRANEL
47
2.2.2 Preparación de Arena Verde. Una de las principales fuentes de emisión de
material particulado se presenta en la preparación de la arena para los moldes. La
composición de esta mezcla se observó en el Cuadro 1. El molino funciona durante los
tres turnos y por cada turno se preparan aproximadamente 30 molinadas de 850 Kg cada
una.
Las emisiones de material particulado en el molino se presentan al realizar la molienda y
se incrementan debido a que no existe una coordinación correcta en el encendido del
extractor y la adición de los componentes de la mezcla. Lo que desencadena una succión
directa de los materiales antes de mezclarse.
Para la preparación de la arena se cuenta con dos molinos de diferentes capacidades, el
que se encuentra en funcionamiento permanente tiene una capacidad de 850 Kg; el otro
permanece en stand by y tiene una capacidad de 200 Kg.
Las emisiones de estos molinos son conducidas a través de un sistema de conductos
hacia el filtro de mangas que se encuentra en la parte exterior de la planta; las
características de estos ductos se muestran en el Cuadro 3 y el diagrama de distribución
de cada tramo se observa en el Anexo E
Cuadro 3. Sistema de Conducción de Emisiones en Molinos
TRAMOS RECTOS ACCESORIOS IDENTIFICACIÓN DEL DUCTO No. Longitud (m) No. Tipo
CARACTERÍSTICAS
1 4.21 0 - 2 4.05 1 Codo 90° Molino de 200 Kg 3 5.02 1 Entrada 4 4.21 0 - 5 2.0 1 Codo 90° Molino de 850 Kg 6 3.02 1 Entrada
Salida al Filtro de Mangas 7 0.6 1 Codo 90°
Diámetro: 0.4 m
Material:
Lámina de Acero
Fuente Los Autores 2004
48
2.2.3 Silos de Arena de Retorno. En este punto llega la arena de retorno a través de
una banda transportadora, que la descarga sobre un sistema de tamizado rotativo. Los
silos cuentan con ductos de captación como es muestra en las Imágenes 9, 10 y 11; en el
punto de llegada hay una campana que retiene el material particulado que se desprende
por la descarga de la arena (Imagen 12)
Imagen 8. Silos de Arena de Retorno
Fuente Los Autores 2004 Imagen 9. Captación en Silos Imagen 10. Ductos en Forma de “Y”
Fuente Los Autores 2004 Fuente Los Autores 2004
Imagen 11. Captación en Tamiz Imagen 12. Campana en Caída de Arena
Fuente Los Autores 2004 Fuente Los Autores 2004
49
En la Imagen 13 se puede observar que aunque existen ductos sobre los silos, se
presenta bastante dispersión de material particulado debido a la ausencia de una
campana que cubra la parte superior del tamiz y contribuya a la mayor retención de
material particulado.
Imagen 13. Conexión de Escape Directo
Fuente Los Autores 2004
En este punto existe un gran número de tramos que finalmente se unen al ducto principal
que conduce las emisiones al filtro de mangas (Imagen 14 y 15)
Imagen 14. Ductos de Salida al filtro de Mangas Imagen 15. Ductos Salida
Fuente Los Autores 2004 Fuente Los Autores 2004
50
2.2.4 Hornos de Inducción. En la planta hay cuatro hornos de los cuales dos tienen
capacidad de 2 Toneladas (1250 Kw) y los otros dos una capacidad de 8 Toneladas
(2200 Kw). El horno es una bobina inductora de forma cilíndrica que se reviste
interiormente de material refractario dejando un espacio o crisol donde se funde la carga.
El conjunto de carga, revestimiento y bobina va dispuesto dentro de una estructura de
gran rigidez metálica. El horno en principio se carga con poca cantidad de chatarra hasta
alcanzar una temperatura de fusión (1300-1380°C) luego de esto se continúa el llenado
hasta alcanzar los 1500-1530°C.
La carga de material para fundir depende del tipo de fundición que se vaya a trabajar, por
ejemplo para fundición gris se carga únicamente con Chatarra y Ferroaleaciones. El hierro
nodular es un hierro con características especiales de ductilidad; la operación de
nodulizado se prepara en cucharas de 200 a 500 Kg mediante la adición de una liga a
base de Slilicio y Magnesio que se coloca al fondo de la cuchara bajo una pequeña
cantidad de acero y sobre el que se realiza el vaciado del hierro fundido, así, a medida
que se alcanza determinada temperatura se da la reacción que forma el hierro nodular.
El problema de emisiones en los hornos se presenta en primera instancia porque carecen
de un sistema de captación y las partículas que se generan están susceptibles a
dispersarse por su misma volatilidad y la acción de corrientes de aire en el área; existen
momentos en los que las emisiones aparentemente aumentan en volumen como es en el
momento de cargar el material a fundir y al vaciar el material fundido hacia los calderos.
2.2.5 Fabricación de Noyos. Las mayores emisiones que se presentan en esta
etapa proceden principalmente por la preparación de la arena para los machos y
su mezcla con aditivos (hexametiltetramina) que se realiza en un molino de 50 Kg,
también se generan durante la conformación propia de los machos, operación que
se realiza en equipos que funcionan con gas natural, los cuales por ser pequeños
y tener pocos requerimientos de combustible no generan emisiones
representativas.
51
2.2.6 Desmoldeo. Luego de transcurrido el tiempo de enfriamiento, las piezas se
conducen al punto de desmolde o shake out en el cual se separa las piezas fundidas del
molde de arena. En este momento se desarma el molde, cae la arena que será
recuperada y se presentan emisiones de material particulado.
2.2.7 Terminado. En la fase de terminado se llevan a cabo las operaciones de
granallado y esmerilado de las piezas. En la etapa de granallado lo que se busca es
retirar la arena de los moldes que se adhiere a las piezas en el momento de solidificación
del hierro y que no alcanza a ser retirada en el desmoldeo.
Existen dos sistemas para realizar la operación de Granallado, la Granalladora de Túnel y
Granalladora Tosca; ambos equipos con el mismo principio de funcionamiento.
Granalladora CM –Monorriel Automático- de Túnel: esta operación comienza colocando
las piezas en soportes que cuentan con un sistema eléctrico de riel que las conduce hacia
la estructura donde se lleva a cabo el granallado. En este punto se presenta una descarga
a gran velocidad de pequeñas esferas las cuales chocan con la pieza y se logra el
desprendimiento de la arena.
Estas esferas son impulsadas mediante turbinas a diferentes alturas las cuales logran que
se alcance el impacto necesario para retirar la arena.
Para evitar averías en los cubos de ascensión u obstrucción en el funcionamiento regular
del sistema de alimentación y de las turbinas, se realiza una separación o tamizado de la
granalla, con el fin retirarles el polvo y la arena y lograr que se recirculen dentro del
sistema libres de impurezas.
Durante este proceso de separación, se generan partículas de arena grandes que son
conducidas y depositadas por gravedad en un contenedor y partículas de menor tamaño
(PM10) que son succionadas por un extractor que las envía al sistema de control propio del
equipo para finalmente conducirlas al ducto de salida.
52
La Granalladora Marca Tosca, a diferencia de la de Túnel no cuenta con un ducto para el
desfogue del gas que sale del filtro de mangas, impidiendo de esta forma realizar
mediciones que permitan verificar la eficiencia del filtro.
2.3 IDENTIFICACIÓN DE CONTAMINANTES
Los contaminantes generados en cada una de las etapas del proceso de fundición varían
en composición y cantidad de acuerdo con el tipo de proceso, la frecuencia de
producción, los insumos y materias primas utilizadas, se presentan en el Cuadro 4 los
contaminantes emitidos a nivel general en un proceso de producción de hierro, sus
principales características y efectos en la salud o el ambiente.
Cuadro 4. Contaminantes Generales de un Proceso de Fundición
TIPO DE CONTAMINANTE CARACTERISTICAS EFECTOS
MATERIAL
PARTICULADO
Las partículas o material particulado pueden ser sólidos o líquidos, con diámetros entre 0,002 µ a 100 µ. Incluye Polvo Hollín, humo, metales y partículas suspendidas totales.
El material particulado respirable se ha clasificado de acuerdo a dos tamaños: PM10 y PM2.5.
El factor determinante en el efecto en salud es el tamaño de las partículas, debido al grado de penetración y permanencia que ellas tienen en el sistema respiratorio. Aumento en la frecuencia de cáncer pulmonar, síntomas respiratorios severos, Irritación de ojos y nariz, Agravamiento en casos de asma, Agravamiento en caso de enfermedades cardiovas-culares. Otros: Aceleramiento de la Corrosión de las láminas de acero y zinc.
COMPUESTOS DE AZUFRE
(SOx)
SO2 gas incoloro, no inflamable y no explosivo, se convierte parcialmente a SO3 o a ácido sulfúrico por procesos catalíticos o fotoquímicos en la atmósfera.
El principal efecto es por la formación de lluvia ácida, la cual disminuye el valor de PH en las fuentes de agua, lixivia los nutrientes del suelo, corroe piezas metálicas y deteriora materiales de caucho, pintura, etc.
53
TIPO DE CONTAMINANTE CARACTERISTICAS EFECTOS
COMPUESTOS DE NITRÓGENO
(NOx)
El dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas pardo rojizo, no inflamable, tóxico. El óxido nítrico (NO) es un gas incoloro. Estos dos gases se representan conjuntamente como NOX.
Los niveles bajos de óxidos de nitrógeno en el aire pueden irritar los ojos, la nariz, la garganta, los pulmones, y causar tos y una sensación de falta de aliento, cansancio y náusea. Respirar altos niveles de óxidos de nitrógeno puede rápidamente producir quemaduras, espasmos y dilatación de los tejidos en la garganta y las vías respiratorias superiores
ÓXIDOS DE CARBONO
El CO y el CO2 son gases incoloros, inodoros, El CO2 se encuentra presente en la atmósfera de forma natural. No es tóxico. Dada su presencia natural en la atmósfera y su falta de toxicidad, no debería considerarse una sustancia que contamina, pero se dan dos circunstancias que lo hacen un contaminante de gran importancia en la actualidad.
CO Es tóxico; envenena la sangre impidiendo el transporte de oxígeno. Se combina fuertemente con la hemoglobina de la sangre y reduce drásticamente la capacidad de la sangre de transportar oxígeno. Es responsable de la muerte de muchas personas en minas de carbón, incendios y lugares cerrados (garajes, habitaciones con braseros, etc.) CO2 uno de los responsables del efecto invernadero. Es uno de los gases que más influye en el importante problema ambiental del calentamiento global del planeta y el consiguiente cambio climático.
COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES
COV’s
Son compuestos líquidos o sólidos que contienen carbono orgánico (carbono enlazado con hidrógeno, nitrógeno o azufre), los cuales se vaporizan a razones significativas. Constituyen la segunda clase mas extendida y diversa de emisiones, después de las partículas.
Los riesgos para la salud asociados a la emisión de COV's se derivan de sus propiedades volátiles, liposolubles, tóxicos e inflamables. Los riesgos mayores para el ser humano se producen por la absorción de estos a través de la piel y por inhalación.
54
TIPO DE CONTAMINANTE CARACTERISTICAS EFECTOS
HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS
HAP’s
Los HAPs son un grupo de compuestos presentes en el petróleo y se consideran los más tóxicos de los hidrocarburos junto con los monoaromáticos.
Una vez que los HAPs son liberados al ambiente acuático, la degradación a través de microorganismos es a menudo lenta, lo que conduce a su acumulación en los sedimentos, suelos, plantas acuáticas y terrestres, peces e invertebrados expuestos. A través de la inhalación o el contacto dérmico por periodos prolongados, pueden desarrolar cáncer
Fuente DE NEVERS, NOEL. Ingeniería y control de la Contaminación del Aire
2.3.1 Proceso de Fusión y Tratamiento del Metal Fundido. Debido a que en el proceso,
la fusión se realiza en hornos de Inducción Eléctrica, la variedad de contaminantes es
mucho menor los emitidos, por ejemplo, en hornos de Carbón Coque. Por lo tanto, las
emisiones generadas son de PST y en menor proporción partículas que contienen óxidos
minerales y metálicos, compuestos orgánicos gaseosos y elementos traza (Ni, Cr6+, Pb,
Cd, As) 16
2.3.2 Producción de Moldes y Machos. Las mayores emisiones en las operaciones de
producción de moldes y machos son de PST, que proceden de la regeneración y
preparación de arena.
Las emisiones de compuestos orgánicos gaseosos y demás contaminantes gaseosos
(CO, CO2, HCN, H2S, NH3, Benceno, SOx, NOx) proceden del uso de los aglomerantes
orgánicos y catalizadores, y de proceso de calentamiento durante la fase de producción
de los moldes y los machos o durante la extracción de los machos de sus cajas
(desmoldeo).
1 LABEIN, Fundación. Guía Técnica para la Medición, Estimación y Cálculo de las emisiones al Aire, Sector Fundición Férrea. España : IHOBE Sociedad Pública de Gestión Ambiental Gobierno Vasco, 2003. 88 p
55
Cuadro 5. Emisiones Generadas en Arenería
Moldeo de Arena en Verde PST (Partículas Suspendidas Totales)
ARENERÍA Moldeo de Arena y
Machería
PST, Compuestos orgánicos: HAP (Hidrocarburos aromáticos policíclicos), COV’s, Benceno; Compuestos Inorgánicos: SOx, Amoníaco (NH3), HCN, Olores (H2S)
Fuente Los Autores 2004
2.3.3 Colada en Moldes, Enfriamiento y Desmolde. Productos de combustión (CO, CO2,
SOx, NOx); Emisiones gaseosas (Benceno, COV’s, HAP) de volatilización y degradación
térmica, compuestos químicos de aglomerantes, vaporización de modelos, PST del
desmoldeo)
Finalmente, se estimaron como puntos representativos aquellos en los cuales por las
condiciones del proceso y las características de los equipos, requieren de un rediseño o
diseño de dispositivos de captura y control de las emisiones de acuerdo con la situación
actual de la empresa: Se presentan en el Anexo C todos los puntos donde se genera emisión de material
particulado, de acuerdo con la actividad que se realiza y el funcionamiento propio de los
equipos de la empresa.
2.4 DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL EXISTENTES
Algunas etapas del proceso cuentan con un sistema de captación y control de las
emisiones, los cuales se describen a continuación con sus características principales, su
distribución y condiciones actuales de funcionamiento.
56
2.4.1 Silos de Arena y Molinos. Para este punto el sistema de captación es por una
campana sobre los silos de arena y conexiones de escape directas (tuberías) que
conducen las emisiones hasta el filtro de mangas, el cual esta precedido por un ventilador.
Figura 3. Captación y Transporte de Emisiones Silos de Arena
Fuente Los Autores 2004
Este filtro cuenta con un sistema de limpieza continuo, es decir se realiza sin que cese el
paso de aire; el material retenido llega a una tolva de recolección que conduce el material
a través de un ducto hacia un sistema de almacenamiento (Ver Anexo D). Sus
características principales se muestran en el Cuadro 6.
Cuadro 6. Características Filtro Silos de Arena
MODELO IFM-36V-1500 SERIE 36 V MANGAS TIPO PLANA 500x1500 ÀREA DE FILTRACIÒN 44 m2 CAPACIDAD CFM 5000
Fuente Fundicom S.A.
Imagen 16. Conducción y Salida de Gases
Fuente Los Autores 2004
57
2.4.2 Desmoldeo. El Sistema 1 cuenta con un ducto conectado sobre el túnel de salida
de las piezas ya formadas, como se muestra en la imagen 17. Este ducto tiene una
conexión hacia una caja de acero (sin una función específica), por lo tanto no se genera
algún tratamiento de los gases emitidos.
Imagen 17. Conducto en Desmoldeo Sistema 1
Fuente Los Autores 2004
2.4.3 Granalladoras. Las Granalladoras que generan emisiones atmosféricas de material
particulado, cuentan cada una con un filtro de mangas que retiene el material particulado
resultante de la remoción de arena de las piezas, estos pueden observarse en la Imagen
18 y 19
Imagen 18. Filtro Granalladora Tosca Imagen 19. Filtro Granalladora de Túnel
Fuente Los Autores 2004 Fuente Los Autores 2004
58
El sistema de extracción cumple la función de separar el material que viene adherido a la
granalla (recircula en el proceso), en este momento entra una corriente de aire que
impulsa las partículas mas pesadas que caen por gravedad hacia un ducto donde son
recolectadas, y las partículas mas livianas (PM10) pasan por el conducto hacia los filtros
de mangas. Figura 4 Filtros Granalladoras
Fuente Manual Operación Granalladoras
Las granalladoras tienen una tolva para la recolección de las partículas grandes retenidas
mecánicamente; el sistema de extracción de la Granalladora de Túnel se encuentra a la
salida del filtro de mangas como se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Sistema de Control en Granalladoras
Fuente Los Autores 2004
GRANALLA (RECIRCULA)
AL FILTRO DE MANGAS Entrada de Aire
59
Las demás fuentes de emisión descritas no cuentan con un sistema de control, por lo
tanto, de acuerdo con el diagnóstico realizado, algunas requerirán del diseño de un
sistema de captura, conducción y tratamiento de las emisiones, principalmente las que
generan un impacto considerable al ambiente y generan un incumplimiento de la
normatividad por las características del proceso y la emisión. De acuerdo con el
diagnóstico realizado en el Cuadro 7 se muestra el estado actual de los puntos de
emisión.
Cuadro 7. Estado Actual de los puntos de Emisión
FUENTE Existe S. de
Captación
Diseñar S. de
Captación
Existe S. de
Control
Diseñar S. de
Control
Recepción y descargue de insumos NO NO NO NO
Preparación de arena verde SI NO SI NO
Silos de arena de retorno SI SI SI NO
Hornos de inducción NO SI NO SI Desmoldeo Sistema 1 SI SI NO SI Desmoldeo Sistema 2 NO NO NO NO Fabricación de Noyos NO NO NO NO Terminado (Granalladoras) SI NO SI NO
Fuente Los Autores 2004
60
3. DETERMINACIÓN DE LAS EMISIONES DEL PROCESO
Las emisiones generadas en el proceso de fundición, se estimarán a través de factores de
emisión en los puntos con emisiones representativas de acuerdo con las características
propias del proceso y con la situación propia de la empresa.
Se realizó el balance de masas correspondiente con el fin de determinar el porcentaje de
emisiones generado en los hornos de inducción, una de las fuentes mas importantes que
requiere de la captura y el tratamiento de las emisiones que se generan.
3.1 FACTORES DE EMISIÓN
El cálculo de las emisiones para el diseño de los sistemas de control se realizará con el
método de Factores de Emisión de la EPA (Environmental Protection Agency) de los
Estados Unidos.
Un factor de emisión es una relación entre la cantidad de contaminantes emitidos a la
atmósfera con el nivel de actividad asociado con dicha emisión. El nivel de actividad
puede ser, por ejemplo, una tasa de producción o la cantidad de combustible consumido.
Si se conoce el factor de emisión y el nivel de actividad correspondiente, es posible hacer
una estimación de las emisiones. El uso de factores de emisión es directo cuando la
relación entre la información del proceso y las emisiones es directa y relativamente
simple. Debe mencionarse que el uso de factores de emisión específicos para un
establecimiento es preferible al uso de los factores promedio para todo un sector
industrial. 27
2 MANUALES DEL PROGRAMA DE INVENTARIOS DE EMISIONES DE MÉXICO. Desarrollo Del Inventario De Fuentes Puntuales Volumen IV
61
Una de las principales referencias sobre los factores de emisión para contaminantes
criterio es AP-42, que también contiene factores de emisión para un número limitado de
contaminantes tóxicos orgánicos e inorgánicos (U.S. EPA, 1995a). Una base de datos
electrónica de los factores de emisión puede encontrarse en el Sistema de Recuperación
de Información sobre Factores (Factor Information Retrieval System - FIRE), que contiene
los mismos factores de emisión para contaminantes criterio que el AP-42 (U.S. EPA,
1995b), así como algunos factores de emisión para contaminantes tóxicos para diversos
tipos de fuentes.
Para efectuar el cálculo de emisiones utilizando factores, el algoritmo de estimación se
requiere de varios componentes:
• Información de actividad para el proceso, tal y como se especifique en el factor de
emisión pertinente
• Factores de emisión para traducir la información de actividad en estimados de
emisiones controladas o no controladas
• Valor de la eficiencia de los equipos de captura y control cuando se aplica un factor de
emisiones no controladas (los factores de emisiones “controladas” lo incluyen por
definición).
El algoritmo básico para la estimación de emisiones aplicando un factor de emisiones no
controladas cuando un equipo de control está instalado es:
)100/1( ERAxEFxE −= (1)
Donde,
E = Estimado de emisión para la fuente
A = Nivel de actividad (por ejemplo, material producido)
EF = Factor de Emisiones no controladas
ER = Eficiencia general en la reducción de emisiones totales, expresada en %; que es
igual a la eficiencia del equipo de captura multiplicada por la eficiencia del equipo
de control. Si no hay un equipo de control, ER = 0
62
Se utilizarán los factores de emisión existentes de acuerdo con los contaminantes
generados dentro del proceso, para su obtención se consultaron los factores de la EPA
(Environmental Protection Agency) del IHOBE (Sociedad Pública de Gestión Ambiental
del Gobierno Vasco); en el Cuadro 8 se encuentran los factores de emisión propios del
proceso de fundición, la (X) significa la fuente de la cual se obtuvo el factor, lo cual
demuestra que en algunos casos el factor fue común para ambas fuentes de información,
como se muestra a continuación:
Cuadro 8. Factores de Emisión para PST y PM10
ETAPA DEL PROCESO PST*8 PM10* EPA IHOBESin control 0.5 X X Fusión – Horno de
Inducción Filtro de Mangas 0.1 X X 0.3 0.1 X Manipulación de la carga y chatarra/
calentamiento (Sin Control) 0.18 X Sin Control 1.8 X X Manipulación de Arena **Filtro de Mangas 0.1 X X
2.1 X Colada y enfriamiento Sin Control 1.03 X
1.6 X Desmoldeo Sin control 1.12 X
<8.5 X X Operaciones de Acabado (granallado, esmerilado)
Sin Control 0.69 X X
Fuente Fundicom S.A.
1.3.3 Cálculo de Emisión por Factores. Preparación de Arena: en la empresa no se
lleva un registro diario de las cantidades que consumen para la preparación de arena en
el molino, por lo consiguiente, este dato se calculó considerando el número de moldes
diarios que se preparan así:
Sistema 1 (Hunter)
Peso aproximado del molde (Kg) 60 No. de moldes por turno 450 Turnos de Trabajo 3 Toneladas de arena diarias 81
* Kg Contaminante / Ton Hierro Fundido ** Kg/ Ton de Arena Manipulada
63
Sistema 2 (Foronda) Peso aproximado del molde (Kg) 300 No. de moldes por turno 90 Turnos de Trabajo 2 Toneladas de arena diarias 54
Moldeo de Piso
Producción Total de Arena Toneladas de arena diarias 140 Toneladas de arena anual 48300
Emisión de Partículas Suspendidas Totales (PST)
Con filtro de Mangas (actualmente)
E = )100/1( ERAxEFx −
E = tonarena
Kg1.0 x )
100%961(48300 −x
añotonarena
E = 193.2 Kg PST /año
Manipulación-Cargue De Chatarra Emisión De Material Partículas Suspendidas Totales (PST)
Sin sistema de control (ER = 1)
EPST = )100/1( ERAxEFx −
E PST = tonFef
Kg3.0 x )100
%11(14400 −xaño
tonFef
E PST = 4276.8 Kg PST /año
Toneladas de arena diarias 5
E = 0.56 Kg PST/día
E = 12.4 Kg PST/ día
64
Emisión de Material Particulado PM 10
Sin sistema de control (ER = 1)
EPM10 = )100/1( ERAxEFx −
E PM10 = tonFef
Kg18.0 x )100
%11(14400 −xaño
tonFef
E PM10 = Kg PM10 /año
Fusión
Hornos de 2 Toneladas 6600 Ton / año Hornos de 8 Toneladas 7800 Ton /año Producción Total Anual 14400 Toneladas
Emisión de Partículas Suspendidas Totales (PST)
Sin sistema de control (ER = 1)
E = )100/1( ERAxEFx −
E = tonFef
Kg5.0 x )100
%11(14400 −xaño
tonFef
(tonFef= Toneladas de Hierro Fundido ) E = 7128 Kg PST /año
Colada Emisión de Partículas Suspendidas Totales (PST)
Sin sistema de control (ER = 1)
EPST = )100/1( ERAxEFx −
E PST = tonFef
Kg1.2 x )100
%11(14400 −xaño
tonFef
E = 7.51 Kg PM10/día
E = 20.66 Kg PST/día
65
E PST = 30241 Kg PST /año
Emisión De Material Particulado PM 10
Sin sistema de control (ER = 1)
EPM10 = )100/1( ERAxEFx −
E PM10 = tonFef
Kg03.1 x )100
%11(14400 −xaño
tonFef
E PM10 = 14684 Kg PM10 /año
Desmoldeo Emisión De Partículas Suspendidas Totales (PST)
Sin sistema de control (ER = 1)
EPST = )100/1( ERAxEFx −
E PST = tonFef
Kg6.1 x )100
%11(14400 −xaño
tonFef
E PST = 23272 Kg PST /año
Emisión De Material Particulado PM 10
Sin sistema de control (ER = 1)
EPM10 = )100/1( ERAxEFx −
E PM10 = tonFef
Kg12.1 x )100
%11(14400 −xaño
tonFef
E PM10 = 15966.72 Kg PM10 /año
E = 87.65 Kg PST/día
E = 42.56 Kg PM10/día
E = 67.45 Kg PST/día
E = 46.28 Kg PM10/día
66
Limpieza y Terminado Emisión De Partículas Suspendidas Totales (PST)
Sin sistema de control (ER = 1)
EPST = )100/1( ERAxEFx −
E PST = tonFef
Kg5.8 x )100
%11(14400 −xaño
tonFef
E PST = 121176 Kg PST /año
En la Tabla 1 se presenta el resumen de los factores de emisión obtenidos en cada etapa
del proceso de fundición.
Tabla 1. Emisión de Partículas en el Proceso de Fundición
EMISIÓN ETAPA Kg PST/día Kg PM10/día
Preparación de Arena 0.56 - Manipulación – Cargue de Chatarra 12.40 7.51 Fusión 20.66 - Colada 87.65 42.56 Desmoldeo 67.45 46.28 Limpieza y Terminado 351.23 -
Fuente Los Autores 2004
1.4 BALANCE DE MASAS
Como medida alterna para determinar las emisiones del proceso de fundición, se utilizó el
método de balance de masas, en este caso puede aplicarse únicamente para los hornos
de fusión ya que no se cuenta con información de entradas y salidas de las otras fuentes
de emisión.
E = 351.23 Kg PST/día
67
La información requerida para el balance de masas se obtuvo de los registros diarios de
producción (Hoja de Proceso de fusión y Reporte Diario de Producción) en los cuales se
especifica la cantidad y características del material que se carga en los hornos para la
producción del hierro con las especificaciones de la pieza a producir. Dicha Información
obtuvo de los siguientes formatos:
Hoja de Proceso De Fusión
En este formato se encuentran los parámetros a seguir para realizar el cargue del horno,
los más relevantes son:
- La proporción en porcentajes de cada uno de los materiales a cargar
- La composición Química permisible de cada material: Se controla realizando el
análisis a la entrada de la chatarra y todos los materiales que posteriormente se van a
fundir., los mas relevantes son
- Cantidad de Inoculante requerida en cada cargue del horno y a cada caldero.
Reporte Diario de Producción
En este reporte se encuentran las cantidades diarias de todos los materiales que se
cargaron en el horno, igualmente se genera un consolidado mensual de estos valores.
Como ya se conoce en la empresa hay dos hornos de dos toneladas y dos de ocho
Toneladas. Aparte de la capacidad, estos se diferencian en el tiempo que cada uno tarda
en fundir el hierro. Mientras del Horno de 2 Toneladas se obtienen 3.5 coladas diarias
aproximadamente, del horno de 8 Ton se obtiene una colada, sin embargo de este último
se obtiene hierro constantemente ya que se carga con 2 Ton de material diluyendo el
hierro fundido con el que se va a fundir; por esto el balance se realizó para un cargue de 2
Ton y se tomó como eferencia para los hornos de 8 Toneladas
68
Tabla 2. Cantidad y Composición de las Entradas del Proceso
ENTRADAS CANTIDAD (Kg) COMPOSICIÓN CANTIDAD (Kg)40 % Retorno 795.2 45 % Cold Roll 894.6 10 % Briqueta 198.8 CHATARRA 1988
5 % Hojalata 99.4 67 % Si 1.675 1.5% Ca 0.038 4 % Ba 0.1 8 % Mn 0.2 8 % Zr 0.2 3 % Al 0.075
INOCULANTE 2.5
8.5% ND 0.212 76.32 %Mn 3.816 1.03 %Si 0.051 0.28 %P 0.014 6.84 %C 0.342 0.02 %S 0.001
FERRO-ALEACIONES 5 Kg
15.51 Otros 0.776 Fuente Los Autores 2004
Para determinar la cantidad de escoria se realizó el pesaje durante una semana,
determinando así el porcentaje de escoria generado en el horno y el que se forma al
momento de vaciar el hierro en los calderos.
Tabla 3. Cantidad y Composición de las Salidas del Proceso
SALIDAS CANTIDAD (Kg) COMPOSICIÓN Piezas Fundidas 1942.2 234 Piezas
75.06 % Esc.Horno Escoria 37.3 24.93 % Esc. Cald
Pérdidas en Vaciado 14.4 Kg Hierro Fundido
Fuente Los Autores 2004
De esta forma se establece la diferencia en masas por 2 Toneladas de hierro fundido:
Entradas = Kg Retorno + Kg Cold Roll + Kg Briqueta + Kg Hojalata +
Kg Ferroaleaciones + Kg Inoculante
69
Entradas = (795.2 + 894.6 + 198.8 + 99.4 + 2.5 + 5) Kg
Entradas = 1995.5 Kg
Salidas = Kg Piezas fundidas + Kg Escoria + Kg Pérdidas Hierro
Salidas = (1942.2 + 37.3 +14.4) Kg
Salidas = 1993.9 Kg
Las emisiones del proceso resultarán de la diferencia entre las entradas y salidas
calculadas. En este caso se estimarán como PST (Partículas Suspendidas Totales)
Emisiones = (1995.5 – 1993.9) Kg
Emisiones = 1.6 Kg
Este resultado está dado en Kg por cada 2 Toneladas de Hierro Fundido, por lo tanto, la
cantidad de partículas por tonelada es de 0.8 Kg.
En resumen, la composición de entradas y salidas para la producción de
1Tonelada hierro es:
Tabla 4. Resultados de Entradas y Salidas Fusión de Hierro
ENTRADAS** Kg %*9 SALIDAS**10 Kg % Chatarra 994 99.62 Piezas Fundidas 971.1 97.33
Inoculante 1.25 0.13 Escoria 18.65 1.87 Emisiones 0.8 0.08 FeMn 2.5 0.25
Pérdidas Fe 7.2 0.72 TOTAL 997.75 100% TOTAL 996.95 100%
Fuente Los Autores 2004 * Porcentaje en peso para 1000 Kg de Hierro Fundido. * Datos Calculados para una Tonelada de Hierro Fundido
70
1.5 ESTUDIO DE CALIDAD DE AIRE
Para determinar el efecto de las emisiones que se generan en el proceso de fundición, se
indagó con respecto a los estudios previos que se habían realizado en la empresa. Existe
un único reporte de Noviembre del año 2002 en el cual se realizó muestreo isocinético en
una sola fuente de emisión y un estudio de calidad de aire durante 7 días en tres puntos.
Este estudio fue utilizado para comparar aquellos lugares en los que la concentración de
partículas aumenta de acuerdo con los resultados obtenidos con los factores de emisión.
Puntos de Muestreo: El estudio se efectuó en los siguientes puntos de muestreo
Estación No. 1 Portería Estación No. 2 Patio Trasero Estación No. 3 Terminado
Resultados Obtenidos Los niveles de concentración de partículas en suspensión totales,
encontrados en las evaluaciones realizadas en los tres sitios considerados, presentan
promedios geométricos de 95.18 µg/m3 en la estación No. 1, 81.12 µg/m3 estación No. 2 y
91.72 µg/m3 en la estación No. 3.
Las máximas concentraciones encontradas durante el periodo de monitoreo y que pueden
ser comparadas con la norma diaria, fueron de 125.35 µg/m3en la estación No. 1, 96.36
µg/m3 estación No. 2 y 108.12 µg/m3 en la estación No. 3.
Comparando estos resultados con la norma de calidad de aire aplicada para
Fundicom, se encuentra que las estaciones monitoreadas arrojaron valores
aproximados a la situación actual de la empresa de acuerdo con los valores
obtenidos mediante el cálculo de factores de emisión.
71
4. ALTERNATIVAS DE CONTROL DE EMISIONES EN EL PROCESO
La evaluación y selección de las alternativas de control de emisiones se hizo de acuerdo
con el diagnóstico realizado en la empresa; se evidenció que existen fuentes críticas, en
las cuales, por ausencia de un dispositivo de captura se están generando emisiones
directas al ambiente sin algún tratamiento previo que están ocasionando un nivel alto de
polución e incumplimiento de la normatividad.
Las fuentes críticas que requieren del control de las emisiones son los hornos de fusión y
el desmoldeo en el Sistema 1(Hunter), ambos procesos de producción continua.
Las emisiones capturadas en los hornos y en el desmoldeo del Sistema 1 se conducirán
hacia un tratamiento preliminar que permita reducir la concentración de las partículas
grandes y posteriormente pasará al sistema escogido para remover partículas pequeñas
mejorando así la calidad del aire que se va a emitir.
En la Figura 6 se representa el sistema de captación y control seleccionado para las
emisiones del proceso de fundición.
Figura 6. Sistema de Captación y Control Seleccionado
Fuente Los Autores 2004
72
4.1 SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE EMISIONES
Los sistemas de captación tienen cuatro componentes principales:
• Un dispositivo de captación
• Conductos para transportar la emisión capturada
• Un colector para separar el polvo del aire (opcional)
• Un ventilador y un motor para proporcionar la depresión suficiente.411
Es importante diseñar teniendo en cuenta cada componente de todo el sistema de
captación ya que si uno de ellos funciona mal, el rendimiento de todo el sistema
disminuye, para evitar esto deben considerarse los siguientes principios:
- Instalación del dispositivo de aspiración lo mas cerca posible de la fuente emisora,
- Procurar que el sistema de captación envuelva completamente la fuente
generadora de polvo y siempre que se pueda, unir este recinto al dispositivo de
aspiración.
De acuerdo con la situación presentada en la empresa, en algunas de las fuentes en las
que existe captación de emisiones, se requiere de un rediseño ya que no se está logrando
un óptimo rendimiento del sistema de captura y se está generando polución en el
ambiente.
Hay dos categorías generales de dispositivos de captación5: 12
1. Conexiones de Escape Directo CED (Direct Exhaust Connections) y
2. Campanas
4 MUÑOZ, Miguel Aparicio. Guía para la Prevención y Control de Polvo en Canteras y Graveras. Madrid : Entorno Gráfico, 1999. 148p 5 EPA, Sección 2 “Equipo Genérico y Dispositivos. Capítulo 1 Campanas, Ductos y Chimeneas. Pag 1-4
73
Como el nombre lo implica, una CED es una sección de conducto, dentro del cual fluyen
directamente las emisiones. Estas conexiones son utilizadas con frecuencia cuando la
fuente de emisión es en sí misma un conducto o un desfogue.
Las campanas comprenden una categoría mucho más amplia que las CEDs. Son
utilizadas para capturar particulados (se refiere a partículas diminutas separadas), gases
y/o rocíos emitidos desde una variedad de fuentes, tales como los hornos básicos de
oxígeno para fabricación de acero, operaciones de soldadura y tanques de
electrodeposición. Los procesos encampanados son generalmente categorizados ya sea
como “calientes” o “fríos”, una delineación que, a su vez, influye la selección, colocación y
diseño de la campana. Las condiciones de la fuente también influyen en los materiales
con que se fabrica la campana.
Tipos de Campanas. En la Figura 7 se presentan los tipos de campanas existentes:
Figura 7. Sistemas de Captación de Emisiones
Fuente EPA CICA -Centro de Información sobre Calidad del Aire-
CAPTACIÓN DE EMISIONES
Conexión de Escape Directo (CED)
CAMPANAS
Campanas de Captura (Activas o externas)
Campanas Receptoras
Cabinas Envoltura
Totalmente cerradas al ambiente exterior
(Pasivas o de toldo). Una campana
receptora se localiza típicamente arriba o al
lado de una fuente, para recolectar las
emisiones, a las cuales se les da impulso por la
fuente
Con aberturas para entrada y
salida del material
Rodean a la fuente de emisión, excepto
una pared (o porción de ésta), que se omite para
permitir el acceso a operadores y a
equipo.
high-velocity, low-volume (HVLV) hoods
downdraft (de tiro hacia abajo
Sidedraft/backdraft (de tiro lateral/tiro posterior)
slot (de ranura)
74
4.2 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MECANISMOS DE CAPTACIÓN
De acuerdo con las condiciones del proceso, en las emisiones generadas en los hornos,
el Sistema 1 requirió del diseño del sistema de captación, transporte y control de las
emisiones, debido a su significancia ambiental, por las características de los
contaminantes emitidos y las condiciones operacionales del proceso; según se observó
en la Tabla 4 los resultados obtenidos en el cálculo de factores de emisión, indican que la
mayor cantidad de partículas se generan en las etapas de fusión y colada, desmoldeo y
terminado.
Actualmente en el lugar donde se genera la emisión por la fusión y colada del hierro no
existe un sistema de captación y por lo consiguiente de control por lo cual es
indispensable diseñarlos.
El desmoldeo se presenta en los Sistemas 1 y 2; en el Sistema 2 las emisiones son
menores ya que la zaranda tiene una parte cubierta que permite que el área de emisión
sea pequeña y poco significativa, en cambio, en el Sistema 1 actualmente el ducto que
existe no cubre el área de desmoldeo generando alta polución en el ambiente y alterando
la calidad del aire, tal como se muestra en la Imagen 20:
Imagen 20. Desmoldeo Sistema 1
Fuente Los Autores 2004
75
El área de terminado es una de las que genera mayor cantidad de partículas 351.23
Kg/día, sin embargo las granalladoras cuentan con su respectivo filtro de mangas por lo
que no requiere de su diseño, sin embargo debe realizarse el mantenimiento periódico y
la revisión en su funcionamiento para evitar el aumento en los niveles de emisión. A
continuación se identifican cada uno de las fuentes de emisión seleccionadas de acuerdo
con sus características; también se encuentran las recomendaciones a seguir en caso de
no requerirse sistema de control:
Recepción y Descargue de Insumos. En este punto la emisión se genera por dispersión
de partículas de arena tal como se explicó en el numeral 4.1 y no requiere de un sistema
captación y de control ya que es material útil para el proceso. Para minimizar las
emisiones generadas por las corrientes de aire se recomienda:
- Controlar que los vehículos de transporte de arena tengan cubierta la carga y se
mantenga durante la descarga del material.
- Construir un almacenamiento para confinar lo mejor posible el material que se va a
mezclar.
- Cubrir la arena en el lugar de almacenamiento con un material plástico para evitar
su dispersión por las corrientes de viento.
Figura 8. Confinamiento de Arena Sílice
Fuente Los Autores 2004
76
Molinos de Preparación de Arena Verde. Los molinos de arena cuentan con un
desfogue directo de las partículas que se liberan durante la mezcla. El conducto se
encuentra conectado directamente al molino, por lo tanto se garantiza la captura de las
partículas evitando su dispersión directa al ambiente. La conducción se realiza hasta el
filtro de mangas, el cual, según lo evaluado, es un mecanismo funcional para retener el
material particulado, sin embargo su buen rendimiento está sujeto a la revisión periódica
del funcionamiento de las válvulas y el control del tiempo en los disparos para evitar
colmatación de los filtros.
Silos de Arena de Retorno. Como se explicó en el numeral 4.3 la captación actual en
este punto no es suficiente para la cantidad y difusión de partículas que se genera. Entre
las opciones consideradas de acuerdo con las características de la fuente se encontraban
las campanas de envoltura parcial y campanas receptoras; se seleccionó diseñar una
campana receptora de acuerdo con los siguientes criterios:
Criterios de Selección del Dispositivo de Captura para los Silos de Arena
Se busca que el sistema de captura seleccionado cumpla con los siguientes criterios:
• No obstaculice las actividades de mantenimiento de las bandas de llegada de arena y
el tamiz rotativo, así como el retiro de arena retenida en el tamiz.
• Pueda aprovecharse la conexión de escape directo existente para conducir las
emisiones capturadas en la campana.
• Sirva para optimizar la captura de partículas generadas durante el tamizado de la
arena.
• Permita capturar las partículas que se dispersan y no sirven para ser integradas
nuevamente al proceso.
• No obstaculice la adición de nuevos aditamentos a los silos.
• Evite capturar parte del material que es útil para la preparación de la arena (1.5 - 3 x
10 –3 m)
• Logre capturar las partículas menores a 1.06 x 10 –3 m; las partículas mayores a 3 x
10 –3 m serán retenidas por el tamiz.
77
• Pueda ubicarse lo más lejos de la fuente sobre el punto donde se genera la inducción
de aire.
• Conduzca el material retenido hacia el filtro de mangas existentes para el molino de
arena.
Parámetros de Diseño del Sistema de Captura en los Silos de Arena
Para el diseño de una campana receptora debe calcularse el caudal de aire aspirado,
teniendo en cuenta el perímetro de la fuente, la distancia de la fuente a la campana y
velocidad de captura estimada como se muestra a continuación:
Caudal de Aire Aspirado: Este se determina según el tipo de campana que se va a utilizar,
para campanas receptoras el caudal de aire aspirado es:
Q = 1,4. P.X.Uc ∗ (5)
Donde:
P = Perímetro de la fuente: La forma de la campana depende de las características de
la fuente, en este caso se busca reducir la emisión de las partículas pequeñas generadas
en la caída de arena al tamiz rotativo. Sus dimensiones son: 2.3 m Largo x 1m ancho
X = Distancia de la campana a la fuente: Para no obstaculizar actividades de
mantenimiento y buscando aproximarse lo mayor posible a la fuente, se seleccionó una
distancia de 0.8 m
Uc = La velocidad de captura se seleccionó de acuerdo con los criterios encontrados en
rango está entre 1 – 2.5 m/s (Ver Anexo F, Velocidades de Captura según características
de la Emisión). Se tuvo en cuenta las condiciones de la fuente, la baja toxicidad de la
arena y la ausencia de corrientes de aire para seleccionar el valor mínimo que es de 1
m/s.
∗ Ecuaciones de Diseño para Tipos de Campanas Seleccionadas
78
Pérdidas: Para campana con ángulo de 45º y de forma rectangular, las pérdidas de
acuerdo con el coeficiente de estrada son de 0.93 PV.
En el Cuadro 9 se muestran los valores tenidos en cuenta para el diseño de la campana
receptora que se ubicará sobre el tamiz de los silos de arena.
Cuadro 9. Sistema de Captación Silos de Arena
Caudal de Aire Aspirado para Campanas Receptoras Q 1,4 P.X.Uc Perímetro de la fuente P 6.6 m
Velocidad de captura de la campana Uc 1 m/s Distancia desde la campana a la fuente X 0.8 m Razón de flujo aspirado hacia dentro de la campana Q 7.392 m3/s
Fuente Los Autores 2004
Hornos De Inducción. Este es uno de los procesos mas importantes del proceso ya que
actualmente no cuenta con algún sistema de control y se están generando emisiones
directas al ambiente.
Es usual encontrar recomendaciones acerca de capturar las emisiones de hornos
eléctricos de fundición de metales a través de campanas de envoltura total, sin embargo,
su selección depende en gran parte de las condiciones propias de cada empresa y la
facilidad para su instalación.
Criterios de Selección del Dispositivo de Captura para los Hornos
Para los hornos, se opta diseñar una campana receptora circular de acuerdo con los
siguientes criterios:
• El sistema de captura no debe obstaculizar la operación de cargue del horno ya que
se realiza conduciendo con un polipasto desde la parte superior, las canecas que
contienen el material a fundir.
• Se requiere que el área alrededor del horno se encuentre despejada debido a que su
sistema de vaciado es basculante; además para facilitar la adición de los inoculantes y
la operación del equipo con lo controles correspondientes.
79
• No se deben obstaculizar las actividades de mantenimiento, ya que durante éstas los
hornos permanecen inclinados un ángulo de 90° y se levantan las compuertas de la
plataforma donde se encuentra instalado.
• Debe procurarse aprovechar la tendencia de las emisiones a ascender por las mismas
condiciones de temperatura de la fuente.
Parámetros de Diseño Sistema de Captura en Hornos de 8 Toneladas
En el cuadro 10 se presentan los parámetros considerados para el diseño del sistema de
captura seleccionado:
Cuadro 10. Sistema de Captación Hornos 8 Toneladas
Caudal de Aire Aspirado para Campanas Receptoras Q 1,4. P.X.Uc Perímetro de la fuente * P 1.6 m
Velocidad de captura de la campana Uc 1.02 m/s Distancia desde la campana a la fuente X 3 m Razón de flujo aspirado hacia dentro de la campana Q 6.854 m3/s
Fuente Los Autores 2004
Uc = La velocidad de captura se seleccionó de acuerdo con los criterios encontrados en
la Tabla 2 del Anexo F rango entre 1.02 – 2.54 m/s. Fue escogido el valor menor debido a
que la fuente es de operación continua y se originan emisiones turbulentas durante la
carga del material.
Pérdidas: Para campana con ángulo de 45º y de forma circular, el factor por perdidas a la
entrada es de 0.97 PV in.
Parámetros de Diseño Sistema de Captura en Hornos de 2 Toneladas
Los parámetros de diseño para la campana receptora seleccionada para los hornos de 2
Toneladas en encuentran en el cuadro 11.
80
Cuadro 11. Sistema de Captación Hornos 2 Toneladas
Caudal de Aire Aspirado para Campanas Receptoras Q 1,4. P.X.Uc Perímetro de la fuente a P 1.2 m
Velocidad de captura de la campana Uc 1.02 m/s Distancia desde la campana a la fuente X 3 m Razón de flujo aspirado hacia dentro de la campana Q 5.141 m3/s
Fuente Los Autores 2004
Pérdidas: Para campana con ángulo de 45º y de forma circular, el factor por perdidas a la
entrada es de 0.97 PV in.
Las campanas de los hornos deberán tener una leve inclinación de 30º sobre la horizontal,
con el fin de no obstaculizar el paso del polipasto y capturar directamente las emisiones
de fusión y colada.
Desmoldeo. Este es el único sistema de moldeo seleccionado para diseñar el dispositivo
de captura y conducción de las emisiones con el fin de optimizar y aprovechar los
conductos existentes.
En el sistema 2 la zaranda de desmoldeo está cubierta en un 45% contribuyendo a mitigar
la emisión en la caída de las piezas, momento en el cual se puede llegar a generar mayor
dispersión de partículas.
Criterios de Selección del Dispositivo de Captura para Desmoldeo del Sistema 1
Para el Sistema 1 se seleccionó una campana receptora, única opción viable según los
criterios mostrados a continuación.
• La fuente se encuentra en movimiento por la vibración de la zaranda para el desmolde
de las piezas, por lo que el sistema seleccionado no puede adaptarse directamente a
la fuente.
81
• Las partículas tienden a ascender por efecto de la temperatura de las piezas que
fueron vaciadas en los moldes.
• El sistema actual de captación no es suficiente para el área donde se genera la
emisión
• No debe capturarse material útil para el proceso como lo es la arena de los moldes
que sirve como retorno para una nueva mezcla.
Parámetros de Diseño para Desmoldeo del Sistema 1
Como en los casos anteriores debe calcularse inicialmente de mediciones realizadas por
el isocinético.
Caudal de Aire Aspirado Q = 1,4. P.X.Uc
Donde:
P = Perímetro de la fuente; se obtuvo según las dimensiones de la zaranda (6.7 m)
X = Distancia de la campana a la fuente: Para no obstaculizar actividades de
mantenimiento y buscando aproximarse lo mayor posible a la fuente, se seleccionó una
distancia de 0.8 m
Uc = La velocidad de captura se seleccionó de acuerdo con los criterios encontrados en
rango está entre 1.02 – 2.54 m/s (Ver Anexo F Tabla 2 Velocidades de Diseño de las
Campanas).
Pérdidas: para campanas con ángulo de 45º y de forma rectangular, las pérdidas de
acuerdo con el coeficiente de estrada son de 0.93 PV .
En el cuadro 12 se encuentran los datos requeridos para el cálculo del dispositivo de
captura:
82
Cuadro 12. Sistema de Captación Desmoldeo Sistema 1
Caudal de Aire Aspirado para Campanas Receptoras Q 1,4. P.X.Uc Perímetro de la fuente a P 7.7 m
Velocidad de captura de la campana Uc 1.02 m/s Distancia desde la campana a la fuente X 0.8 m Razón de flujo aspirado hacia dentro de la campana Q 8.624. m3/s
Fuente Los Autores 2004
4.3 DISEÑO DE SISTEMAS DE CONDUCCIÓN
El sistema de conducción diseñado partirá de la captación en los hornos y en la zaranda
del Sistema 1, conducirá las emisiones al sistema preliminar y posteriormente al sistema
de control final.
Existen cuatro puntos de captación inicial en línea sobre los hornos conectados todos a
un sistema de captación central que se une con el conducto del área de desmoldeo del
Sistema 1, estos llegan al sistema de tratamiento preliminar.
En el diseño de los conductos debe tenerse en cuenta una velocidad de trasporte mínima
para prevenir la sedimentación y la posterior obstrucción de las tuberías. En la Tabla del
Anexo F, podemos ver las velocidades mínimas recomendadas para los conductos según
las características de la emisión.
Las emisiones del proceso en su mayoría se generan por preparación de los moldes o
desmolde de las piezas, para los cuales como fue mencionado en el numeral 1.2.3
requiere de Arena Sílice para su preparación. Por otra parte existe otro valor de
referencia para Polvos Industriales que es de 17.78 m/s (EPA-CICA Centro de
Información de Calidad del Aire). El Material seleccionado para resistir las condiciones de
abrasividad y concentración de las emisiones es Acero Inoxidable, el tipo de sistema
seleccionado es de clase IV al cual le corresponde un espesor de 2 mm según las
longitudes de los ductos. (Ver Anexo F Sistemas de Conducción)
83
Los conductos serán de forma Circular ya que se genera menores pérdidas en la presión
de los gases y menos áreas muertas dentro del ducto.
Para el diseño del ducto se tomo como referencia el método de presión dinámica o de
presión de velocidad; se calcularon las pérdidas por accesorios y por longitud de la
tubería, se realizaron las correcciones de caudal requeridas para mantener las estabilidad
en el sistema y garantizar la velocidad mínima de transporte dentro del ducto.
En los cuadros 13, 14 y 15 el cálculo de las pérdidas en los sistemas de captación y
conducción seleccionados para los puntos representativos de emisiones. En el esquema
del anexo G se encuentran numerados los ductos para cada tramo del sistema.
TRAMO 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-91 Caudal m3/s 6,854 6,854 6,854 13,709 5,141 18,850 5,141 23,990 23,990
2 Velocidad minina de transporte m/s 22,000 22,000 22,000 22,000 22,000 22,000 22,000 22,000 22,000
3 Área teórica del ducto m2 0,312 0,312 0,312 0,623 0,234 0,857 0,234 1,090 1,0905 Diámetro de diseño m 0,630 0,630 0,630 0,891 0,545 1,044 0,545 1,178 1,1786 Diametro de real diseño 0,630 0,630 0,630 0,900 0,550 1,000 0,550 1,180 1,1807 Área diseño del ducto m2 0,312 0,312 0,312 0,636 0,238 0,785 0,238 1,094 1,094
Presión de velocidad en el ducto (PV) ft/min 1,169 1,169 1,169 1,169 1,169 1,169 1,169 1,169 1,169
Presión de velocidad en el ducto (PV) mmcda 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047
9 Factor de Pérdida a la Entrada del ducto 0,970 0,970 0,970 0,970 0,970 0,970 0,970 0,970 0,970
10 Factor de aceleración 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
11 Pérdida a la entrada del ducto (PV) 1,970 1,970 1,970 1,970 1,970 1,970 1,970 1,970 1,970
12 Pérdida de la entrada del ducto mmcda 0,093 0,093 0,093 0,093 0,093 0,093 0,093 0,093 0,093
13 Otras Pérdidas 0,000 0,000 0,000 0,000 0,090 0,090 0,090 0,090 0,090
14 Presión Estática en la campana mmcda 0,093 0,093 0,093 0,093 0,183 0,183 0,183 0,183 0,183
Longitud del Tramo Recto (m) 5,500 6,000 5,500 14,000 5,500 3,300 5,500 25,500 19,000Q en ft3/min 14523,651 14523,651 14523,651 29047,302 10892,738 39940,041 10892,738 50832,779 50832,779V en ft/min 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709Factor de perdida Hf pulg H2O* 100pies 0,009 0,009 0,009 0,006 0,011 0,005 0,011 0,004 0,004
Factor de perdida Hf en mmcda * 30m 0,008 0,008 0,008 0,005 0,009 0,004 0,009 0,004 0,004
17 Pérdidas por fricción en el ducto en PV 0,042 0,046 0,042 0,070 0,050 0,014 0,050 0,090 0,067
Pérdidas por Codos 90º 0,000 8,382 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 8,382Pérdidas por Codos 45º 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000Pérdidas por Codos 30º 2,794 0,000 2,794 0,000 2,794 0,000 2,794 0,000 0,000
19 Número de Entradas 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 2,000 0,000 3,000 0,000
20 Perdida a la entrada en el ramal PV 0,000 0,000 0,000 0,060 0,000 0,120 0,000 0,180 0,000
21 Factor de Pérdida por accesorios especiales 0,000 0,000 0,000 15,000 0,000 0,000 27,000 0,000 0,000
22 Pérdida en el ducto en PV 2,836 8,428 2,836 15,130 2,844 0,134 29,844 0,270 8,44923 Pérdida en el ducto en mmcda 0,134 0,397 0,134 0,713 0,134 0,006 1,407 0,013 0,398
24 Pérdida de presión estática en el Tramo 0,227 0,490 0,227 0,806 0,317 0,189 1,590 0,196 0,581
25 Presión Estática que Gobierna 0,134 0,397 0,134 0,713 0,183 0,183 1,407 0,183 0,39826 Presión Estática Acumulada 0,134 0,531 0,665 1,378 1,561 2,939 4,346 4,529 4,928
Cuadro 13. Diseño de Conductos para Hornos de Fusión
TRAMO
CAMPANA
DUCTO
8
15
16
18
Cuadro 14. Diseño de Conductos para Desmoldeo Sistema 1TRAMO 1-1 1-2
1 Caudal m3/s 8,624 8,6242 Velocidad minina de transporte m/s 22,000 22,0003 Área teórica del ducto m2 0,392 0,3925 Diámetro de diseño m 0,706 0,7066 Diametro de real diseño 0,700 0,7007 Área diseño del ducto m2 0,385 0,385
Presión de velocidad en el ducto (PV) ft/min 1,175 1,175Presión de velocidad en el ducto (PV) mmcda 0,047 0,047
9 Factor de Pérdida a la Entrada del ducto 0,930 0,93010 Factor de aceleración 1,000 1,00011 Pérdida a la entrada del ducto (PV) 1,930 1,93012 Pérdida de la entrada del ducto mmcda 0,091 0,09113 Otras Pérdidas 0,000 0,00014 Presión Estática en la campana mmcda 0,091 0,091
Longitud del Tramo Recto (m) 8,000 6,800Q en ft3/min 18273,221 18273,221V en ft/min 4330,709 4330,709Factor de perdida Hf pulg H2O* 100pies 0,008 0,008Factor de perdida Hf en mmcda * 30m 0,007 0,007
17 Pérdidas por fricción en el ducto en PV 0,053 0,045Pérdidas por Codos 90º 0,000 8,382Pérdidas por Codos 45º 0,000 0,000Pérdidas por Codos 30º 0,000 0,000
19 Número de Entradas 0,000 0,00020 Perdida a la entrada en el ramal PV 0,000 0,00021 Factor de Pérdida por accesorios especiales 0,000 0,00022 Pérdida en el ducto en PV 0,053 8,42723 Pérdida en el ducto en mmcda 0,003 0,39924 Pérdida de presión estática en el Tramo 0,094 0,49125 Presión Estática que Gobierna 0,091 0,39926 Presión Estática Acumulada 0,091 0,491
Fuente Los Autores
DUCTO
CAMPANA
TRAMO
15
16
18
8
Cuadro 15. Diseño de Conductos para Silos de ArenaTRAMO 1-1
1 Caudal m3/s 7,3922 Velocidad minina de transporte m/s 17,7803 Área teórica del ducto m2 0,4165 Diámetro de diseño m 0,7286 Diametro de real diseño 0,7007 Área diseño del ducto m2 0,3858 Presión de velocidad en el ducto (PV) ft/min 0,768
Presión de velocidad en el ducto (PV) mmcda 0,0319 Factor de Pérdida a la Entrada del ducto 0,93010 Factor de aceleración 1,00011 Pérdida a la entrada del ducto (PV) 1,93012 Pérdida de la entrada del ducto mmcda 0,06013 Otras Pérdidas 0,00014 Presión Estática en la campana mmcda 0,06015 Longitud del Tramo Recto (m) 5,500
Q en ft3/min 15662,761V en ft/min 3500,000
16 Factor de perdida Hf pulg H2O* 100pies 0,008Factor de perdida Hf en mmcda * 30m 0,006
17 Pérdidas por fricción en el ducto en PV 0,03618 Pérdidas por Codos 90º 0,000
Pérdidas por Codos 45º 0,000Pérdidas por Codos 30º 9,900
19 Número de Entradas 0,00020 Perdida a la entrada en el ramal PV 0,00021 Factor de Pérdida por accesorios especiales 0,00022 Pérdida en el ducto en PV 9,93623 Pérdida en el ducto en mmcda 0,30824 Pérdida de presión estática en el Tramo 0,36725 Presión Estática que Gobierna 0,30826 Presión Estática Acumulada 0,308
Fuente Los Autores
DUCTO
CAMPANA
TRAMO
88
En el Anexo G se presentan en los esquemas de diseño de los sistemas de captación y
conducción seleccionados.
4.4 SISTEMAS DE CONTROL DE EMISIONES
En la actualidad existe una gran variedad de dispositivos para el control de emisiones
atmosféricas, los cuales a criterio del Ingeniero, pueden utilizarse como un sistema único
de tratamiento o como un sistema compuesto en el que se realice un control previo de los
gases seguido por un control primario.
Entre las ventajas de realizar un tratamiento previo al sistema de control primario son:
- Permite reducir las partículas grandes
- Mejora el rendimiento y eficiencia del dispositivo de control primario seleccionado
- Minimiza los costos de operación de ambos dispositivos
- Contribuye a remover la concentración de los gases para dar cumplimiento a las
normas ambientales.
Generalmente los dispositivos para el tratamiento previo de los gases son recolectores de
tipo mecánico cuyo funcionamiento depende de la gravedad y la inercia del flujo de gas
que les permite realizar una óptima recolección de partículas grandes.
A nivel general las ventajas de estos sistemas de control se reflejan en los bajos costos
de capital y los requisitos bajos de mantenimiento debido a la ausencia de partes móviles
Las principales desventajas, en caso de ser utilizados como sistemas de tratamiento
primario, son las bajas eficiencias de recolección para las partículas pequeñas ya que en
casos en los que se logra alcanzar altas eficiencias de recolección, generan altos costos
de operación debido a las grandes caídas de presión.
89
Los principales dispositivos para el tratamiento de previo de un efluente gaseoso son:
Cámaras de Sedimentación, Purificadores, Separadores Inerciales y Separadores con
Ayuda Mecánica
Cámaras de Sedimentación. Estos dispositivos son cámaras largas instaladas en los
conductos de aire, que dependen únicamente de la sedimentación gravitacional como
mecanismo de recolección. Su funcionamiento consiste en dirigir el flujo de aire
contaminado que viene de los conductos hacia una cámara, en la cual, por existir un
aumento en el área, se generará una disminución en la velocidad del aire, generando que
las partículas más pesadas que se encuentran en suspensión se depositen hasta el
fondo.
Equipos como éste tienen cierta aplicación en industrias donde se generan gases secos,
como pueden ser los procesos metalúrgicos y de fundición. 613Son los recolectores de tipo
mecánico mas sencillos de diseñar, requieren poco mantenimiento y su rendimiento es
función únicamente de la superficie e independiente de su altura.
Previenen la abrasión y la carga de partículas en los dispositivos primarios al remover a
las partículas grandes del flujo de gas; también suelen ser útiles para las industrias que
necesitan enfriar la corriente de gas previo al tratamiento en un filtro de tela.
Existen dos tipos principales de cámaras de sedimentación: la cámara de expansión y la
cámara de placas múltiples.
En las cámaras de expansión, la velocidad de la corriente de gas es reducida
significativamente a medida que el gas se expande hacia el interior de una gran cámara.
Al reducirse la velocidad, las partículas grandes se asientan separándose de la corriente
de gas.
En la Figura 9 se muestra una cámara sencilla con tolvas para recolección de las
partículas sedimentadas.
6 NOEL DE NEVERS. Ingeniería de Control de la Contaminación del Aire. México Mc Graw-Hill 1997. 546p.
90
Figura 9. Cámara de Expansión
Fuente Los Autores 2004
El rendimiento de estos sistemas puede aumentarse disminuyendo la velocidad del fluido
ayudando a que sedimenten la mayoría de partículas incluyendo las de mayor tamaño, o
instalando en la entrada del sedimentador orificios de admisión progresiva.
Las cámaras de sedimentación con placas múltiples, son cámaras de expansión, con un
número de placas delgadas colocadas a corta distancia entre sí dentro de la cámara, las
cuales impulsan al gas a fluir horizontalmente en medio de ellas (Ver Figura 10). A medida
que la velocidad del gas se incrementa ligeramente en una cámara con placas múltiples,
la eficiencia de recolección generalmente mejora debido a que las partículas tienen que
recorrer una distancia menor de caída antes de ser recolectadas. Las cámaras de
expansión deben ser muy grandes para recolectar cualquier partícula pequeña, pero las
cámaras con placas múltiples tienen menores requisitos de volumen para la recolección
de partículas pequeñas.
Figura 9. Cámara de Placas Múltiples
Fuente Los Autores 2004
91
Purificadores. Estos sistemas dependen también de la sedimentación gravitacional para
recolectar partículas. Está compuestos de uno o más tubos verticales o torres en series,
por donde la corriente de gas asciende a través de los tubos. Las partículas mayores cuya
velocidad de sedimentación terminal es mayor que la velocidad ascendente del gas, son
recolectadas en el fondo del tubo, mientras que las partículas menores son impulsadas
hacia afuera por la parte superior del tubo. Ser puede lograr clasificar por tamaño las
partículas recolectadas utilizando una serie de tubos con diámetros en aumento.
Figura 11. Purificador
Fuente Los Autores 2004
Separadores Inerciales. Se conocen también como separadores por momento, estos
dispositivos utilizan la gravedad y la inercia para separar las partículas de la corriente de
gas. El principio de funcionamiento de estos equipos se basa en la disminución de la
velocidad de las partículas cuando se somete el flujo de aire a cambios bruscos de
dirección. Dichos cambios generalmente se realizan mediante rejillas o pantallas fijas, al
existir un obstáculo, se produce un choque contra la pared generando la sedimentación
de las partículas, después el gas es forzado por los deflectores para fluir hacia arriba
repentinamente.
Los separadores por momento son capaces de recolectar partículas tan pequeñas como
de 10 micras a baja eficiencia (10-20 por ciento). Estos dispositivos requieren menos
espacio que los asentadores por gravedad, pero poseen caídas de presión más altas.
92
Figura 12. Separador Inercial
Fuente Los Autores 2004
Separadores con Ayuda Mecánica. Los separadores con ayuda mecánica dependen de
la inercia como el mecanismo de separación. La corriente de gas se acelera
mecánicamente; pueden recolectar partículas más pequeñas que los separadores
inerciales. Sin embargo, tienen costos de operación más altos como resultado de caídas
de presión más altas. Un tipo común de recolector con ayuda mecánica es el ventilador
con aspas radiales modificadas, en este sistema, la corriente de gas entra al centro del
ventilador, perpendicular a la rotación de las aspas. Éstas impulsan a las partículas a
través de las líneas del flujo del gas, donde son concentradas sobre la superficie interior
del contenedor. De ahí, las partículas son desviadas hacia una tolva de recolección
mientras el gas continúa hacia afuera del separador. Los separadores con ayuda
mecánica están sujetos al desgaste abrasivo por las partículas grandes y a la obstrucción
por ls partículas que se incrustan o acumulan sobre las aspas. En consecuencia, estos
dispositivos tienen mayores requisitos de mantenimiento que otros separadores.
Ciclones. El principio de funcionamiento de estos sistemas consiste en utilizar la inercia
para remover partículas de una corriente de gas giratoria. En el ciclón convencional, los
gases contaminados entran en una cámara cilíndrica a la cual se le ha adaptado una
sección inferior cónica. Los gases giran hacia abajo y en el fondo del cono, donde se ha
fijado como accesorio una tolva, invierten su dirección mientras permanecen girando y al
final salen a través de un conducto colocado al centro del ciclón.
93
Las partículas de polvo que han girado hacia abajo y hacia fuera debido al movimiento de
la capa exterior de gases, terminan por depositarse en la tolva de abajo. Respecto a la
limpieza industrial del gas, los ciclones son más útiles para partículas que miden más de
10 µm de diámetro; por debajo de este diámetro la eficiencia para un rendimiento
razonable decae considerablemente
También pueden clasificarse como de alta eficiencia o de alto rendimiento. Los ciclones
de alta eficiencia tienen más probabilidad de experimentar caídas de presión más altas;
los ciclones de alto rendimiento pueden tratar grandes volúmenes de gas con caídas de
presión bajas. 714
Figura 13. Ciclón Fuente Proyectos de Investigación Diquima
De acuerdo a su disposición geométrica se distinguen los siguientes tipos de separadores
ciclónicos:
Entrada tangencial y descarga axial: Representan el ciclón tradicional y, aunque se
pueden construir con diámetros más grandes, lo más frecuente es que éstos se
encuentren entre los 600 y los 915 mm.
Entrada tangencial y descarga periférica: El gas sufre un retroceso en el interior del
equipo al igual que ocurre en un ciclón convencional. Sin embargo, presenta el
7 WOODARD, Kenneth. Documento de Técnicas de Control de Materia Particulada Fina Proveniente de Fuentes Estacionarias. North Carolina : EPA, 1998. 5.1 –14p
94
inconveniente de que el polvo no es eliminado en su totalidad de la corriente gaseosa,
aunque sí se produce una concentración del mismo
Entrada y descarga axiales: La diferencia fundamental se encuentra en que los
diámetros son de menores dimensiones (entre 25 y 305 mm), con lo que gracias a esta
característica su eficiencia es mayor aunque su capacidad es menor.
Entrada axial y descarga periférica: proporcionan un flujo directo que es muy
adecuado para conectarlos a fuentes de gran volumen, donde los cambios en la dirección
del gas podrían ser un inconveniente.
Eficiencia. Cada uno de los sistemas mencionados anteriormente posee un amplio rango
de eficiencias de recolección. Se generan menores eficiencias de recolección en los
sistemas que dependen únicamente de la recolección por gravedad, siendo lo ciclones los
mas eficientes.
Cuadro 16. Eficiencia de Dispositivos Preliminares para Control de Partículas
DISPOSITIVO EFICIENCIA Cámaras de Sedimentación
Son más efectivas para partículas grandes y/o densas. La eficiencia de recolección para la PM10 es muy baja, típicamente menor del diez por ciento (10%). La eficiencia aumenta con el tiempo de residencia del gas en la cámara, por esta razón son operadas con frecuencia a las menores velocidades de gas posibles.
Separadores Inerciales
Alcanza eficiencias cercanas al 20 por ciento para MP10. La eficiencia de recolección aumenta a medida que la velocidad del gas aumente. (Aumentando también la caída de presión y los costos de operación)
Separadores con Ayuda Mecánica
Son capaces de alcanzar eficiencias de recolección cercanas al 30 por ciento para la MP10. Por lo general producen más fuerza centrífuga que los ciclones, pero poseen tiempos de residencia más cortos y un menor reencarrilamiento como resultado de la turbulencia. Una ventaja principal es su tamaño compacto.
Ciclones
Existen muchos factores que afectan la eficiencia de recolección de los ciclones. Por lo general aumenta con: el tamaño y/o densidad, la velocidad en el ducto de entrada, la longitud del cuerpo del ciclón el número de revoluciones del gas en el ciclón, la relación del diámetro del cuerpo del ciclón al diámetro de la salida del gas, la carga de polvo y la uniformidad de la pared interior del ciclón. Y disminuye con aumentos en: la viscosidad del gas, el diámetro del cuerpo del ciclón, el diámetro de la salida del gas, la superficie del ducto de entrada del gas y la densidad del gas, también por las fugas de aire hacia la salida del polvo.
Fuente WOODARD, Kenneth. Documento de Técnicas de Control de Materia Particulada Fina Proveniente de
Fuentes Estacionarias. Estados Unidos : EPA, Octubre 1998.
95
Para realizar el tratamiento primario de los gases existen dispositivos con mayor
tecnología que logran la retención de partículas mas pequeñas, entre los principales y
mas comunes sistemas de tratamiento primario para material particulado se encuentran
los Filtros de Mangas, los Precipitadotes Electrostáticos y las Torres de Limpieza
Húmeda.
Filtro De Mangas. Los filtros de mangas son considerados como los equipos más
representativos de la separación sólido-gas mediante un medio poroso, debido a su
eficiencia relativamente alta y versatilidad. Su función consiste en recoger las partículas
sólidas que arrastra una corriente gaseosa haciendo pasar dicha corriente a través de un
material filtrante, generalmente telas tejidas o afelpadas y que pueden estar en forma de
hojas, cartuchos o bolsas.
El tamaño de las partículas que pueden llegar a retener los filtros de mangas está entre 2
y 30 µm. Sin embargo, no es usual disponer de medios filtrantes con poros tan pequeños
como para retener las partículas que transporta el gas, por tanto, la filtración no comienza
a efectuarse de manera efectiva hasta que no se han acumulado una cierta cantidad de
partículas sobre la superficie de la bolsa en forma de torta filtrante.
Estos sistemas constan de una serie de bolsas con forma de mangas, colocadas en unos
soportes para darles consistencia y encerrados en una estructura de acero.
Contienen además una serie de paneles para redireccionar el aire, dispositivos para la
limpieza de las mangas y una tolva para recoger las partículas captadas.
Las concentraciones típicas de entrada a los filtros de mangas son de1 a 23 gramos por
metro cúbico (g/m3) (0.5 a 10 granos por pie cúbico (gr/ft3), pero en casos extremos, las
condiciones de entrada pueden variar entre 0.1 a más de 230 g/m3 (de 0.05 a más de 100
gr/ft3)
En general, los filtros de mangas proporcionan altas eficiencias de filtración tanto para
Material Particulado grueso como de tamaño fino (sub-micras). Un filtro de tela bien
diseñado, mantenido y operado correctamente, debe recolectar por encima del 99% de
las partículas desde sub-micras a cientos de sub-micras. Son relativamente insensibles a
96
las fluctuaciones en las condiciones de la corriente de gas. El aire de salida del filtro es
bastante limpio y en muchos casos puede ser recirculado a la planta (para la
conservación de energía).
El uso de ayudas selectas de filtración fibrosas o granuladas (preimpregnadas), permite la
recolección con alta eficiencia de contaminantes gaseosos y humos de tamaños menores
de una micra.
Para temperaturas muy por encima de los 290º C (550 º F) se requiere el uso de telas
metálicas o de mineral refractario especial, las cuales pueden ser costosas. Para ciertos
tipos de polvo se pueden requerir telas tratadas para reducir la percolación de los polvos
o, en otros casos, para facilitar la remoción de los polvos recolectados. Las telas pueden
arder si se recolecta polvo rápidamente oxidable. Los filtros de tela tienen requerimientos
altos de mantenimiento (por ejemplo, reemplazo periódico de las bolsas). La vida de la
tela puede ser acortada a temperaturas elevadas y en presencia de constituyentes
gaseosos o particulados ácidos o alcalinos. No pueden ser operados en ambientes
húmedos; los materiales higroscópicos, la condensación de humedad o los materiales
adhesivos espesos pueden causar costras o tapar la tela o requerir aditivos especiales.
Figura 14. Filtro de Mangas
Fuente WOODARD, Kenneth. Técnicas de
Control de Materia Particulada
97
Entre las ventajas principales de estos sistemas se encuentran las altas eficiencias de
recolección, flexibilidad para tratar muchos tipos de polvos y un amplio rango de flujos
volumétricos de gas, también pueden ser operados con caídas de presión bajas. Por otras
parte, son limitados para filtrar corrientes secas, las temperaturas altas y ciertas
sustancias químicas pueden dañar la tela de los filtros y además pueden requerir una
gran superficie para su instalación.
Se clasifican con frecuencia según su método de limpieza. Los tres mecanismos
principales de limpieza de los filtros de tela son; por agitación mecánica, aire invertido y
pulse jet.
Precipitador Electrostatico (Pes). Es un dispositivo de control de partículas que utiliza
fuerzas eléctricas para mover las partículas fuera de la corriente de gas y sobre las placas
del colector. A las partículas se les da una carga eléctrica forzándolas a que pasen a
través de una corona, una región en la cual fluyen iones gaseosos. El campo eléctrico que
fuerza a las partículas cargadas hacia las paredes, proviene de electrodos que se
mantienen a un alto voltaje en el centro de la línea de flujo. Una vez que las partículas son
recolectadas sobre las placas, deben ser removidas de las placas sin que se re-encaucen
en la corriente de gas. Esto se logra usualmente desprendiéndolas de las placas,
permitiendo que la capa de partículas recolectada se deslice hacia una tolva desde la cual
son evacuadas. Algunos precipitadores remueven las partículas con lavados con agua
intermitente o continua.
El PES es básicamente una máquina eléctrica. Las principales acciones son cargar
eléctricamente las partículas y forzarlas hacia las placas recolectoras. La cantidad de
materia particulada cargada afecta al punto de operación eléctrico del PES. El transporte
de las partículas se afecta por el nivel de turbulencia en el gas. Las pérdidas, el
escabullimiento y el reencauzamiento por el golpeteo, son las principales influencias en el
comportamiento total del sistema. Las propiedades de partícula también causan un efecto
importante en la operación de la unidad.
El punto de operación eléctrico de una sección de PES es el valor del voltaje y la corriente
al cual opera la sección. Tal y como podría ser, la mejor recolección ocurre cuando está
98
presente el mayor campo eléctrico, lo cual corresponde aproximadamente con el voltaje
más alto en los electrodos.
Los PE pueden controlan Materia Particulada (PM), que incluye materia particulada menor
o igual a 10 micras (µm) de diámetro aerodinámico (PM10), materia particulada menor o
igual a 2,5 micras de diámetro aerodinámico (PM2,5), y contaminantes peligrosos del aire
(CPA), en forma particulada, tales como la mayoría de los metales (el mercurio es la
excepción notable, ya que una porción importante de las emisiones se hallan en forma de
vapor elemental). Los PEH (Precipitadores Electrostáticos Húmedos) se utilizan
frecuentemente para controlar neblinas de ácido y pueden proporcionar un control
incidental para los compuestos orgánicos volátiles.
Las eficiencias típicas de equipos nuevos varían entre 99 y 99.9%. Los equipos existentes
más antiguos tienen un rango de eficiencia de operación de 90 a 99.9%. Aunque son
varios los factores que determinan la eficiencia de recolección de los precipitadores
electrostáticos, el tamaño es el más importante. El tamaño determina el tiempo de
tratamiento; entre más tiempo permanezca una partícula en el PES, es más probable que
ésta sea atrapada. Al maximizar la fuerza del campo eléctrico, se maximiza la eficiencia
de recolección del equipo.
La eficiencia de recolección también se ve afectada en cierto grado por la resistividad del
polvo, la temperatura del gas, la composición química (del polvo y del gas) y por la
distribución del tamaño de las partículas.
La resistividad del polvo no es un factor para los PEH, debido a la alta humedad de la
atmósfera que reduce la resistividad de la mayoría de los materiales. El tamaño de las
partículas es un factor de menor importancia para los PEH que para los PES. Se pueden
recolectar eficientemente partículas mucho más pequeñas con los PEH debido a que la
resistividad no importa, así como a la reducción en la pérdida por el reencauzamiento de
las partículas ya atrapadas.
En general, las partículas más difíciles de recolectar son aquéllas con diámetros
aerodinámicos entre 0,1 y 1,0 mm. Las partículas entre 0,2 y 0,4 µ m por lo general
99
presentan la mayor penetración. Esto es probablemente el resultado de la región de
transición entre las cargas de campo y de difusión.
Torres De Limpieza Húmedas Para Material Particulado. Una torre de limpieza
húmeda es un dispositivo de control de la contaminación del aire que remueve MP y
gases ácidos de las corrientes de gases residuales de fuentes fijas. Los contaminantes
son removidos principalmente a través del impacto, difusión, intercepción y/o absorción
del contaminante sobre pequeñas gotas de líquido. El líquido conteniendo al
contaminante, es a su vez recolectado para su disposición. Hay numerosos tipos de torres
de limpieza húmedas las cuales remueven tanto el gas ácido como la MP.
Las eficiencias de recolección de las torres de limpieza húmedas varían con la distribución
del tamaño de partícula de la corriente del gas residual. En general, la eficiencia de
control disminuye a medida que el tamaño de la MP disminuye. Las eficiencias de
recolección también varían con el tipo de torre de limpieza utilizada. Las eficiencias de
control varían desde más del 99% en torres de limpieza por venturi hasta 40-60% (o
menores) en torres de aspersión sencillas.
Los sistemas de torres de limpieza húmedas tienen ciertas ventajas sobre los
precipitadores electrostáticos (PESs) y las casas de bolsas. Las torres de limpieza
húmedas son mas pequeñas y compactas que las casas de bolsas o los PESs. Tienen
costos de capital más bajo y costos equiparables de operación y mantenimiento.
La desventaja principal de las torres de limpieza húmedas es que la mayor eficiencia de
control se logra a expensas de una mayor caída de presión a través del sistema de
control. Otra desventaja es que están limitadas a temperaturas y razones de flujo de gas
residual más bajas que en los PESs o en las casas de bolsas. Los diseños actuales de las
torres de limpieza húmedas aceptan razones de flujo de aire de más de 47 metros cúbicos
por segundo (m3/s) (100,000 pies cúbicos reales por minuto -actual cubic feet per minute
(acfm)) y temperaturas de hasta 400°C (750°F). Otra desventaja es que generan residuos
en forma de lodo, el cual requiere tratamiento y/o disposición. Por último, pueden resultar
problemas de corrosión corriente abajo o de visibilidad de pluma, a menos que la
humedad añadida sea removida de la corriente de gas.
100
Figura 15. Torre Húmeda
Fuente WOODARD, Kenneth. Técnicas de
Control de Materia Particulada
4.5 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MECANISMOS DE CONTROL
Luego de realizar la identificación de los principales contaminantes atmosféricos que se
generan en cada una de las etapas del proceso, debe determinarse el mecanismo de
control óptimo para retenerlos. Para esto se realizó una selección de los tipos de control
existentes para material particulado y algunos gases, teniendo en cuenta sus condiciones
y características de diseño, eficiencia, recomendaciones, costos de operación,
requerimientos para su instalación y funcionamiento, un costo aproximado de los equipos
y las ventajas y desventajas que tiene cada uno.
Por las características del proceso y para garantizar la remoción de las partículas grandes
>PM10 se diseñará un tratamiento previo al sistema de control primario, entre los
mecanismos nombrados anteriormente se descartaron el Separador con Ayuda Mecánica
y el Purificador, por ser sistemas poco eficientes y costosos en su instalación y operación,
por lo tanto, se hizo una evaluación de las ventajas y desventajas de las cámaras de
sedimentación, los separadores inerciales y los ciclones como muestra a continuación:
101
Cuadro 17 Ventajas y Desventajas Separador Gravitatorio
SEPARADOR GRAVITATORIO VENTAJAS DESVENTAJAS
− Es un sistema de fácil diseño y construcción
− Bajo costo de capital − Bajos costos de Operación − Requiere poco mantenimiento − Baja pérdida de Carga
− Requieren gran espacio comparadas con el rendimiento a obtener.
− Presentan problemas en la limpieza ya que generalmente se hace manual.
− Son limitantes para trabajar a temperaturas elevadas
Fuente Los Autores 2004 Aunque no es una desventaja propia del equipo, este sistema es de tecnología antigua,
para ser diseñada actualmente comparada con otros mecanismos que pueden actuar
también como tratamiento preliminar.
Cuadro 18 Ventajas y Desventajas Ciclón
CICLÓN VENTAJAS DESVENTAJAS
− No tienen partes móviles − Pueden usarse como prelimpiadores
y aumentar el rendimiento de otros colectores
− Pueden diseñarse para eliminar un tamaño específico
− La eficiencia varía en función del tamaño y la densidad de las partículas.
− No tiene limitaciones por temperatura− Bajos costos de Instalación. − Fácil Mantenimiento
− Tienen una eficiencia pequeña para partículas de polvo respirable (< PM10)
− El rendimiento de la separación disminuye si la viscosidad o densidad del polvo aumenta
− Son susceptibles a erosión y desgaste
− Tienen una drástica disminución en su rendimiento cuando se reduce el flujo de aire
− No puede separar polvo adherente. Fuente Los Autores 2004
102
Cuadro 19 Ventajas y Desventajas Separador Inercial
SEPARADOR INERCIAL VENTAJAS DESVENTAJAS
− Es de fácil construcción − Bajos costos de Operación − Bajos costos de Mantenimiento − Pequeñas pérdidas de carga − Pueden usarse como prelimpiadores
reteniendo partículas
− Tiene limitaciones importantes de la temperatura y presión
− Se genera acumulación de partículas cerca de los obstáculos
− Dificultad en la limpieza − Problemas de abrasión cuando la
velocidad de las partículas es muy alta
Fuente Los Autores 2004 El mecanismo óptimo que controle en forma preliminar las emisiones en el proceso, debe
cumplir con aspectos como:
Resistencia a las condiciones de temperatura y abrasividad de los gases:
temperaturas hasta de 150°C lo gases contienen partículas que generan desgaste
permanente de las tuberías.
Sea de fácil mantenimiento: se busca que el mecanismo utilizado no requiera de
mucho tiempo para realización de mantenimiento ya que es un proceso continuo y
existen varios equipos a los cuales se les debe hacer mantenimiento semanal.
Retenga partículas grandes (>50µm): Las partículas emitidas en el desmoldeo pueden
ser hasta de 100 µm teniendo en cuenta que se va a diseñar un sistema de control
después del ciclón, la eficiencia del ciclón debe recoger partículas mayores a 10µm
evitando que éstas generen fallas en el sistema siguiente.
Se adapte a las condiciones de espacio de la empresa: El sistema de bandas
transportadoras existente en la empresa es una limitante en cuanto a la instalación de
ductos para la captación, el separador inercial y el gravitatorio por sus condiciones de
diseño requerirían de gran espacio el cual no existe en la empresa, por otra parte la
tubería de llegada es de 1.3 m por lo que no sería viable aumentar esta área en el
sistema de conducción.
103
De acuerdo con los aspectos mencionados, el mecanismo seleccionado para actuar como
tratamiento preliminar de los gases es el ciclón.
Para el diseño del sistema de control que optimice la remoción de partículas menores a
10µm se evaluó la funcionalidad de los precipitadotes electrostáticos y los filtros de
mangas teniendo en cuenta los siguientes aspectos:
Características de la Emisión
- Flujo de Aire
- Temperatura
- Carga Contaminante
Costos
- Capital
- Operación y Mantenimiento
- Anualizado
- Eficiencia
Ventajas y Desventajas de operación y mantenimiento
En los Cuadros 20 al 23 se presenta la información recolectada para la selección del
mecanismo de control.
Cuadro 20. Comparación de Sistemas de Control según Características de la Emisión
Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)
CARACTERÍSTICAS DE LAS EMISIONES TECNOLOGÌA Flujo de Aire Temperatura Carga del Contaminante
Bajas de Aproximadamente 80 a 90°C (170 a 190°F)
2 a 110 gramos (g)/sm3 (1 a 50 granos (gr)/scf).
Menores de aproximadamente 80 a 90°C (170 a 190°F)
1 a 10 gramos (g)/sm3 (0,5 a 5 granos (gr)/scf.
muy altas, hasta los 700°C (1300°F)
2 a 110 gramos (g)/sm3 (1 a 50 granos (gr)/scf).
Precipitador Electrostático
Varían de 50 a 500 metros cúbicos estándares por segundo (sm3/s) (100.000 a 1.000.000 pies cúbicos estándares por minuto (scfm)).
Muy altas, hasta los 700°C (1300°F)
1 a 10 gramos (g)/sm3 (0,5 a 5 granos (gr)/scf).
Filtros de Papel/Material No Tejido – Colector Tipo Cartucho con Limpieza por Chorro Pulsante
Pueden manejar flujos de aire de menos de 0.10 a más de 5 metros cúbicos estándar por segundo (sm3/sec)(“cientos” a más de 10,000 pies cúbicos estándar por minuto (scfm)).
Cerca de 95°C (200°F) (medios filtrantes de papel) Cerca de 200°C (400°F) con selladores de material apropiado (filtros de cartucho utilizando un medio de material sintético, no tejido)
1 a 23 gramos por metro cúbico (g/m3) (0.5 a 10 granos por pie cúbico (gr/ft3)) (Ref. EPA, 1998b). Los filtros de cartucho, los cuales utilizan medios de material sintético no tejido, capaces de manejar concentraciones de entrada hasta de 57 g/m3 (25 gr/ft3)
Filtro de Tela – Tipo de Limpieza por Chorro Pulsante
Pueden manejar desde menos de 0.10 a más de 50 metros cúbicos estándares por segundo (m3/s) (de “cientos” a más de 100,000 pies cúbicos estándares por minuto (scfm)) para estándar. Desde 50 hasta más de 500 m3/s (de 100,000 a más de 1,000,000 scfm)
En forma rutinaria temperaturas de gases hasta cerca de aproximadamente 260 ºC (500 ºF), con picos hasta cerca de aproximadamente 290 ºC (550 ºF), con tela del material apropiado.
1 a 23 gramos por metro cúbico (g/m3) (0.5 a 10 granos por pie cúbico (gr/ft3), pero en casos extremos, las condiciones de entrada pueden variar entre 0.1 a más de 230 g/m3 (de 0.05 a más de 100 gr/ft3)
Filtro de Tela - Tipo Limpieza con Sacudimiento Mecánico. - Mejorada con Bocina Sónica
Menos de 0.10 a más de 50 metros cúbicos estándares por segundo (m3/s) (de “cientos” a más de 100,000 pies cúbicos estándares por minuto (scfm)) para estandar. Desde 50 hasta más de 500 m3/s (de 100,000 a más de 1,000,000 scfm)
Aproximadamente 260 ºC (500 ºF), con picos hasta cerca de aproximadamente 290 ºC (550 ºF), con tela del material apropiado. de temperatura de la tela.
1 a 23 gramos por metro cúbico (g/m3) (0.5 a 10 granos por pie cúbico (gr/ft3), pero en casos extremos, las condiciones de entrada pueden variar entre 0.1 a más de 230 g/m3 (de 0.05 a más de 100 gr/ft3)
Cuadro 21. Comparación de Sistemas de Control según sus Costos
Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)
* Valores Cuantificados según la proyección del valor del dolar para el 2002
COSTOS* TECNOLOGIA Capital
Operación y
Mantenimiento Anualizado
Eficiencia
Precipitador Electrostático Seco (PES) - Tipo Placa-Alambre.
$21,000 a $70,000 por sm3/s ($10 a $33 por scfm)
$6,400 a $74,000 por sm3/s ($3 a $35 por scfm),
$9,100 a $81,000 por sm3/s ($4 a $38 por scfm), anualmente
$38 a $260 por tonelada métrica ($35 a $236 por tonelada corta)
Filtros de Papel/Material No Tejido – Cartucho con Limpieza por Chorro Pulsante.
$15,000 a $28,000 por m3/s ($7 a $19 por scfm)
$20,000 a $52,000 por m3/s ($9 a $265por scfm), anualmente
$26,000 a $80,000 por m3/s ($13 a $38 por scfm), anualmente
$94 a $280 por ton. métrica ($85 a $286 por ton. corta)
Filtro de Tela – Tipo de Limpieza por Chorro Pulsante
$13,000 a $55,000 por m3/s ($6 a $26 por scfm)
11,000 a $50,000 por m3/s ($5 a $24 por scfm), anualmente.
$13,000 a $83,000 por m3/s ($6 a $39 por scfm), anualmente.
$46 a $293 por tonelada métrica ($42 a $266 por ton. corta).
Filtro de Tela - Tipo Limpieza con Aire-Invertido - Mejorada con Bocina Sónica.
$19,000 a $180,000 por m3/s ($9 a $85 por scfm) $1,000 a $1,300 por m3/s ($0.51 a $0.61 por scfm), costo adicional por mejoramiento con bocinas sónicas $2,000 a $4,200 m3/s ($1 a $2 por scfm), costo de equipo comprado de chorro a la inversa
$14,000 a $58,000 por m3/s ($6 a $27 por scfm), anualmente
$16,000 a $106,000 por m3/s ($8 a $50 por scfm), anualmente
58 a $372 por tonelada métrica ($53 a $337 por tonelada corta).
Cuadro 22. Ventajas y Desventajas Precipitador Electrostático Y Filtros de Mangas
Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)
TECNOLOGIA VENTAJAS DESVENTAJAS
• Precipitador
Electrostático
Son capaces de alcanzar eficiencias muy altas, aún con partículas muy pequeñas. - Los costos de operación son relativamente bajos. Los PE son capaces de operar bajo presiones altas (hasta 1,030 kPa (150 psi)) o condiciones de vacío, y razones de flujo relativamente grandes se pueden manejar de manera efectiva. - Los PEH pueden recolectar partículas pegajosas y neblinas, así como polvos explosivos o con alta resistividad. - El enjuague continuo o intermitente con un líquido, elimina el reencauzamiento de partículas al flujo de gas, que se ocasiona con el martilleo al cual están sujetos los PE. - Las partículas líquidas o aerosoles presentes en la corriente de gas son recolectadas con las partículas y proporcionan otro método para enjuagar los electrodos de colección. - Las velocidades de flujo relativamente grandes se pueden manejar de manera efectiva, aunque son poco comunes en los PE tubulares
- Los electrodos de descarga fabricados de alambre (aproximadamente 2,5 mm (0,01 in.) de diámetro), requieren altos niveles de mantenimiento. - Puede presentarse corrosión cerca de la parte superior de los alambres por el efecto de fugas de gas y la condensación ácida. Además, los alambres largos sujetos con pesas tienden a oscilar; la parte media del alambre puede acercarse al tubo, causando más chispas y desgaste. - Los PE son difíciles de instalar en sitios con espacio limitado puesto que los PE deben ser relativamente grandes para obtener las bajas velocidades de gas necesarias para la recolección eficiente de PM - Se requiere personal de mantenimiento relativamente sofisticado, así como precauciones especiales para proteger al personal del alto voltaje.
• Filltros de Papel/Material No Tejido – Colector Tipo Cartucho con Limpieza por Chorro Pulsante (también referido como Medio Extendido) Filtro de Tela: • Tipo de Limpieza por Chorro Pulsante (Referido como Casa de Bolsas). • Tipo Limpieza con Sacudimiento Mecánico y Mejorada con Bocina Sónica • Tipo Limpieza con Aire-Invertido y Mejorada con Bocina Sónica.
- Proporcionan altas eficiencias de recolección tanto para materia particulada gruesa como para la de tamaño fino (submicras). - En los filtros con limpieza continua, la eficiencia y la caída de presión permanecen relativamente invariables con fuertes cambios en la carga de entrada de polvo. - El aire de salida del filtro está muy limpio y en muchos casos puede ser recirculado a la planta (para la conservación de energía). - A diferencia de los precipitadores electrostáticos, los sistemas de filtros de cartucho no requieren de altos voltajes, por lo que su mantenimiento se simplifica y puede recolectarse polvo inflamable con el cuidado apropiado. - El uso de ayudas selectas de filtración granulares o fibrosas, (pre-impregnado), permite la recolección con alta eficiencia de contaminantes gaseosos y de humos de tamaños submicrométricos. - Los colectores de cartucho están disponibles en un gran número de configuraciones, resultando en un rango de dimensiones y de localizaciones de las bridas de entrada y salida, para cumplir con los requisitos de instalación.
- Para ciertos tipos de polvos se pueden requerir medios filtrantes tratados para reducir la percolación de los polvos, o en otros casos, para ayudar a la remoción del polvo recolectado. - La concentración de algunos polvos en el colector, aproximadamente 50 g/m3 (22 gr/ft3), puede representar un peligro de fuego o explosión, si se admite accidentalmente una chispa o flama. - - La vida de los filtros puede ser acortada a altas temperaturas y en presencia de constituyentes ácidos o alcalinos que puedan estar presentes como gases o particulados. - No pueden operarse en ambientes húmedos; los materiales higroscópicos, la condensación de humedad o los componentes adhesivos espesos, pueden causar una plasta quebradiza, taponamiento del medio o requerir del uso de aditivos especiales.
TECNOLOGÍA VENTAJAS DESVENTAJAS
• Filltros de Papel/Material No Tejido – Colector Tipo Cartucho con Limpieza por Chorro Pulsante (también referido como Medio Extendido) Filtro de Tela: • Tipo de Limpieza por Chorro Pulsante (Referido como Casa de Bolsas). • Tipo Limpieza con Sacudimiento Mecánico y Mejorada con Bocina Sónica • Tipo Limpieza con Aire-Invertido y Mejorada con Bocina Sónica.
- Proporcionan altas eficiencias de recolección tanto para materia particulada gruesa como para la de tamaño fino (submicras). - Son relativamente insensibles a las fluctuaciones en las condiciones de la corriente de gas. - En los filtros con limpieza continua, la eficiencia y la caída de presión permanecen relativamente invariables con fuertes cambios en la carga de entrada de polvo. - El aire de salida del filtro está muy limpio y en muchos casos puede ser recirculado a la planta (para la conservación de energía). - La MP se recolecta seca para su procesamiento o disposición subsecuentes. - Normalmente, no son problemas la corrosión ni la oxidación de los componentes. - La operación es relativamente simple. - A diferencia de los precipitadores electrostáticos, los sistemas de filtros de cartucho no requieren de altos voltajes, por lo que su mantenimiento se simplifica y puede recolectarse polvo inflamable con el cuidado apropiado. - El uso de ayudas selectas de filtración granulares o fibrosas, (pre-impregnado), permite la recolección con alta eficiencia de contaminantes gaseosos y de humos de tamaños submicrométricos. - Los colectores de cartucho están disponibles en un gran número de configuraciones, resultando en un rango de dimensiones y de localizaciones de las bridas de entrada y salida, para cumplir con los requisitos de instalación.
- Para temperaturas muy altas en los filtros de papel (de los 95°C (200°F)), o filtros de tela ( muy por encima de los 290 o C (550 o F)), se requieren medios filtrantes especiales, los cuales pueden ser caros. - Para ciertos tipos de polvos se pueden requerir medios filtrantes tratados para reducir la percolación de los polvos, o en otros casos, para ayudar a la remoción del polvo recolectado. - La concentración de algunos polvos en el colector, aproximadamente 50 g/m3 (22 gr/ft3), puede representar un peligro de fuego o explosión, si se admite accidentalmente una chispa o flama. - Pueden arder si se recolecta polvo rápidamente oxidable. - Tienen requisitos de mantenimiento relativamente altos (v.g., cambio frecuente de los cartuchos o tela). - La vida de los filtros puede ser acortada a altas temperaturas y en presencia de constituyentes ácidos o alcalinos que puedan estar presentes como gases o particulados. - No pueden operarse en ambientes húmedos; los materiales higroscópicos, la condensación de humedad o los componentes adhesivos espesos, pueden causar una plasta quebradiza, taponamiento del medio o requerir del uso de aditivos especiales. - Se requieren una caída de presión mediana, típicamente en el rango de 100 a 250 mm de columna de agua (4 a 10 in. de columna de agua) - Se pudiera requerir protección respiratoria para el personal de mantenimiento al reemplazar la tela.
Fuente Los Autores 2004
107
El sistema de control seleccionado de acuerdo con las características mostradas
anteriormente fue el Filtro de Mangas tipo Pulse Jet teniendo que éstas se adaptan a las
condiciones del proceso como se muestra a continuación:
• Pueden tratar cargas altas de polvo, operar a una caída de presión constante y ocupar
menos espacio que otros filtros de mangas
• No requieren interrumpir el flujo de gas ya que son cortos los impulsos de la limpieza.
• No se presentan caídas en el rendimiento.
• La limpieza es intensa y ocurre con mayor frecuencia que los otros métodos existentes
• Generalmente trabajan con telas afelpadas por lo que no se requiere de la formación
de la capa de polvo para mejorar la eficiencia de retención de partículas pequeñas.
• No necesitan compartimientos adicionales para mantener la filtración el gas durante la
limpieza.
• Pueden tratar altas velocidades de flujo a una mayor carga de partículas
• Permite relaciones más altas de gas a tela
4.6 DISEÑO DE MECANISMOS DE CONTROL
De acuerdo con la evaluación de las ventajas y desventajas de la diversidad de
dispositivos existentes para el control preliminar y primario de las emisiones, se presenta
a continuación el diseño del Ciclón y el filtro de Mangas tipo Pulse Jet, mecanismos que
tratarán la corriente de gas capturada en los hornos y en el desmoldeo del Sistema 1.
4.6.1 Ciclón. Los parámetros principales que se requieren determinar para el diseño de
los ciclones son su eficiencia y su pérdida de carga. La eficiencia del ciclón aumenta
generalmente con el tamaño o densidad de las partículas, la velocidad en el ducto de
entrada, la longitud del cuerpo del ciclón, la relación del diámetro del cuerpo del ciclón al
108
diámetro de la salida del gas, la carga de polvo y la uniformidad de la pared al interior del
ciclón. 815
Por otra parte dicha eficiencia puede reducirse al aumentar la viscosidad del gas, el
diámetro del cuerpo del ciclón, el diámetro de las salida del gas o la superficie del ducto
de entrada del gas.
Existen varios métodos para determinar la eficiencia de un ciclón, generalmente se basan
en utilizar un término para el tamaño de las partículas que se denominará tamaño o
diámetro de corte, el cual define el tamaño de las partículas para una eficiencia de
recolección específica. Las partículas más grandes que las del tamaño de corte serán
recolectadas con una eficiencia mayor que la especificada y las partículas pequeñas se
recolectarán con menor eficiencia. El tamaño de corte generalmente corresponde al 50
por ciento de la eficiencia de recolección y se denomina D50.
Lapple816desarrolló un modelo relativamente sencillo para determinar la eficiencia de un
ciclón derivado de la teoría del movimiento de las partículas aplicando la siguiente
fórmula.
2/1
50 ).(...29
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂−∂
=gpVcN
xWixDπ
µ (6)
Donde,
Wi 1.18 m Diámetro de la Tubería N 5 Numero de vueltas (estimado) Vc 22 m/s Velocidad de entrada Gas µ 1.8 x 10-6 Kg/m.s Viscosidad del Gas9
δp 2000 Kg/m3 Densidad de la partícula δg 1.2 Kg/m3 Densidad del gas
8 WOODARD, Kenneth. Documento de Técnicas de Control de Materia Particulada Fina Proveniente de Fuentes Estacionarias. North Carolina : EPA, 1998. 5.1 –14p 9 NOEL DE NEVERS. Ingeniería de controld e la Contaminación del Aire. México Mc Graw-Hill 1997. 546p
109
2/16
50 )2.12000.(22.5..2108.118.19
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=−
πxxxD
µµ 471.31071.3 6
50 ≈== − mxD
Para determinar la eficiencia del ciclón se aplica la siguiente fórmula, utilizando el
diámetro promedio de las partículas que se busca remover y el diámetro de corte obtenido
previamente.
η = (D/Dcorte)2 = (9/4) 2 = 83%. 1 + (D/Dcorte) 2 1+ (9/4) 2 La pérdida de presión generada dentro del ciclón se calcula con la siguiente ecuación:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∂=∆
2
2gasxVcKP
PaP 2.2323=∆
La obtención de las dimensiones del ciclón se calculan a partir de la relación del Diámetro
del cuerpo con cada una de las dimensiones que lo componen:
gasxDcortegaspartxVcxDc
µδδ 2)(96.3 −
=
δgas 1.20 Kg/m-3 K 8 constante Vc 22 m/s
110
6
26
108.11072.3)2.12000(2296.3
−
−−=
xxxxxDc
mDc 40.1=
Para establecer las dimensiones del ciclón existen unas relaciones estándares que se
calculan con valor del Dc obtenido.
Cálculo de las Dimensiones del Ciclón Figura 16. Dimensiones del Ciclón
Fuente www.diquima.upm,es
Dc Dc 1.32 m Bc Dc/4 0.33 m De Dc/2 0.66 m Hc Dc/2 0.66 m Lc 2Dc 2.64 m Sc Dc/8 0.165 m Zx 2Dc 2.64 m Jc Dc/4 0.33 m
111
4.6.2 Filtro de Mangas. Para el diseño del Filtro de mangas se estableció la relación gas
a tela (G/T) que será compatible con el tipo de limpieza (Pulse Jet), la caída de presión y
la tela de las mangas.
El tipo de polvo es lo más importante en la determinación de dicha relación. Cuado la
relación G/T es muy alta puede conducir a caídas de presión más altas y mayor
penetración de partículas disminuyendo su eficiencia de recolección, además de requerir
una limpieza mas frecuente que acelere el deterioro de la tela. Si la relación G/T es muy
baja, aumenta el tamaño y el costo del filtro de mangas.
La relación (G/T) o velocidad de filtración se puede determinar utilizando tablas en las que
se clasifica el tipo del tela y el tipo de polvo; también puede hallarse con ecuaciones en
las que se consideran parámetros como la temperatura, tamaño de partículas y carga de
polvo, para este caso se aplicó la siguiente ecuación:
)0853.07471.0(878.2 06021.02335.0 LnDxLxAxBxTV += −− 1017 (7)
Donde:
V = Relación gas a tela (ft/min)
A = Factor del Material
B = Factor de Aplicación
T = Temperatura
L = Concentración de entrada (gr/ft3)
D = Diámetro promedio en masa de la partícula (µm)
Factores para las relaciones de gas a tela para filtros tipo Pulse Jet: se obtiene según la
Tabla de Factores par las Relaciones de Gas a Tela en Jet Pulse del Anexo I, en este
caso para el polvo de residuos de agitado en fundiciones el factor de Material A es igual a
12 y el Factor de Aplicación B es igual a 0.8.
10 EPA, Sección 6 “Controles de Material Particulado” Capítulo 1 Filtros y casas de Bolsas p 1-23
112
Temperatura (T): la temperatura alcanzada en la emisión de los hornos es de 500°C, sin
embargo por la dilución con el aire y su trayectoria a través de los conductos hacia el filtro
de mangas, se estimó una temperatura máxima de llegada de 100°C (212°F), tomando
como referencia las condiciones de este tipo de procesos.
Concentración de Entrada (L): esta concentración se obtiene de relacionar la cantidad de
partículas emitidas con el caudal del flujo de gas, restándole la eficiencia de remoción de
partículas que tiene el ciclón, como el rango debe estar entre 0.05 y 100 se selecciona
0.05 gr/ft3 (Ver Anexo I).
Diámetro de Partícula (D): es el diámetro promedio de partículas que se pretende retener
con el filtro se en este caso corresponde a 10µ.
Entonces
)10ln0853.07471.0(05.02128.012878.2 06021.02335.0 += −− xxxxV
2323 min/72.2min/94.8 xmmxftfTGV ===
Caudal Requerido (Q): es el caudal capturado en cada una de las fuentes el cual será
impulsado por un sistema de ventilación hacia el filtro de mangas = 32.6 m3/s
Área Neta (An): el área neta fe filtración se obtiene de la división entre el caudal (m3/min)
y la relación de filtración obtenida.
23
11.719min/72.2min/1956 m
mmAn == (8)
Área de las Mangas (P): esta se obtiene del diámetro y la longitud de las mangas. Como
la longitud de las mangas estimada fue de 1500 mm y la relación entre el diámetro y la
113
longitud debe ser menor a 25 (Ver Anexo I); se asumió una relación de 5 para la cual
corresponde un diámetro de 300 mm.
demmamconversiónxasmangaongituddeldiámetroxlP π)(
= (9)
22 41.1
1000)1500300( mxxP ==
π
Número de Mangas (N): se obtiene de relacionar el área total de tela con el área de cada
manga.
mangasmmN 510
41.111.719
2
2
== (10)
Tipo de Tela: generalmente se selecciona teniendo en cuenta la resistencia física y
química de las mangas hacia la corriente de gas que pasará por el filtro. El material
seleccionado para el filtro fue el Dacrón el cual alcanza una temperatura máxima de
operación de 135°C; sus características de resistencia físicas y químicas se muestran en
la Tabla 5
Tabla 5. Resistencia Física y Química del Dacrón 1118
RESISTENCIA FÍSICA RESISTENCIA QUÍMICA Calor Seco Buena Ácidos Minerales Buena Calor Húmedo Suficiente Ácidos Orgánicos Buena Abrasión Buena Álcalis Suficiente Agitación Excelente Oxidantes Buena Flexión Excelente Solventes Excelente Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)
11 WOODARD, Kenneth. Documento de Técnicas de Control de Materia Particulada Fina Proveniente de Fuentes Estacionarias. North Carolina : EPA, 1998. 5.1 –14p
114
Es importante instalar las bolsas correctamente para obtener la mayor duración posible.
Se recomienda que en los filtros Pulse Jet las costuras de todas las bolsas se coloquen
en una misma dirección (en dirección opuesta a la entrada del flujo de aire) con el fil de
proporcionar un punto de referencia que ayuda a identificar los problemas de abrasión a la
entrada.1219
Caída de Presión: la caída de presión dentro del filtro debe calcularse desde el flujo a
través de las mangas y desde el flujo a través de las regiones de la tolva; adicionalmente
deberá considerarse la caída generada en el ciclón. El valor total será calculado
teóricamente para su diseño inicial, sin embargo deben hacerse las correcciones
necesarias de acuerdo con las pruebas de filtración realizadas al filtro después de
construido con el fin de determinar los datos exactos de funcionamiento
Para filtros tipo Pulse Jet se aplicó la siguiente ecuación para determinar la caída de
presión a través de las mangas:
fOW VWKPEP 2)( +=∆ ∆ (11)
Donde:
∆P = Caída de Presión (in de H2O)
Vf = Velocidad de filtración (ft/minuto)
K2 = Resistencia específica del polvo
La resistencia específica del polvo seleccionada es de10 min. ft. in H2O / lb. Wo es la
densidad superficial del polvo recién depositado, se calcula con la siguiente ecuación:
θfi VCW =0 (12)
Ci = Concentración de entrada al filtro (lb/ft3)
Vf = Velocidad de filtración (ft/min)
θ = Tiempo de Filtración (minutos)
12Seminario de BHA Internacional, Inc. mantenimiento de equipo de control de contaminación ambiental
115
Para un tiempo de filtración de 10 minutos y los datos de diseño calculados previamente
el valor obtenido de W0 es:
min10min
94.8101.1 34
0 xftxftlbxW −=
20 0098.0ftlbW =
El cálculo de (PE)∆W se realiza aplicando la siguiente ecuación:
65.008.6)( −
∆ = PVPE fW (13)
P = Presión de pulso de las válvulas generalmente está entre 60 y 100 lb/in2. En este
caso se seleccionó un valor de 80 psig.
65.0)80)(94.8(08.6)( −
∆ =WPE
OHinPE W 215.3)( =∆
Por lo tanto:
)94.80098.010(15.3 xxP +=∆
OHinP 203.4=∆
Estimando una caída por la estructura del filtro de mangas de 2 in H2O y adicionando la
caída dentro del ciclón de 9.29 in de H2O, la presión total obtenida es de 15.32 in H2O =
3830 Pa. La potencia requerida para el ventilador que impulsará el gas hasta la salida del
filtro de mangas se obtiene con el producto de la fuerza con la velocidad de llegada del
gas (22 m/s):
Potencia = 1723.5 N x 22 m/s = 37917 Watts = 50.82 Hp
116
Selección del Ventilador. El ventilador se ubicará después del filtro de mangas, quedando
este a presión negativa (al vacío), cualquier escape quedará dentro de la unidad, evitando
que las emisiones vayan a la atmósfera, además tendrá poco desgaste ya que solo estará
en contacto con el aire limpio; esto es un punto importante teniendo en cuenta cualquier
daño en el ventilador, impedirá el funcionamiento de todo el sistema.
Para la potencia calculada de 51 Hp, se consideró un factor de seguridad del 20%
teniendo en cuenta que algunos motores no tienen una eficiencia del 100% y debe
garantizarse mantener la potencia de diseño para contrarrestar las pérdidas presentes a
lo largo del sistema. De esta forma el Ventilador requerido para el sistema tendrá las
siguientes características:
• Potencia 60 Hp ,
• Tipo centrifugo por las facilidades de instalación (Anexo J)
• Con aspas curvadas hacia atrás
Otras Características: dentro del filtro se distribuirán 30 x 17 mangas para un total de 510;
estarán ubicadas en un portafiltros fabricado en lámina de acero de ¼” perforada en frío
con agujeros correspondientes al diámetro de las mangas (300mm) con espacio de 5 cm
entre cada agujero.
Las perforaciones se realizan con una precisión de 0.001” para que la manga haga un
sello perfecto y se evite la fuga de material particulado a la atmósfera. Los filtros están
cerrados en el fondo, abiertos en la parte superior, el gas contaminado fluye de afuera
hacia adentro de las bolsas y luego hacia fuera por el escape de gas, las partículas son
retenidas en el exterior de las bolsas y al activarse el sistema de limpieza caen hacia la
tolva ubicada en la parte inferior del filtro.
117
Número de Válvulas: las válvulas serán las encargadas de suministrar el aire de los
disparos para realizar la limpieza del filtro, el número de válvulas requeridas se obtiene de
la ecuación:
válvulasngasNúmerodemaNválvulas 206.1926
51026
==== (14)
Sistema de aire comprimido. Este sistema consta de un portaválvulas, válvulas de alto
flujo y cajas multiválvulas de control, tubos de pulsión o flautas (Bowpipe) y pasamuros,
unidad de mantenimiento para aire comprimido con: transmisor de presión, filtro con
purga automática, llave de paso, acople rápido para aire, manómetro y válvula de
seguridad, conectores de acople rápido y mangueras en poliamida, tubería con diámetro
de 1” para la entrada principal del aire y para la conexión entre tanques, separador de
aceites y humedad para corregir los posibles remanentes de estos en el aire de limpieza.
El tiempo de propulsión será de 0.05 segundos y una a una presión de 80 psig. En el
Anexo H se encuentran los esquemas del diseño del Filtro de Mangas seleccionado.
Chimenea. Para el desfogue de las emisiones del Filtro de Mangas se requiere de un
conducto que cumpla con los parámetros exigidos en el Decreto 02/82, de acuerdo con la
norma de emisión calculada, la altura mínima de descarga debe ser de 20 m.
Cálculo del Diámetro de la Chimenea: se diseñó una chimenea con sección transversal
circular, aplicando la fórmula del diámetro del conducto:
2/1
128.1 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
c
cS u
QD 1320 (15)
13 EPA, Sección 2 “Equipo Genérico y Dispositivos. Capítulo 1 Campanas, Ductos y Chimeneas. Pag 1-39
118
Donde: uc = Velocidad de salida de la chimenea (m/s)
Qc = Caudal de salida
Para optimizar el diseño de la chimenea, la velocidad de salida del gas tratado debe ser
1.5 veces la velocidad del viento, suponiendo esta de 10 m/s a una altura de 15 metros,
entonces:
smuc /10*5.1= (13) smuc /15=
Sustituyendo este valor
2/13
/15/6.32128.1 ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
smsmDs
mDs 66.1=
Altura de la Chimenea: el filtro de mangas diseñado se encuentra sobre una plataforma
que está a 12 m del nivel del piso, para esto la altura para ducto de la chimenea es de 8
metros.
Eficiencia: las eficiencias típicas de diseño en equipo nuevos están del 99 al 99.9%. Sin
embargo estos valores dependen de factores como la velocidad de filtración del gas, las
características de las partículas, las características de la tela y el mecanismo de limpieza.
La eficiencia de recolección aumenta al incrementar las velocidades de filtración y el
tamaño de las partículas. A diferencia de otros sistemas de control la eficiencia de
recolección del filtro de mantas a un tiempo determinado siempre está cambiando. Cada
ciclo de limpieza remueve al menos parte de la plasta de polvo y afloja las partículas que
permanecen en el filtro. Cuando se reinicia la filtración, la capacidad de filtrado ha sido
disminuida, porque se ha perdido parte de la capa de polvo y las partículas sueltas son
forzadas a través del filtro por el flujo del gas.
119
A medida que se capturan más partículas, la eficiencia aumenta hasta el siguiente ciclo de
limpieza. Las eficiencias promedio de recolección de los filtros de tela, se determinan
usualmente por pruebas que abarcan un número de ciclos de limpieza a carga de entrada
constante. Cuando se diseñan sistemas como este, al realizar su montaje se debe
verificar la eficiencia de recolección real; para este diseño se asumió una eficiencia de
96% tendiendo en cuenta que en proceso de fundición la eficiencia de los filtros para
remoción de partículas menores a 10 micras varía entre el 91% – 98 %.
4.7 COMPARACIÓN CON LA NORMA DE EMISIÓN DE PARTÍCULAS
Como se mostró en el cálculo del numeral 3.6, la norma de emisión que debe cumplirse
para el proceso es de 0.54 Kg partículas / Tonelada es decir, 0.945 Kg/hora. Con la
eficiencia obtenida para el ciclón se logra una emisión de partículas de 2.156 Kg/h, sin
embargo la remoción de partículas que ocurre dentro del filtro de mangas permite
garantizar el cumplimiento de la norma de emisión con un valor de 0.0862 Kg/h.
Se observa de esta forma que la implementación del Sistema de Control seleccionado
representa aspectos favorables para la empresa, ya que se garantiza el cumplimiento de
la normatividad facilitando la obtención del permiso de emisión.
120
5. EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE
CONTROL DE EMISIONES DE PARTÍCULAS
Para el cálculo de los costos de implementación del sistema diseñado para el control de
las emisiones se tomó como referencia el Manual de Costos de Control de la
contaminación (EPA, 1996), cuyos costos y metodología de estimaciones están dirigidos
hacia la estimación con un ± 30% de exactitud.
Se estimaron las dos clases generales de costos, que son :
• Inversión de capital total (ICT)
• Costo total anual (CTA), que se compone de tres elementos: costos directos (direct
costs - DC), costos indirectos (indirect costs - IC), y créditos de recuperación (recovery
credits - RC), los cuales están relacionados por la siguiente ecuación:
TAC = DC + IC - RC 1421 (14)
Para nuestro caso el RC es de cero ya que el material que se recupera no será reutilizado
en el proceso como materia prima o vendido a terceros.
5.1 CAMPANAS Para determinar el precio de las campanas se hizo la correlación con diseño el del
tamaño, a través de regresión de mínimos cuadrados.
14MANUAL DE COSTOS. Seccion 1 Capitulo 2 Estimación de Costos: Conceptos y Metodología Ecuacion 2.1
121
Cuadro 21. Características de los Sistemas de Captación
ESPECIFICACIONES Tipo de Campana Cantidad Características de la Campana Toldo Circular 2 D = 1.6 m Toldo Circular 2 D = 1.2 m Toldo Rectangular 1 2.5*1.5 m
Fuente Los Autores 2004
El material de fabricación es Acero Inoxidable, su costo se calcula con la siguiente fórmula
baAfCh = (15)
donde:
C h = costo de la campana ($)
a,b = parámetros de la ecuación de regresión
Tabla 6. Parámetros para la Ecuación de Costos de la Campana
Parámetro de la Ecuación Tipo de Campana
Material de Fabricación a b
Rango de la Ecuación ft2
Succión Trasera (Ranurada)
Acero Galvanizado
688 0.687 0.5-1.3
Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)
Debido a que no se encuentra campana tipo toldo circular o toldo rectangular elaboradas
en acero inoxidable se tomaran como referencia los datos como si fuera de succión
trasera (ranurada), en acero galvanizado como se muestra en la Tabla 6.
Entonces:
a= 688 , b= 0.687
687.0688AfCh =
122
De acuerdo con la ecuación anterior, para cada una de las áreas de las campanas
diseñadas, existe su respectivo costo el cual se encuentra en la Tabla 7.
Tabla 7. Costos de las Campanas
Fuente Los Autores 2004
El Costo Total de las 5 campanas construidas en acero inoxidable es de $27638.25 (este
valor no incluye fletes ni impuestos).
5.2 SISTEMA DE CONDUCTOS
5.2.1 Sistema de Conductos Rectos. De la información mostrada en la Tabla 6, se
seleccionaron los parámetros de la ecuación para conductos circulares en hoja de acero
inoxidable ensamblado longitudinalmente
Tabla 8. Parámetros para la Ecuación de Costos de un Conducto Recto
Parámetro de Ecuación
Tipo de Conducto
Material del
Aislante
Espesor Aislante
Tipo de Ecuación
A B
Rango de la
Ecuación Circular
Longitudinal SHEET-304SS
NINGUNO FUNCIÓN 2.98 0.930 6 - 84
Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)
AREA DE LA CARA DE LA CAMPANA (Af,ft2)
COSTO DE LA CAMPANA (Ch )
21.65 5689.16 21.65 5689.16 12.19 3834.18 12.19 3834.18 39.45 8591.57
TOTAL 27638.25
123
Por lo tanto: a= 2.98 y b= 0.930
93.098.2$Re Diin
ctonductoCostodelCo =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ (16)
Tabla 9. Costos de los Conductos Rectos
Diámetro interno de tubería (in)
Costo del Conducto recto
($/ft) Longitud
(ft) Costo del Conducto Recto
($) (longitud * costo del conducto recto)
24,84 59,11 18,04 1066,34 35,4 82,18 45,93 3774,53
23,64 56,45 18,04 1018,36 39,36 90,70 10,83 982,28 21,6 51,91 18,04 936,46
46,44 105,78 83,66 8849,55 46,44 105,78 62,34 6594,33 25,56 60,70 19,69 1195,18 25,56 60,70 18,04 1095,03 27,6 65,20 18,04 1176,21 27,6 65,20 22,31 1454,61
Total 28142,88 Fuente Los Autores 2004
El costo Total de la Tubería recta construida en lámina de Acero Inoxidable es de
$28142.88
5.2.2 Codos. Para establecer el costo de los codos y demás accesorios de la tubería se
tomaron como referencia los valores encontrados en la Tabla 10, seleccionando los
parámetros de la ecuación para codos de acero galvanizado.
Tabla 10. Parámetros para la ecuación de Costo de Codos
Parámetro de la Ecuación Accesorios de Instalación de
Conductos Material Tipo de
Ecuación a b Rango de la
Ecuación
Codos Al 304 Exponencial 74.2 0.0668 6-60 Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)
124
Entonces: a= 30.4 y b= 0.0594
xDiedoCostodelCo 0594.04.30($) = (17)
Tabla 11. Costo de Codos
Diámetro (in) Costo codo ($)
24,84 132,94 25,56 138,75 25,56 138,75 35,4 248,93
23,64 123,79 21,6 109,67 27,6 156,63 27,6 156,63
46,44 473,61 Total 1679,7
Fuente Los Autores 2004
El Costo Total de los nueve codos existentes en el sistema de Conductos, construidos en
Acero Inoxidable es de $1679,7; de esta forma el costo total del sistema de conductos
será igual a la suma del costo del conducto recto mas el costo total de codos.
Costo Total = $28142,88 + $1679,7 = $29.822,58
5.3 CHIMENEA
Para calcular el costo de la chimenea se trabajó con las ecuaciones de la Tabla 12.
Teniendo en cuenta que al gas que sale del filtro de mangas se le han retirado las
partículas contaminantes, se puede utilizar como material de construcción para la
chimenea el Acero al Carbón ya que es mas económico que el acero inoxidable.
125
Tabla 12. Parámetros para la Ecuación de Costos de la Chimenea
Parámetros de la Ecuación Rango de la Ecuación Material a b Ds (in) Hs (ft)
Placa de Acero Recubierta 3.74 1.16 6-84 20-100
Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)
Su cálculo se presenta con la siguiente ecuación:
sb
s HinDaChimeneaCosto *),(*= (18)
a = 3.74
b = 1.16
Ds = 65.35 in
Hs = 0.3048 ft
Reemplazando:
ftft
ChimeneaCosto 3048.0*$)35.65(*74.3 16.1⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
40.145$=ChimeneaCosto 5.4 COSTO TOTAL DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN
El costo del equipo comprado es la suma de los costos las campanas, sistemas de
conductos y chimeneas, impuestos y fletes.
( ) ( )TTTT ECECECPEC 05.003.0 ++= (19)
126
Donde,
ECT = Costo total de las campanas, sistema(s) de conductos y chimenea(s)
40.145$58.29822$25.27638$ ++=TEC
23.57606$=TEC
Reemplazando tenemos:
( ) ( )23.5760605.023.5760603.023.57606 ++=TPEC
73.62214$=TPEC
5.5 FILTRO DE MANGAS
En principio debe utilizarse el área neta obtenida en el cálculo de filtro de mangas, en pies
cuadrados:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= 22
22
3048.01*11.719
mftmAn (20)
244.7740 ftAn =
Con este valor, la ecuación correspondiente para el cálculo del costo de la estructura del
Filtro de Mangas es
)(163.7307.2 AnCosto += 1522 (21)
15 EPA, Sección 6 “Controles de Material Particulado” Capítulo 1 Filtros y casas de Bolsas p 1-51
127
Reemplazando tenemos:
07.55447$)44.7740(*163.7307.2 2
=+=
CostoftCosto
Debido a que se requiere que el filtro sea construido en Acero Inoxidable, se calculó el
Costo Adicional (corregido) con la siguiente ecuación
6.22760$)44.7740(*94.2696.3
)(904.2969.32
=+=
+=
CostoftCosto
AnCosto (22)
5.5.1 Costo de la Tela. El costo de la tela seleccionada para la elaboración de las
mangas se obtuvo a partir de los datos encontrados en el Cuadro 26 el cual presenta los
costos de los diferentes tipos de tela por ft2 para el segundo trimestre de 1998; se calculó
que el costo de la bolsa de 16 onzas de Poliéster es de $0.75 por pie cuadrado (para
bolsas removidas por la parte superior)
Tabla 13. Costo de Materiales de Mangas
Forma de Limpieza Diámetro de Mangas (in) Tipo de Material (PE) Jet Pulse 4.5 – 5 1/8 0.75
Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)
El Costo Total de las Mangas es:
33.5805$/$75.0*44.7740
)/($cos*22
2
==
=
CostoftftCosto
ftbolsaladetoAnCosto (23)
En la Tabla 14, se encuentran contemplados los costos totales del sistema de control
diseñado
128
Tabla 14. Resultados de los Costos obtenidos para el Sistema de Control
ARTICULO DE COSTO COSTO
Costos Directos – DC Costos del Equipo Adquirido
Filtro de Tela (en acero inoxidable) Bolsas Equipo Auxiliar (sin impuestos, fletes)
Suma = A
Instrumentación, 0.1A Impuesto Sobre la Venta,003A Transporte, 005A
Costos del Equipo Adquirido, B
Costos de la Instalación Directa Cimientos y Soportes, 0.04B Manejo y Erección, 0.50B Sistema Eléctrico, 0.08B Tubería, 0.01B Pintura, 0.04B
Costo de Instalación Directa
Costo Directo Total - DC Costos Indirectos (Instalación)
Ingeniería, 0.10B Gatos de Construcción y de Campo, 0.20B Inicio de la Obra, 0.01B Prueba de Rendimiento, 0.01B Contingencias, 0.03B
Costo Indirecto Total – IC
Inversión de Capital Total TCI
$78207.67 $5805.33
$57606.23 $141619.23
$14161.92 $4248.58 $7080.96
$25491.46
$1019.66 $12745.73 $2039.32 $254.91
$1019.66 $17079.28 ________
$184189.97
$2549.15 $5098.29 $254.91 $254.91 $764.74 $8922
-
-------------- $193112
Fuente Los Autores 2004
129
CONCLUSIONES
Entre las fuentes de emisión existentes en la empresa, se identificaron como
representativas y objeto principal de control ambiental aquellas en donde se generan
grandes cantidades de partículas y que además no cuentan con algún sistema de control,
como ocurre en los hornos de inducción y el área de desmoldeo en el Sistema 1.
El resultado de la emisión calculada para el área de terminado indicó una cantidad de
351.23 Kg PST/día, mayor a las demás fuentes de emisión, sin embargo, debe tenerse en
cuenta que el único factor encontrado para estimar las emisiones en esta etapa del
proceso fue para casos en los que no existe sistema de control, diferente a lo que ocurre
en Fundicom S.A. ya que ambas granalladoras cuentan con su filtro de mangas
independiente que contribuyen a reducir la cantidad de partículas emitidas al ambiente.
Según el diagnóstico realizado se evidenció que el sistema de captación existente para
los silos de arena y el ducto en desmoldeo no fueron instalados teniendo en cuenta las
características y cantidad de emisiones generadas ya que no logran capturar las
partículas que se generan en cada una de las fuentes, se presenta frecuente desgaste por
la abrasión del material transportado ocasionando fugas en algunos tramos y reduciendo
la cantidad de polvo que llega a retenerse en el filtro de mangas.
La identificación del sistema de control óptimo para las emisiones de partículas en el
proceso, compuesto por un ciclón y un filtro de mangas, se realizó evaluando los equipos
que pueden tratar el tipo de emisiones generadas identificando sus eficiencias,
condiciones de operación y requerimientos técnicos, con el fin de garantizar su
rendimiento y posibilidades de instalación en la empresa.
130
Entre la variedad de sistemas de control existentes se seleccionó diseñar un sistema con
tratamiento preliminar y primario, constituido por un ciclón y un filtro de mangas,
garantizando de esta forma una remoción de partículas superior al 99% y el cumplimiento
de la norma de emisión establecida por el Decreto 02 de 1982; de esta manera la
empresa Fundicom S.A. podrá una vez montado el sistema de control, solicitar ante la
Corporación Autónoma Regional CAR, la expedición del permiso de emisiones
atmosféricas.
Los costos estimados del Sistema de Control de Emisiones escogido, es del orden de los
$192.000 dólares, valor considerable para el presupuesto de la empresa, pero que le evita
intervenciones, sanciones y multas por parte de la autoridad ambiental.
Debido a que no siempre los sistemas de captación encontrados en el mercado se
adaptan a las condiciones operativas de cada proceso, debe considerarse variar un poco
las alternativas existentes para lograr una captura eficiente de las partículas sin
obstaculizar actividades del proceso y requerir cambios significativos en las instalaciones
de la empresa.
Es importante garantizar que se mantenga la velocidad mínima dentro de los conductos
para evitar que se presente colmatación de las partículas y garantizar la llegada del gas a
limpiar al sistema de control
131
RECOMENDACIONES
• Una vez instalado el sistema de control, debe evaluarse la posibilidad de un
cerramiento parcial de las puertas laterales a los hornos, con el fin de evitar al
máximo las corrientes de aire y lograr mayor retención de partículas por los
dispositivos de captura.
• Realizar inspección periódica del sistema de conductos existente para los silos de
arena con el fin de evitar la colmatación de partículas por periodos en los que se
suspenda el sistema de succión.
• Verificar la correcta instalación del filtro de Mangas diseñado, la cual debe
realizarse por personal especializado para cumplir con las especificaciones
planteadas en el diseño.
• Realizar inspección quincenal del funcionamiento de los sistemas de control y
programar un mantenimiento preventivo semestral verificando el funcionamiento
de las válvulas, el temporizador de los disparos de aire y el sistema de ventilación
con el fin de garantizar su rendimiento.
• Debe programarse y ejecutarse la reparación de las bandas transportadoras que
por su vibración y/o desgaste generan dispersión de material particulado por la
caída de arena en algunos puntos de la planta.
• Se recomienda realizar un mantenimiento general a los filtros de las granalladoras
y construir los ductos de desfogue a cada una. Por otra parte debe evitarse saturar
las granalladoras con largas jornadas de trabajo y sobrepasando la capacidad de
cada una con el fin de evitar el deterioro de sus componentes.
132
• Los sistemas de recolección del polvo retenido en las tolvas de los filtros deben
desocuparse para evitar el paso de partículas grandes hacia el filtro de mangas y
la saturación de los sistemas con el material recolectado.
• Una vez construido el filtro de mangas, es conveniente realizar un muestreo
isocinético en el ducto de salida para verificar y estandarizar la eficiencia de
recolección de partículas del filtro y corroborar el cumplimiento de la norma de
emisión.
• Es indispensable establecer procedimientos internos con el fin de implementar
buenas prácticas operacionales para el control en la recepción y la inspección de
materia prima y evitar el cargue de material contaminado a los hornos de fusión.
• Debe evaluarse la posibilidad de aprovechar el residuo generado en el filtro de
mangas como abono orgánico o materia prima en otro proceso productivo.
• Garantizar el tiempo de escurrimiento de la viruta que se compacta para forma
briquetas de hierro, ya que es uno de los materiales que genera más emisiones
durante la fusión.
133
BIBLIOGRAFÍA
• AGUDELO, Carlos. Evaluación de Alternativas para el Control de la Contaminación
del Aire por procesos Industriales. Colombia, 1982. 56-66p
• APARICIO MUÑOZ, Miguel. Guía par la prevención y control del polvo en
Canteras y Graveras. Madrid : Entrono Gráfico, 1999. 148 p.
• ASOCIACIÓNCOLOMBIAN DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL,
Seminario internacional Sobre Control de Contaminación Atmosférica. Cali,
Colombia 1989. 502p.
• BATURIN, V.V. Fundamentos de Ventilación Industrial. Barcelona : Ed Labor,
1976. 647 p.
• DE NEVERS, Noel. Ingeniería de Controlde la Contaminaciónd el Aire. México :
Mc Graw Hill, 19983 546 p.
• ENIVORNMENTAL PROTECTIO AGENCY. Manual De Costos de Control de la
Contaminación del Aire. (On Line). 6 Ed. [EEUU] : EPA, Junio de 2002. Disponible
en CICA Centro para el Control de la Contaminación Ambiental
• INSTITUTO COLOMBIANO D ENORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN
ICONTEC. Normas Técnicas Colombianas Sobre Documentación. Tesis y Otros
Trabajos de Grado. 2004 . 34p.
• INSTITUTO GEOGRÁFICO AGUSTÍN CODAZZI. Estudios Meteorológicos.
Colombia 1980.
134
• KENNET W. WHITTEN, Rayman E Davis, Qu{imica General. M{exico Mc Graw Hill
Tercera Edición. Abril 1997, 650 p.
• MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE. Decreto 948 de 5 de Junio de 1995.
Colombia.
• MNISTERIO DE SALUD. Decreto 02 de 11 Enero de 1982. 60 p.
• QUINCHÍA, Roberto. Ventilación Industrial. Medellín, INGEAIRE, 1995. 314 p.
• SERWAY, Raymond. Física. Tomo I México. 4° Edición. Mc Graw-Hill. 1997. 645p.
• VIVIES ESCUDERO, José. Instalaciones de Acondicionamiento de Aire. Madrid :
Ed Reverté. 1983. 615 p.
• WOODARD, Mr Kenneth. Documento de Técnicas de Control de Material
Particulada Fina Proveniente de Fuentes Estacionarias. Octubre de 1998.
• w.w.w. epa.gov
• www.diquima.upm.es/investigación/proyectos/chevic/catalogo/CICLONES/PAG8.ht
m
135
136
ANEXO A FICHAS TECNICAS: PRINCIPALES MATERIAS
PRIMAS E INSUMOS DEL PROCESO DE FUNDICIÓN
137
ANEXO B LISTA DE CHEQUEO
METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
138
FORMATO PARA RECOLECCIÓN PRELIMINAR DE INFORMACIÓN OBJETIVO Realizar la recolección preliminar de información para identificar el nivel de conocimiento
de la empresa sobre las emisiones atmosféricas que se generan en el proceso, sus
características y sus principales fuentes generación.
INFORMACIÓN GENERAL DE LA EMPRESA
Nombre o Razón Social Actividad industrial: CIIU: Productos principales: Numero de Empleados: Número de Turnos / día: Responsable de la Gestión Ambiental:
LOCALIZACIÓN Municipio: Departamento Coordenadas de Localización: Longitud (GMS): Latitud (GMS): Altura Sobre el Nivel del mar: Dirección: Área del Predio: Área de la Edificación Dedicada a la Actividad Productiva: Indicar la Zona donce se ubica la Empresa: __ Residencial __ Industrial __ Semi-Industrial __ Parque Industrial
__ Zona Franca __ Comercial __ Sub-Urbana __ Rural
Describir Que Rodea a su Empresa: __ Casas Residenciales __ Zonas Agropecuarias __ Monumentos Históricos __ Ríos, Lagunas, Lagos, otros Cuerpos de Agua
__ Empresas de Actividad Industrial o de Servicios __ Reservas Naturales __ Vías de Comunicación __ Otros Especifique:_______________
Observaciones:
139
RECOLECCIÒN DE INFORMACIÓN PRELIMINAR EMISIONES ATMOSFÉRICAS EMPRESA ACTIVIDAD
I. IDENTIFICACIÓN DE FUENTES DE EMISION Pregunta No Mi Pa Su To Observaciones
1. ¿Tiene identificadas en el proceso las fuentes de emisión a la atmósfera?
2. ¿Se han realizado monitoreos a las fuentes de emisión presentes en el proceso?
3. ¿Tienen registros de los monitoreos realizados?
4. ¿Permanecen las mismas operaciones del proceso desde la realización del último monitoreo?
5. ¿Se han realizado mediciones con los cambios que se le han hecho a las operaciones del proceso?
6. ¿Existe algún periodo establecido para realizar muestreos de aire?
7. ¿Cuenta con información del funcionamiento de los hornos de inducción?
8. ¿Se lleva control de la entrada de materias primas e insumos para cada proceso?
II. EQUIPOS DE CONTROL 1. ¿Existen equipos de control para las emisiones del proceso?
2. ¿Existen ductos y/o campanas para la conducción de las emisiones generadas?
3. ¿Se realizan revisiones periódicas del funcionamiento de los equipos de control?
4. ¿Tiene información de las características de los dispositivos de control existentes?
5. ¿Cuentan con información de los ductos existentes?
6. ¿Están funcionando los equipos de control?
7. ¿Se registran las fallas presentadas en el funcionamiento de los equipos de control?
8. ¿La empresa cuenta con personal capacitado para inspeccionar el
140
funcionamiento de ductos y equipos de control? 9. ¿Se supervisa la eficiencia de los sistemas de control existentes?
10. ¿Se consideró algún parámetro de diseño para la selección de los equipos de control existentes?
11. ¿Se realizan mediciones para seleccionar los equipos de control?
III. MEJORAMIENTO AMBIENTAL 1. ¿Se tiene planeado realizar algún estudio de emisiones para este año?
2. ¿La empresa planea cambiar e incluir maquinaria al proceso?
3.¿ Se tiene destinado algún capital para el mejoramiento ambiental de la empresa?
4. ¿Identifica nombres de equipos y/o proveedores para equipos de control de emisiones?
5. ¿Ha hecho cotizaciones para la adquisición de equipos de control?
6. ¿Se ha considerado adquirir nuevos equipos de control?
IV. CUMPLIMIENTO LEGAL 1. ¿La empresa cuenta con permiso de emisiones vigente?
2. ¿Existen requerimientos de la autoridad ambiental para el control de emisiones?
3. ¿Conocen los parámetros que deben cumplir en materia de emisiones?
4. ¿Se han comparado los resultados de los monitoreos con las normas ambientales?
V. ASPECTO SOCIAL 1. ¿Registra posibles quejas o reclamos por parte de la comunidad por culpa de las emisiones del proceso? Se han presentado?
2. ¿Cuenta con concepto de uso del suelo de la localización del predio?
3. ¿Identifica la existencia de enfermedades profesionales de algún funcionario por causa de las emisiones atmosféricas?
141
Criterios de Calificación
• Existen cinco (5) posibles respuestas para cada pregunta. Se elegirá la respuesta que más corresponda a la información disponible en la empresa y al conocimiento actual de los procesos que generan emisiones.
No La empresa no ha considerado el tema o no
tiene información al respecto. Mínimamente Muy pocas características del tema han sido
establecidas e implementadas en la planta. Parcialmente Algunas características del tema han sido
establecidas e implementadas en la planta Sustancialmente Se ha considerado o instalado la mayoría de las
características del tema Totalmente Se considera que la planta aplica a cabalidad
todas las características del tema. Tema: Hace alusión al asunto de que trata la pregunta del cuestionario.
• El cuestionario utiliza un total de 32 preguntas, cada una con un puntaje máximo de 12 puntos. Por cada aspecto a evaluar se tendrá un puntaje máximo de calificación.
No 0 Mínimamente 3 Parcialmente 6 Sustancialmente 9 Totalmente 12
• Se determinará una calificación porcentual con base en los resultados obtenidos al diligenciar la lista de chequeo, para esto se sumará el total de puntos obtenidos en cada aspecto, se divide sobre el puntaje máximo y se multiplica por 100.
ASPECTO PUNTAJE MÁXIMO
I. Identificación de Fuentes de Emisión 96 II. Equipos de Control 132 III. Mejoramiento Ambiental 72 III. Cumplimiento Legal 48 IV. Aspecto Social 36
142
ANEXO C DIAGRAMAS DE FLUJO DEL PROCESO DE
FUNDICIÓN
VACIADO
VACIADO
ZARANDA
ZARANDA
SISTEMA 2
SISTEMA 1PIEZAS
FUNDIDAS
PIEZAS FUNDIDAS
GRANALLADORA TOSCA GRANALLADORA DE TUNEL
Piezas Terminadas
ESMERILES
MOLINO
SILOS DE ARENA
SHELL
FUNDICOM S.A.FUNDICOM S.A.PLANTA DE FUNDICIÓN
PST
PST
PST
PSTPST
PST PST
PST
HORNO DE INDUCCIÓN
2 TON
HORNO DE INDUCCIÓN
8 TON
TORRE DE ENFRIAMIENTO
180 GAL/MIN
TORRE DE ENFRIAMIENTO
130 GAL/MIN
Vapor de Agua
Vapor de Agua
PST Humos Metálicos
PST Humos Metálicos
VACIADO
VACIADO
ZARANDA
ZARANDA
SISTEMA 2
SISTEMA 1
PIEZAS FUNDIDAS
GRANALLADORA TOSCA GRANALLADORA DE TUNEL
Piezas Terminadas
ESMERILES
MOLINO
SILOS DE ARENA
SHELL
FUNDICOM S.A.FUNDICOM S.A.PLANTA DE FUNDICIÓN
PST
PST
PST
PSTPST
PST PST
PST
PIEZAS FUNDIDAS
HORNO DE INDUCCIÓN
2 TON
HORNO DE INDUCCIÓN
8 TON
TORRE DE ENFRIAMIENTO
180 GAL/MIN
TORRE DE ENFRIAMIENTO
130 GAL/MIN
Vapor de Agua
Vapor de Agua
PST Humos Metálicos
PST Humos Metálicos
SISTEMAS DE CONTROL EXISTENTES EN EL PROCESO
143
ANEXO D FILTRO DE MANGAS SILOS DE ARENA
0.8 m
0.89m
0.69 m
1.10 m
2.23 m
0.15 m
Angulo de 45ª
0.13 m
ø =1 ½ “
0.11 m
0.06 m
VISTA SUPERIOR
SALIDA DE AIRE FILTRADO
ENTRADA DE AIRE CONTAMINADO
SALIDA DE AIRE FILTRADO
ø =1 ½ “
MANGAS
MODELO IFM-36V-1500SERIE 36 VMANGAS TIPO PLANA 500X1500ÁREA DE FILTRACIÓN 44 m2
CAPACIDAD CFM 5000
144
ANEXO E CARACTERÍSTICAS DE CONDUCTOS EN
SILOS DE ARENA
145
CARACTERÍSTICAS DE CONDUCTOS EN SILOS DE ARENA
Figura Sistema de Conductos Molino de 850 Kg
2.0 m
FILTRO DE MANGAS
4.21 m
3.02 m
MOLINO 850 Kg
0.6 m
Diámetro: 36 cm Longitud Total: 9.83 m Material: Lámina de Acero
146
Figura Sistema de Conductos Molino de 200 Kg p
4.21 m
4.05 m
5.02 m
MOLINO 200 Kg
FILTRO DE MANGAS
0.6 m
Diámetro: 36 cm Longitud Total: 13.88 m Material: Lámina de Acero
147
ANEXO F DISEÑO SISTEMAS DE CAPTACIÓN
148
DISEÑO DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN CAMPANAS DE ASPIRACIÓN Para el diseño del sistema de captación es indispensable tener un conocimiento mínimo
del proceso o de la operación a controlar, ya que de acuerdo con esto, se determinará el
volumen mínimo que debe ser aspirado para que la captación sea efectiva.
De acuerdo con lo anterior la forma de la campana está sujeta al a forma de la fuente y a
las facilidades de su instalación. Para el diseño de la campana se debe calcular en
primera instancia el caudal de aspiración el cual esta dado por las siguientes ecuaciones
de acuerdo con los diferentes tipos de campana existentes:
Tabla Ecuaciones de Diseño para Tipos de Campanas Seleccionadas
TIPO DE CAMPANA ECUACIÓN DE DISEÑO Extremo de conducto (redondo) Q = 4 x2 Uc Extremo de conducto con brida (redondo) Q = 2 x2Uc Campa de ranura sin soporte Q = 2 x L Uc Campana Ahusada Q = 2 x Uc Campa a de cabina conducto de salida ahusado Q = Uf Ah Campa de Toldo (receptoras o pasivas) Q = 1.4 P x Uc Campana de toldo c/inserto Q = 1.4 P x Uc Campana de Tanque hondo Q = 125 At Campana de Cabina de Pintura Q = 100 Ab
Fuente : EPA-CICA (Centro de Información de Calidad del Aire) Q = Razón de flujo aspirado hacia dentro de la campana Uc = Velocidad de Captura de la campana x = Distancia de la Campana a la Fuente L = Ancho de la ranura de la campana Ah = Área de la cara de la campana Uf = Velocidad en la cara de la campana P = Perímetro de la fuente At = Área superficial del tanque Ab = Área de la sección transversal de la cabina
En general Q es función de la Velocidad de Captura (Uc), sin embargo en campanas de
cabina, la velocidad de diseño es la velocidad en la cara de la campana (Uf), en el caso
149
de campanas ranuradas con tiro lateral y con tiro posterior la velocidad de ranura es la
velocidad de diseño.
Luego de determinar la ecuación correspondiente para el tipo de campana selecionado,
debe estimarse la velocidad de captura requerida en el sistema la cual esta determinada
por las caracteristicas de la fuente y la forma de la campana. Según el tipo de campana la
velocidad de diseño será la de captura, de cara o facial y de ranura:
Velocidad de Captura: Es la velocidad del aire inducida por la campana para capturar
los contaminantes emitidos a alguna distancia de la entrada de la campana.
Velocidad de Cara o Facial: Es la velocidad promedio del aire pasanto a traves de la
entrada de la campana (cara).
Velocidad de Ranura: el la velocidad promedo a través de las aberturas de las
ranuras.
Los valores de velocidad de captura seleccionados en los diseños se obtuvieron de las
siguientes tablas:
Tabla Velocidades de Diseño de las Campanas OPERACIÓN/ TIPO DE
CAMPANA TIPO DE
VELOCIDAD RANGO DE VELOCIDAD
(M/S) Tanques, Desengradado Captura 0.25 – 0.50 Horno de Secado Facial 0.38 – 0.64 Cabina de Aspersión Captura 0.51 – 1.02 Cabina de Toldo Captura 1.02 – 2.54 Esmerilado, limpieza Abrasiva Captura 2.54 – 10.16 Campana de Ranura Fanura 10.16
Fuente EPA-CICA (Centro de Información de Calidad del Aire)
Por otra parte, cuando se cuenta con mayor información de la fuente y la dispersión de los
contaminantes, la velocidad se puede estimar según la siguiente Tabla:
150
Tabla Valores Recomendados para Velocidades de Captura CONDICIONES DE DISPERSIÓN DEL CONTAMINANTE
EJEMPLO VELOCIDAD DE CAPTURA (m/s)
Liberación con valocida nula y aire quieto
Evaporaciónde tanques, desengrase
0.25 – 0.5
Liberación con baja velocidad en aire con movimiento moderado
Soldadura, baños electrolíticos decapado, cabinas de pintura, transferencia entre cintas transportadoras a baja velocidad.
0.5 – 1
Generación activa en una zona de rápido movimiento de aire
Cabinas de pintura poco profundas, llenado de barriles, carga de cintas trasnportadoras, trituradoras
1 – 2.5
Liberación a alta velociad dinicial en zona de movimiento de aire muy rápido
Desmoldado en fundidoras, Esmerilado 2.5 – 10
Fuente Ventilación Industrial, Quinchía Roberto 1995.
En este caso para seleccionar el intervalo mayor o menor se deben tener en cuenta los
siguientes criterios:
INTERVALO MAYOR: Si existen corrientes de aire en el local, contaminación de baja
toxicidad, operaciones intermitentes, campanas grandes y caudales altos.
INTERVALO MENOR: Corrientes Turbulentas en el local, contaminantes de alta toxicidad,
operaciones continuas, campanas de pequeño tamaño.
En el momento que el gas es capturado por la campana, se genera una pérdida de
energía mecánica debido a la fricción. Este factor de pérdida de la campana varía según
la forma de la campana; su variación puede ser desde 0.04 para campanas receptoras
hasta 1.78 para campanas ranuradas.
Las pérdidas de carga a las entrada se obtuvieron como se muestra a continuación según
el ángulo seleccionado para la campana.
151
Tabla Pérdidas de Carga a la Entrada de las Campanas
PERDIDAS A LA ENTRADA COEFICIENTE DE ENTRADA ANGULO CIRCULAR RECTANGULAR CIRCULAR RECTANGULAR
15° 0.15 PV 0.25 PV 0.93 PV 0.89 PV 30° 0.08 PV 0.16 PV 0.96 PV 0.93 PV 45° 0.06 PV 0.15 PV 0.97 PV 0.93 PV 60° 0.08 PV 0.17 PV 0.96 PV 0.93 PV 90° 0.15 PV 0.25 PV 0.93 PV 0.89 PV
120° 0.26 PV 0.35 PV 0.89 PV 0.86 PV 150° 0.4 PV 0.48 PV 0.84 PV 0.82 PV
Fuente Ventilación, Quinchía Roberto 1995
152
DISEÑO DE SISTEMAS DE CONDUCCIÓN
SISTEMAS DE CONDUCCIÓN Uno de los parámetros importantes en el diseño de los conductos es la velocidad mínima
de transporte la cual se obtuvo de acuerdo con el tipo de emisión que se genera. Los
valores recomendados se muestran en la siguiente Tabla:
Tabla Velocidad Mínima en el Conducto para Materiales Selectos.
MATERIAL VELOCIDAD DE TRANSPORTE MÍNIMA (m/s)
Polvo de Aluminio 20.32 Polvo de Taladrar Hierro Fundido 20.32 Polvo de Arcilla 17.78 Polvo de Carbón (Pulverizado) 20.32 Polvo de granos 12.7 – 15.24 Polvo de Plomo 20.32 Polvo de Caliza 17.78 Polvo de Magnesio (grueso) 20.32 Rebabas de Metal 20.32-25.4 Polvo de Sílice 17.78-22.86 Polvo de almidón 15.24 Polvo de Piedra 17.78 Fuente : EPA-CICA (Centro de Información de Calidad del Aire)
Para determinar el tipo de conducto que transportará las emisiones hasta el sistema de
tratamiento, debe tenerse en cuenta el tipo de sustancia como se muestra a continuación:
Tabla Clasificación del Sistema de Extracción
CLASE PRESTACIÓN CARACTERÍSTICAS I Baja Aplicaciones no Abrasivas II Media Partículas moderadamente Abrasivas a bajas
concentraciones III Alta Partículas altamente abrasivas a bajas concentraciones IV Muy Alta Partículas altamente abrasivas a concentraciones
elevadas. Fuente: Ventilación Industrial, Quinchía Roberto 1995
153
CALCULOS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE CONDUCCIÓN
Las conducciones de aire no siempre se componen de tramos rectilíneos sino que a
menudo se presentan accidentes en su trayectoria que obligan al uso de codos,
desviaciones, entradas, salidas, obstáculos, etc. Elementos que ofrecen resistencia al
paso del aire provocando pérdidas de carga. Para conocer la resistencia total de un
sistema de conductos es necesario calcular las pérdidas de cada uno de tales accidentes
y sumarlas a las de los tramos rectos. Estas perdidas de energía pueden calcularse como
fracciones de la Presión de Velocidad VP utilizando el método de Presión Dinámica como
se muestra a continuación.
PARÁMETROS DE DISEÑO SISTEMA DE CONDUCCIÓN
1. Determinación del Caudal de Aire
El caudal de diseño será el calculado para el sistema de captación, depende de la forma de la fuente, la velocidad de captura seleccionada y la distancia del sistema de captura a la fuente.
2. Velocidad Mínima de Transporte.
Es la velocidad mas baja que puede estimarse para el transporte de los gases residuales dentro del conducto, esta varia según el tipo de emisión que se va a conducir.
3. Área Teórica del Ducto Es el resultado obtenido de dividir el caudal y la velocidad mínima de transporte
4. Diámetro del Ducto Es el valor obtenido con el área teórica y la formula matemática correspondiente con la forma del conducto
5. Diámetro Real de Diseño Es la aproximación del diámetro teórico a medidas de construcción.
6. Área de Diseño Es el área calculada con el diámetro real de diseño
7. Presión de Velocidad en el Ducto
Se determina a través de las siguiente fórmula:
2
4005⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
VPV (Velocidad en ft/min)
8. Factor de pérdida a la Entrada del Ducto
Se obtiene a partir de la perdida de carga según el tipo de campana
9. Factor de Aceleración Permite garantizar el empuje del contaminante al interior de la campana (1 PV)
10 Pérdida a la entrada del ducto en PV
Es el resultado de sumar las perdidas a la entrada del ducto y el factor de aceleración
154
11 Perdida a la Entrada del Ducto en mmcda
Es el producto de las perdidas a la entrada del ducto (10) y la presión de velocidad calculada (7)
12 Otras pérdidas Son las perdidas generadas por accesorios ubicados en las campanas
13 Presión Estática en la campanaEs la sumatoria de las perdidas en la entrada del ducto y los accesorios de la campana
14 Longitud del Tramo Recto Es la longitud de los tramos de acuerdo con el sistema de conducción seleccionado.
15 Factor de Pérdida Hf
Es el calculo de las perdidas por fricción dado cada 100 ft de tubería recta. Se obtiene con la formula:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= 612.0
533.0
037.0QVHf
16 Pérdidas por fricción en el ducto
Se obtienen del producto entre la longitud del tramo y el factor de perdida obtenido (15)
17 Pérdidas por Codos Es la sumatoria de las perdidas ocasionadas por lo codos presentes en el ramal.
18 Número de Entradas Es el numero de tramos que entran al ramal evaluado
19 Pérdidas a la entrada en PV Es el valor obtenido de acuerdo con el ángulo del sistema de captación seleccionado
20 Factor de Pérdida por accesorios especiales
Es el valor de las perdidas generadas por contracc +iones o expansiones en el sistema de conducción.
21 Pérdidas en el ducto en PV
Es la sumatoria de las perdidas por fricción en el ducto (16), las perdidas por codos (17), las perdidas a la entrada (19) y las perdidas por accesorios especiales (21)
22 Pérdida en el ducto en mm cdaEs el producto de la sumatoria de las perdidas y la presión de velocidad en el ducto (7)
23 Presión Estática en el Tramo Es la sumatoria de la presión estática en la campana (13) y la presión estatica en los ductos (22)
24 Presión Estática que Gobierna Es la presión estática obtenida en el ducto que posee las mayores pérdidas
25 Presión Estática acumulada (mmcda)
Es el valor correspondiente a cada uno de los tramos.
155
Correcciones
De acuerdo con los cálculos de las perdidas obtenidos, debe establecerse el porcentaje
de diferencia entre las presiones estáticas de los ramales que se unen aplicando la
siguiente fórmula:
100% xPEmayor
PEmenorPEmayorDiferencia −=
este valor debe identificarse en el cuadro que corresponde al conducto con mayores
pérdidas, el valor del porcentaje define la alternativa seleccionada para hacer la
corrección del Caudal requerida:
CORRECCIONES % Diferencia ≥ 5% No requiere corrección
% Diferencia > 5% hasta 20%
Corregir el Flujo en el ducto con menores perdidas par incrementar le velocidad de transporte y por lo tanto las pérdidas en el tramo. El Nuevo Caudal se obtiene con la fórmula:
PEmenorPEmayorrdidasQMenorespeQcorregio =
% Diferencia > 20%
Se requiere disminuir el diámetro del tramo que posee las menores perdidas par disminuir el área del ducto e incrementar la velocidad aumentando las pérdidas. Debe utilizarse la siguiente ecuación:
2.0
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
PEmayorPEmenorrdidasDMenorespeDcorregido
Corrección de la Velocidad de Transporte
Al realizar variaciones en el caudal o el diámetro en algún tramo, debe calcularse la nueva velocidad resultante
156
Corrección de la Presión Estática Debe calcularse para el tramo que tuvo la variación del caudal o del diámetro
Presión de Velocidad Resultante (PVr)
Si la presión de velocidad en el tramo rectos es mayor que la presión de velocidad en los tramos balanceados, se requiere una presión estática adicional para producir un aumento en la velocidad de transporte con la siguiente ecuación:
2
21
21
)(043.4 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
+=
AAQQPVr
157
ANEXO G ESQUEMAS DE DISEÑO DE LOS
SISTEMAS DE CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN SELECCIONADOS
SISTEMA DE CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN DE EMISIONES DE DESMOLDEO
DISEÑO DE ALTERNATIVAS DE CONTROL DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS PARA EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE LA
EMPRESA FUNDICOM S.A. MOSQUERA-CUNDINAMARCA
MONICA HERNÁNDEZ LOZANOARNOLDO A. MESTRE T.
CICLON
FILTRO DE MANGAS
SISTEMA DE CONTROL DE EMISIONES DE HORNOS DE FUSION Y DESMOLDEO
SELECCIÓN Y DISEÑO DE MECANISMOS DE ONTROL DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS PARA EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE
LA EMPRESA FUNDICOM S.A. MOSQUERA-CUNDINAMARCA
MONICA HERNÁNDEZ LOZANOARNOLDO A. MESTRE T.
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.7
1.6
HORNOS 8 TON
HORNOS 2 TON
1.8
1.9 CICLON
FILTRO DE MANGAS
SISTEMA DE CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN DE EMISIONES DE DESMOLDEO
DISEÑO DE ALTERNATIVAS DE CONTROL DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS PARA EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE LA
EMPRESA FUNDICOM S.A. MOSQUERA-CUNDINAMARCA
MONICA HERNÁNDEZ LOZANOARNOLDO A. MESTRE T.
HORNO 8 TONELADAS
2.5 m
2.5 m
HORNO DE INDUCCIÓN
2 TON
VACIADO
VACIADO
HORNO DE INDUCCIÓN
8 TON
TORRE DE ENFRIAMIENTO
180 GAL/MIN
ZARANDA
ZARANDA
SISTEMA 2
SISTEMA 1
PIEZAS FUNDIDAS
GRANALLADORA TOSCA GRANALLADORA DE TUNEL
Piezas Terminadas
ESMERILES
MOLINO
SHELL
FUNDICOM S.A.FUNDICOM S.A.PLANTA DE FUNDICIÓN
TORRE DE ENFRIAMIENTO
130 GAL/MIN
PSTPST
PST PST
PST
Vapor de Agua
Vapor de Agua
PIEZAS FUNDIDAS
MOLINO
SILOS DE ARENAPST
PST
PST
FILTRO DE MANGASCICLÓN
SISTEMAS DE CONTROL PROPUESTOS PARA EL PROCESO
158
ANEXO H ESQUEMAS DE DISEÑO FILTRO DE
MANGAS
FILTRO DE MANGAS
MONICA HERNÁNDEZ LOZANOARNOLDO A. MESTRE T.
10.56 m
3.52 m
1.6 m
No. Mangas 510 Potencia: 60 HP Área de Filtración 719 m2
VENTILADOR
AIRE LIMPIO
PRETRATEMIENTO
SALIDA DEL GAS
TORNILLO SIN FIN RECOLECCION DE POLVO
SISTEMA DISEÑADO PARA FUNDICOM S.A.
MONICA HERNÁNDEZ LOZANOARNOLDO A. MESTRE T.
159
ANEXO I DISEÑO DE FILTRO DE MANGAS
160
DISEÑO DE FILTRO DE MANGAS
Relación Gas a Tela (G/T)
La relación gas a tela (G/T) es una consideración de diseño importante para los
mecanismos de recolección de partículas por filtración. Determina la relación de la
velocidad de flujo volumétrico del gas por unidad de superficie filtrante, también se le
refiere como la velocidad del frente. En general, a medida que la velocidad del frente
aumenta, la eficiencia de la recolección por impacción aumenta y la eficiencia de
recolección difusional disminuye. Las velocidades de superficie más altas permiten el uso
de filtro de telas más pequeños, siempre que todo lo demás permanezca constante. Sin
embargo, a medida que la velocidad del frente aumenta, hay un aumento de caída de
presión, un aumento de la penetración de las partículas, una mayor cobertura de la tela,
una limpieza más frecuente y una vida reducida de las bolsas. 23
Para filtros de mangas tipo Pulse Jet, existe un método de cálculo de la relación Gas a
Tela, a través de una ecuación integral que representa temperatura, el tamaño de las
partículas, y la carga de polvo:
)0853.07471.0(878.2 06021.02335.0 LnDxLxAxBxTV += −− 24
Los factores seleccionados corresponden a residuos del agitado en fundiciones y Arena
para el Factor del Material y Secadoras por Aspersión, hornos para el Factor de
Aplicación como se muestra a continuación en la Tabla 1:
23 Documento de Técnicas de Control de Materia Particulada Fina Proveniente de Fuentes Estacionarias 24 EPA, Sección 6 “Controles de Material Particulado” Capítulo 1 Filtros y casas de Bolsas p 1-23
161
Tabla Factores para las Relaciones de Gas a Tela en Jet Pulse
A Factor del Material 15 12 10 90 60
Mezcla para Pastel
Asbesto Carbón Negro fertilizando Carbon Activado
Polvo de Cartón Polvo para pulido
Cemento Pastel Carbón Negro
Cacao Material fibroso u celulósico
Pigmentos de Cerámica
Petroquímicos Secos
Detergentes
Alimentos Residuo del agitado en fundiciones
Polvos de Arcilla y de ladrillo
Tintas Humos y otros productos dispersados directos de las reacciones
Harina Yeso Carbón Polvo Metálico Leche en Polvo Grano Cal (hidratada) Caolina Óxidos
Metálicos Jabón
Polvo de Piel Perlita Piedra Caliza Pigmentos Metálicos y Sintéticos
Aserrín Químicos de hule
Sílice Resinas
Tabaco Arena Polvo de Roca y minerales
Plásticos
Carbonato de Sodio
Azúcar
B Factor de Aplicación Ventilación de Emisiones Molestas (insidiosas) Alivio de los puntos de transferencia, transportadores, estaciones de embalaje.
1.0
Recolección de Producto fgTransporte Ventilación del aire, molinos, secadores relámpago
0.9
Filtración de Gas de Proceso Secadoras por aspersión, hornos, reactores 0.8 Fuente EPA – CICA Sección 6 “Controles de Material Particulado” Capítulo 1 Filtros y casas de Bolsas
La Concentración de Entrada (L) se obtuvo con el siguiente cálculo:
Emisión de partículas para Desmoldeo y Hornos = 147.97 Kg PST/dia
Caudal de salida del gas = 32.6 m3/s
Concentración Total (Sin control) = 0.052 g/ m3
Concentración de partículas después del ciclón = 0.009 gr/m3
162
En este caso el valor obtenido es menor de 0.05 gramos por pie cúbicos, debe usarse L =
0.05; si la carga de polvo es mayor de 100 gramos por pie cúbico, debe usarse L = 100. 25
Relación Diámetro / Longitud de Mangas: esta relación define la mayor longitud
aceptable para una manga, con el fin de asegurar que la limpieza sea efectiva. Se
obtiene dividiendo la longitud por el diámetro y en ningún caso debe exceder el
valor de 25.
25 EPA – CICA Sección 6 “Controles de Material Particulado” Capítulo 1 Filtros y casas de Bolsas
163
ANEXO J CARACTERISTICAS DEL VENTILADOR
164
CÁLCULO DE POTENCIA PARA EL VENTILADOR
Se presentan a continuación los datos de cálculo de la potencia del ventilador
requerida para el Sistema de Control diseñado:
• ∆P Ciclón = 9.29 in de H2O
• ∆P Estructura de Filtro de Mangas = 2 in de H2O
• ∆P Filtro de Mangas = 4.03 in de H2O
• ∆P Total =15.32 in de H2O = 3830 Pa
Fuerza requerida en el Sistema: se obtiene multiplicando la presión total por el
área efectiva de las mangas como se muestra a continuación:
F = 3830 Pa x 0.45 m2
F = 1723.5 Newton
Potencia requerida: se obtiene del producto de la fuerza total con la velocidad de
entrada del flujo de gas:
P = 1723.5 N x 22 m/s
P =37917 Watts = 50.82 HP ≈ 51 HP
Finalmente, con un factor de seguridad de un 20% aproximadamente, se define
como potencia requerida para el ventilador de 60 Hp.
165
VENTILADOR CENTRÍFUGO
El ventilador centrífugo es una máquina de flujo radial que produce la presión necesaria
para desplazar un gas por la fuerza centrífuga acumulada dentro de la carcasa del
ventilador. El diseño de la pala tiene una influencia primordial sobre el rendimiento.
Este tipo de ventilador se utiliza normalmente para trabajos de ventilación que requieren
una presión de suministro algo mayor que la que pueden dar los ventiladores axiales.
Dentro del Sistema diseñado, el ventilador es una bomba de aire, su selección se debe
basar en al diseño de la presión y volumen requerido para el proceso. Cuando el sistema
de ventilación a cambio para ajustarse a una mayor producción, se requieren diferentes
necesidades de ventilación o cambios en el flujo de aire.
Recomendaciones 26
• Verificar la condición mecánica del ventilador
• Programar el mantenimiento necesario para garantizar el flujo de aire
• Verificar que las bandas de transmisión no estén sueltas ni fuera de
alineamiento.
• Mantener el ventilador limpio ya que una pequeña capa de grasa o polvo en
la superficie puede reducir su eficiencia
• Verificar el funcionamiento de otras partes del sistema como controles o
compuertas.
26 Seminario de BHA Internacional, Inc. Mantenimiento de equipo de control de Contaminación Ambiental