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PROBLEMAS SOBRE CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN
Objetivo: Hacer cálculos sobre diferentes sistemas de control de la contaminación
atmosférica.
ACLARACIONES SOBRE LOS LAVADORES DE SO2 DE PIEDRA CALIZA
Entre los procedimientos comerciales de mayor desarrollo existentes para la desulfuración de los
gases de emisión de un proceso de combustión, puede optarse por métodos húmedos o secos, con
diferentes variantes en unos y otros. Un método utilizado por vía húmeda es el método de
desulfuración con cal (CaO) o caliza (CaCO3).
En la figura adjunta se muestra un sistema lavador completo, en el se observa que el gas
contaminado entra a una torre en donde circula en contracorriente una disolución lavadora que
contiene agua y un compuesto de calcio (CaCO3 o CaO). En el caso de los lavadores de piedra
caliza (mineral que contiene CaCO3 en alta proporción) se utiliza una pasta lavadora que contiene
agua y partículas de piedra caliza finamente molida. El SO2 es absorbido, neutralizado y oxidado
finalmente a CaSO4. La reacción global que tiene lugar en el lavador es la siguiente:
CaCO3 (l) + SO2 + ½ O2 → CaSO4 (l) + CO2
El CaSO4 (sólido) se recoge en el tanque de retención del efluente. Desde este tanque se recircula
la disolución lavadora hacia la torre, mientras que se lleva una corriente lateral hacia un espesador de
los lodos (sedimentador) y se filtra para extraer los sólidos. Finalmente, en el tanque de retención del
efluente se añade más cantidad del compuesto de calcio para reponer la disolución lavadora.
Parte del CaSO4 puede venderse como yeso para construcción o uso agrícola si se genera un
producto aceptablemente puro. La mayor ventaja de estos lavadores radica en que el absorbente es
muy abundante y barato y que poseen una gran aceptación comercial. Las desventajas incluyen
formación de precipitados dentro de la torre, incrustaciones y corrosión.
Otro método húmedo que se utiliza para la limpieza de gases con contenido en SO2 es la
desulfuración con magnesita (carbonato de magnesio). La reacción que tiene lugar para retener el
SO2 es la siguiente:
MgCO3 + SO2 + ½ O2 → MgSO4 + CO2
1. Los límites de emisión vienen fijados frecuentemente por las normativas reguladoras de emisión
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(DEI 2010/75/EU). Suponer, por ejemplo, que una chimenea emite sin control 1600 mg/m de un
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contaminante, mientras que la normativa sólo permite 75 mg/m . ¿Cuál debe de ser la eficiencia
de captación? R: 95,3 %
2. Se utiliza magnesita (carbonato de magnesio) para depurar el dióxido de azufre producido en
una planta térmica en la que se emplea como combustible carbón con un contenido de azufre del
3,0%. La eficiencia de la eliminación de SO2 debe ser del 90 %, a fin de cumplir con los
requisitos medioambientales impuestos. Calcular:
a) Los kg de carbonato de magnesio estequiométricos que se necesitan por kg de azufre en el
carbón. R: 2,37 kg MgCO3 / kg S
b) Los kg de magnesita necesarios por tonelada de carbón si se emplea un 20 % de exceso de
carbonato de magnesio y la riqueza de la magnesita en carbonato de magnesio es del 85 %.
R: 100,2 kg magnesita/ t carbón.
3.
En una central térmica se queman 3.000 t/ día de un carbón con un contenido en azufre de un
1,2 %. Calcular: a) Las toneladas de SO2 generadas al año. b) ¿Cuál sería la concentración de
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SO2 sin depurar, expresada en ppm y en mg/ m , si el volumen total de gases producidos es de
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3.10 Nm /día? c) ¿Qué cantidad diaria de carbonato de calcio será necesario añadir a los gases
de combustión para reducir en un 80% las emisiones de SO2, precipitándolo en forma de sulfato
de calcio?
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R: a) 2,625.10 t SO2/ año b) 2.397 mg SO2/ Nm gas, 837,5 ppm SO2 c) 89,88 t CaCO3/ d
4.
Por la chimenea de una fábrica de abonos nitrogenados, sale un caudal de gas de 930 Nm /h.
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Dicha instalación utiliza como combustible 20.000 Nm / día de un gas natural cuya densidad es
de 0,75 g/L, medida en condiciones normales. Si el factor de emisión para los óxidos de
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nitrógeno es de 3 kg NOx/ t combustible, calcula la concentración de NO y NO2, en ppm, si el
90% (en peso) de los NOx generados corresponde a NO.
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R: 2,016 g NOx/Nm , [NO] = 1.354 ppm, [NO2] = 98,15 ppm
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5.
En un área metropolitana, cuya extensión es de unos 400 km , circulan diariamente 2,5 millones
de vehículos por sus 1600 km de calles y carreteras (suponer que el tráfico se distribuye
uniformemente). Sabiendo que cada vehículo recorre una media de 12000 km por año y que el
factor de emisión medio ponderado de NOx por tráfico puede suponerse, para la zona de 2,1 g
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NOx km recorrido, calcular:
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a) Las emisiones totales anuales de NOx (toneladas año )
−2
b) Las emisiones diarias de NOx como fuente de área (g NOx m )
−1
c) Las emisiones horarias de NOx como fuentes lineales (kg NOx km de carretera)
−2
−1
R: 63000 t/año, 0,431 g NOx m , 4,495 kg NOx km
6.
Una compañía que se dedica a la limpieza en seco adquiere mensualmente 160 L de CCl4 como
disolvente. El 90 % del producto se pierde por evaporación a la atmósfera, y el 10 % restante
queda junto con los restos de suciedad, como residuo, ocupando un volumen de 16,6 L, que
deberán ser posteriormente tratados.
−1
a) Sabiendo que la densidad del CCl4 es 1,5940 g mL , estimar las emisiones mensuales de
−1
−1
CCl4 a la atmósfera, en kg mes .b) La densidad del residuo es 1,6130 g mL . Sabiendo que se
recupera el 95% del CCl4 por destilación y que el resto, junto con la suciedad se llevan a un
vertedero, Calcular la cantidad de materiales que será preciso enviar al vertedero cada mes.
−1
−1
R: 229,5 kg mes , 2,55 kg mes
7.
Se ha instalado un colector de partículas para eliminar el polvo de una corriente de aire industrial
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−1
−3
de 100 m min . El aire sucio contiene 15 g m de partículas mientras que el depurado sale del
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colector con una concentración de 0,02 g m . Como la legislación permitiría para este caso una
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emisión de hasta 0,9 g m , la industria desea realizar un by-pass con parte del aire procedente
del foco emisor de manera que no toda la corriente pase por el sistema colector de partículas. a)
Calcular la proporción de by-pass adecuada, de forma que la corriente final, una vez mezclada
con la procedente del sistema colector no exceda el límite de emisión citado. b) Calcular también
la masa de polvo recogido cada día en el colector. Suponer que no se producen pérdidas de aire
en el proceso ni cambios apreciables en la temperatura o presión del aire.
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R: a) 5,87%, b) 2030,4 kg día
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8. Una industria utiliza como combustible 15.000 Nm /día de un gas natural cuya densidad es de
0,7 g/L, medido en condiciones normales, y el caudal de los gases emitidos procedentes de la
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combustión es de 7000 Nm /h. a) Si se emiten 2,5 kg de NOx por tonelada de combustible y si
se considera que el 5% (en peso) de los NOx generados corresponde a NO2 y el 95% (en peso)
a NO, calcular la concentración de NO2 y NO en los gases de emisión, expresada en ppm. b) Si
un 0,01% (en peso) del gas natural se emite como partículas inquemadas, ¿cuántas toneladas
de partículas se emitirán mensualmente? c) ¿Se superan los límites de emisión según la
normativa vigente?. DATO: Según la DEI 2010/75/EU el límite de emisión de partículas para
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instalaciones que utilizan combustibles gaseosos es de 5 mg/Nm ) d) ¿Será necesaria la
instalación de equipos de control de partículas?
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R: a) 3,8 ppm NO2, 110,8 ppm NO b) 0,0315 t partículas / mes c) 6,25 mg/Nm d) Si
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En los hornos de una planta de tratamiento se incineran 350 m /día de residuos urbanos (RU),
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de densidad 0,25 g/cm y contenido en azufre del 0,85 % en peso.
a) Si todo el azufre se transforma durante la incineración en SO2, ¿qué cantidad estequiométrica
de caliza (carbonato de calcio) debe emplearse para depurar los gases emitidos cada día, si se
pretende transformarlos en sulfato de calcio?
b) ¿Cuál será la concentración de SO2 (expresada en ppm) en los gases de emisión depurados,
si el rendimiento del proceso de depuración es del 95% en peso y por cada kg de residuo
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incinerado se generan 3,0 m (CN) de vertido gaseoso?
Datos: Masas atómicas (g/mol): S = 32,06; O =16; C = 12,01; Ca = 40,08
R: a) 2,321 t CaCO3 b) 99,9 ppm
10. La distribución en peso de tamaños de un polvo transportado por una corriente gaseosa, es la
dada en la tabla siguiente. También se proporciona la eficacia de captación para cada uno de los
tamaños (eficacia fraccional):
a) Calcular la eficacia global del sistema de captación y b) Calcular el % en peso de polvo
emitido de tamaño < 20 µm de diámetro, si la carga de polvo a la entrada del sistema de
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3 −1
depuración es 18 g m (c.n.), y el caudal de gas es de 0,3 m s (c.n.). R: a) 73,5%, b) 90,6%
11. El gas emitido por la chimenea de una Central Térmica de carbón contiene a 460°C y 1,05
atmósferas de presión una concentración de SO2 de 2000 ppm. Si el caudal de emisión de gas
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−1
es de 25000 m min ¿Cuál será la intensidad de emisión de SO2 en g s ? R: 932 g/s.
12. La relación entre el rendimiento de un precipitador electrostático y la superficie colectora no es
lineal, sino que sigue la siguiente ecuación (Masters y Ela, 2008):
η = 1 − exp(−ω A/Q)
Donde η es la eficiencia recolectora fraccionada del PES.
A es el área total de las placas recolectoras.
Q es la tasa de flujo volumétrica del gas a través del precipitador.
ω es un parámetro conocido como la velocidad efectiva de migración. Es la velocidad terminal
con la cual las partículas se acercan a la placa recolectora del campo eléctrico. Viene dada por
estudios empíricos o por la experiencia previa con unidades similares. Se puede utilizar cualquier
conjunto de unidades que sea consistente.
Caso práctico: Un precipitador electrostático (PES) con un área de placas recolectoras de 6000
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m consigue un 97% de eficacia permitiendo un flujo de 200 m /s de gas de combustión
procedentes de una central eléctrica de 200 MW. ¿Cuánto debería de medir el área de placas
para incrementar su eficiencia en un 98%? ¿Y en un 99%?
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13. Calcular el área total de placas para un electrofiltro de un 98% de eficacia que trata 10000 m
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−1
aire min , siendo la velocidad efectiva de migración 6 m.min . Calcular el número de placas (de
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6x3 m) necesarias. R. 6520 m , 182 placas
14. La siguiente figura presenta un muestreador de alto volumen que se usa como un método
manual para medir partículas totales en suspensión (PTS) y plomo en el aire. En este
proceso gravimétrico, la bomba en el muestreador de aire de alto volumen crea un vacío que
lleva al aire a una caseta cubierta. El aire pasa a través de un filtro que atrapa el material
particulado. Para determinar la cantidad de material particulado en una muestra de aire, se pesa
el filtro antes y después del muestreo. La diferencia de peso es la cantidad de material
particulado atrapado en el filtro. La concentración de plomo se determina mediante técnicas de
extracción adicional y absorción atómica.
Filtro
Aire que ingresa
Aire que ingresa
Ventilador
Aire que sale
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Caso práctico: Un muestreador de alto volumen opera a 1,57 m /min. El periodo de muestreo es
de 24 horas y el filtro que inicialmente pesaba 3,1690 g pesa después de la operación 3,5832 g.
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Calcular la concentración en µg/m y mg/m de las partículas suspendidas. R: 183 µ g/m y
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0,183 mg/m