Control Emisiones Ingenio2009

Propuesta de un Sistema de Limpieza de las Emisiones Generadas por un

Ingenio Azucarero.

Caso de Estudio: Ingenio San Cristóbal.

Por:

Augusto Geovanny Martínez Cortés

Propuesta de un Sistema de Limpieza de Emisiones Contaminantes para un Ingenio Azucarero.

Caso: Ingenio San Cristóbal. Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica.

Por: Martínez Cortés Augusto Geovanny y Rojas Palacio Jorge

Índice. Resumen .......................................................................................................... 1

Abstract ........................................................................................................... 1

Planteamiento del Problema .......................................................................... 2

Hipótesis .......................................................................................................... 2

Justificación ..................................................................................................... 3

Objetivos .......................................................................................................... 3

a) Objetivo General. ................................................................................. 3 b) Objetivo Específico. ............................................................................. 3

Antecedentes. ................................................................................................. 4

1. Utilización del Bagazo. ......................................................................... 4 a) Ventajas. ........................................................................................ 4 b) Desventajas. ................................................................................... 5

2. Situación Actual del Bagazo como Combustible en México. ............... 5 3. Ingenios Azucareros más Productores del País. .................................. 7 4. Equipos de Control Adoptados por Ingenios Azucareros. ................... 7 5. Contaminación Ambiental Ocasionada por la quema de Bagazo. ...... 8 6. Generación de Partículas Sólidas. ........................................................ 9 7. Cantidad de Contaminantes Producidos por el Ingenio San Cristóbal. 9 8. Situación Actual del Ingenio San Cristóbal. ......................................... 10

Marco Teórico. ................................................................................................ 11

1. Control de Emisiones Atmosféricas. .................................................... 11 2. Técnicas de Control No Agregado........................................................ 13

a) Cambio de Procesos. ...................................................................... 13 b) Cambio de Combustibles. .............................................................. 14 c) Buenas Prácticas de Operación. .................................................... 15 d) Cierre de Plantas. ........................................................................... 15

3. Técnicas de Control Agregado. ............................................................ 15 a) Emisiones Gaseosas.

A. Combustión. ............................................................................. 15 B. Absorción. ................................................................................ 16 C. Adsorción. ................................................................................ 16 D. Condensación. .......................................................................... 16

b) Emisiones Sólidas. .......................................................................... 15



Por: Martínez Cortés Augusto Geovanny y Rojas Palacio Jorge

A. Colectores de Inercia. .............................................................. 17 B. Precipitadores Electrostáticos. ................................................ 17 C. Filtros de Mangas. .................................................................... 17 D. Lavadores y Absorbedores Húmedos. ..................................... 18

Metodología. ................................................................................................... 19

1. Tecnologías para Limitar Emisiones de Partículas Sólidas. .................. 19 2. Control de Emisiones Gaseosas. .......................................................... 20

a) Control de Emisiones de SO2. ......................................................... 20 A. Tecnologías para Limitar Emisiones de SO2. ............................ 21

b) Control de Emisiones de NOX. ........................................................ 22 A. Tecnologías para Limitar Emisiones de NOX. ........................... 22

Cronograma de Actividades. ........................................................................... 23

Referencias. ..................................................................................................... 23

Anexos ............................................................................................................. 23

Tabla 1.Estados Productores y Número de Ingenios. ...................................... 5

Tabla 2.Ingenios Azucareros más Productores del País. ................................. 7

Tabla 3.Equipos de Control de Emisiones Adoptados por los Ingenios. ......... 7

Tabla 4.Cantidad de Contaminantes producidos por Ingenio San Cristóbal. 10

Tabla 5.Tecnologías para Limitar la Emisión de Partículas Sólidas. ................. 19

Tabla 6.Tecnologías para Limitar los SO2. ........................................................ 21

Tabla 7.Tecnologías para Limitar los NOX. ....................................................... 22

Diagrama Comparativo de Técnicas de Control de Emisiones Contaminantes.12



Por: Martínez Cortés Augusto Geovanny y Rojas Palacio Jorge 1

Propuesta de un Sistema de Limpieza de las Emisiones Generadas por un Ingenio Azucarero.

Caso de Estudio: Ingenio San Cristóbal.

Por:

Augusto Geovanny Martínez Cortés

Resumen:

El combustible que se utiliza en las diferentes calderas de los ingenios azucareros es el bagazo que

se obtiene en la molienda de la caña diariamente. En base a las visitas realizadas por los presentes

al Ingenio San Cristóbal en los pasados meses, se percató el interés que existe desde ya hace años

en el Departamento de Control Ambiental a cargo del Q.F.B. José Martínez Ramírez por

implementar un Sistema de Limpieza para dicho ingenio, actualmente es el número uno productor

de caña de azúcar en el país, y a pesar de ello sigue sin contar sin un sistema que regule dichas

emisiones, aún cuando otros ingenios que reportan menos azúcar producida ya cuenta con alguna

técnica regulatoria.

Para el control de emisiones contaminantes se tienen dos técnicas, técnicas de control no

agregado y técnicas de control no agregado, en primer lugar se tienen las de control no agregado.

En segundo lugar se tienen las técnicas de control agregado, las cuales se seleccionaran en base a

comparación de costo-beneficio, considerando que en las emisiones tenemos gases y partículas

solidas, se compararan cada una de ellas con respecto a un efluente solido de una corriente

gaseosa. Al final se propondrá a dicho ingenio tecnologías adecuadas en bases a estas

comparaciones de acuerdo a las condiciones de operación que cuentan hoy en día.

Abstract:

The fuel used in the different boilers of the sugar mills is the bagasse obtained in the milling of

sugar cane daily. It is considered the byproduct non-timber most important of the world and

stored the equivalent to about 1 ton of oil for each tonne of sugar produced. On the basis of visits

by the present to the Ingenuity San Cristobal in recent months, he realized the interest from years

ago in the Department of Environmental Control from the Q. F. B. Jose Martinez Ramirez to

implement a system of Cleaning for the ingenuity, currently is the number one producer of sugar

cane in the country, and in spite of this still does not count without a system that regulates such

emissions, even when other mills that reported less sugar produced already has some technical

regulatory oversight. For the control of pollutant emissions are two techniques, control techniques

not added and control techniques not added, however this requires an analysis of what is required

and needs in the ingenuity, first, it will have the control not added.




Planteamiento del problema:

En base a las visitas realizadas por los presentes al Ingenio San Cristóbal en los pasados meses, se

percató el interés que existe desde ya hace años en el Departamento de Control Ambiental a cargo

del Q.F.B. José Martínez Ramírez por implementar un Sistema de Limpieza para dicho ingenio,

interés originado por los últimos reportes que la empresa SEPIASA S.A. de C.V. ha obtenido, pues

en ellos se observa el incremento de las emisiones en los últimos años. El Ingenio San Cristóbal

actualmente es el número uno productor de caña de azúcar en el país1, y a pesar de ello sigue sin

contar sin un sistema que regule dichas emisiones, aún cuando otros ingenios que reportan menos

azúcar producida ya cuenta con alguna técnica regulatoria. Es entonces cuando el interés poco a

poco se ha estado convirtiendo en una necesidad. La Secretaría de Medio Ambiente y Recursos

Naturales (SEMARNAT) en su NOM-085-SEMARNAT-1994 hace referencia a las fuentes fijas que

utilizan combustibles fósiles sólidos, y recientemente ha estado haciendo hincapié en dicho

ingenio en controlar sus emisiones. Aunado a todo esto, las instalaciones del ingenio se ubican a

poco menos de 1 km de la población de Carlos A. Carrillo, en donde existe la molestia en tiempos

de zafra de la precipitación de cenizas a lo largo y ancho de la población, que trae como

consecuencia el mal aspecto de calles, banquetas y fachadas de casas ocasionado por las cenizas

de mayor tamaño que literalmente “tiñen” las mismas, sin olvidar también la obstrucción del

alcantarillado producto de la formación de una torta a base de acumulaciones de cenizas y

humedad; precipitación generada por la combustión de bagazo que no cuenta actualmente con

ninguna técnica de control.

En torno al contexto ambiental, se sabe que la problemática de control de emisiones

contaminantes a la atmósfera cada vez toma más importancia, especialmente en el Ingenio San

Cristóbal, el cual actualmente es el número uno productor de azúcar del país, es decir, la cantidad

de gases de invernadero que emite al día son la principal casusa de lluvia ácida que se reporta en

ese municipio. Entonces, la finalidad de nuestro proyecto es el proponer al ingenio San Cristóbal

un sistema de filtración de las emisiones contaminantes provenientes la combustión de bagazo del

Área de Calderas, emisiones que hasta ahora no están controladas en dicha planta.

Hipótesis.

Actualmente existen distintas técnicas para el control de emisiones contaminantes generadas por

la combustión de bagazo sin importar el uso que se le dé. Sin embargo, cada una de esas

tecnologías posee sus ventajas y desventajas de utilización que van desde relaciones costo-

beneficio, hasta dificultades de su operación y mantenimiento. Es por ello que parte de la solución

1,

Unión Nacional de Cañeros A.C.-CNPR




al problema planteado será hacer una comparación sobre estas técnicas y a partir de sus ventajas

y desventajas seleccionar una tecnología que se adecue a las condiciones del ingenio, para que en

base a esto se diseñe e implemente.

Justificación.

Se sabe entonces que por parte del dicho ingenio, contamos con el apoyo del Q.F.B. José Martínez

Ramírez, encargado del Departamento de Control Ambiental y que nos ha proporcionado

información acerca de las condiciones de operación de su Área de Calderas. El Ingenio San

Cristóbal recientemente presenta reportes de una empresa privada de análisis ORSAT los cuales

reflejan un incremento de sus emisiones. No existe un sistema de control de emisiones

atmosféricas en dicho ingenio a pesar de ser el número uno productor de azúcar del país, aún

cuando otros ingenios que reportan menos producción ya cuento con ello. La Secretaría de Medio

Ambiente y Recursos Naturales en su NOM-085-SEMARNAT-1994 establece los límites permisibles

de emisiones contaminantes y en cuanto inicie su etapa de auditorías ambientales, dejará

expuesto a dicho ingenio, lo cual no le resulta como buena imagen ante la sociedad, lo que

provoca que el interés de dicho ingenio poco a poco se traduzca en una necesidad a largo plazo.

Existe también un malestar permanente por parte de la sociedad por el tiznado del municipio y

por problemas respiratorios asociados a la precipitación de cenizas de gran tamaño. Las emisiones

de gases de invernadero como el SO2 y los NOX emitidas por el ingenio son la causa de las lluvias

ácidas que se han reportado en los campos de caña.

Objetivos.

Objetivo General

Proponer un sistema de Limpieza para las emisiones contaminantes producidas por un Ingenio

Azucarero en base a criterios de conveniencia.

Objetivos Específicos

Realizar un Análisis Comparativo de las diferentes Técnicas de Control para emisiones

contaminantes y en base a ello,

Proponer un captador de partículas para emisiones sólidas (cenizas) que se adecue a las

exigencias de dicho ingenio.

Proponer un equipo para la depuración de gases contaminantes SO2, NOX




Antecedentes

“Bagazo: El combustible natural del Siglo XX”

Empresa CEPSA1, 2006

Para la propuesta de nuestro sistema de limpieza de gases contaminantes provenientes de

calderas que utilicen el bagazo como combustible para la generación de vapor como lo es un

ingenio azucarero, algunos aspectos importantes deberán ser considerados en el proyecto y,

mismo, en la selección de la tecnología a ser empleada.

Utilización Del Bagazo Como Combustible

El combustible que se utiliza en las diferente calderas de los ingenios azucareros es el bagazo que

se obtiene en la molienda de la caña diariamente, sin tener almacenamiento del bagazo, pre

secado, como tampoco ningún proceso de preparación (trituración, transporte neumático, secado)

del combustible sólido, por lo que la humedad promedio está en el orden del 50% en base

húmeda. Se considera el subproducto no maderable más importante del mundo, y tiene un alto

valor estratégico en el desarrollo energético del país. Sólo en bagazo y paja en los cañaverales se

almacena el equivalente a cerca de 1 ton de petróleo por cada tonelada de azúcar producida.

La necesidad de secar el bagazo está dada con vistas a su ahorro, para mejorar sus características

como materia prima y para su almacenamiento, ya que el mismo se requiere para una amplia

gama de procesos que van desde la industria de derivados hasta la generación de electricidad.

El correcto tratamiento y utilización del bagazo pueden proporcionar considerables beneficios, no

sólo desde el punto de vista ramal, sino también para sustituir importaciones.

Las ventajas y desventajas de utilizar bagazo como combustible se presentan a continuación:

Ventajas

La utilización del bagazo aporta beneficios al medio ambiente, ya que reduce la emisión de dióxido

de carbono, principal causa del calentamiento de la Tierra, y es una fuente renovable. También

crea empleos en el campo y genera recursos energéticos en forma local.

1 CEPSA. Central El Palmar S.A., Ingenio productora de azúcar refinada Montalbán® ganadora del galardón Empresa

Socialmente Responsable en 2006




Desventajas

La principal dificultad es su costo, ya que exige una inversión considerable. Por ello, sólo las

grandes centrales azucareras pueden competir en este mercado.

Además, la generación de electricidad no es continua, ya que el sector del azúcar no opera más

que seis meses al año.

Situación Actual de la Utilización del Bagazo como Combustible en México. La Cámara Nacional de las Industrias Azucarera y Alcoholera (CNIAA) planteó utilizar el bagazo de

la caña como fuente de energía renovable intermitente, a fin de instalar plantas de cogeneración

que haga más rentables a los ingenios.1

La producción de caña de azúcar en México genera 440 mil empleos directos y 2.5 millones de

empleos indirectos. En México el consumo de azúcar por habitante oscila entre 44 kilogramos,

anualmente. Nuestro país en el contexto mundial del azúcar ocupa el 7mo lugar en producción de

azúcar centrífuga, 7mo lugar en el consumo de azúcar, 5mo lugar en la producción de caña de

azúcar, y entre el 4to y 5to lugar en la producción de azúcar por hectárea.

En tema de competitividad durante la zafra 2008/2009: El total de la caña molida de azúcar fue de

42.5 millones de toneladas. El rendimiento por hectárea en campo fue de 64.1 toneladas por ha.

La producción de azúcar fue de 5.0 millones de toneladas. El azúcar producido por hectárea fue de

7.5 toneladas. El rendimiento en fábrica fue de 11.67 por ciento. El consumo de petróleo fue de

3.4 litros por tonelada. 2

Estados Productores y Número de Ingenios:

Cantidad de Ingenios Azucareros de la República Mexicana

Estados Ingenios

Veracruz 19

Jalisco 6

1,2 Unión Nacional de Cañeros A.C.-CNPR




San Luis Potosí 4

Oaxaca 3

Michoacán 3

Tabasco 3

Sinaloa 3

Chiapas 2

Nayarit 2

Puebla 2

Tamaulipas 2

Morelos 2

Quintana Roo 1

Colima 1

Campeche 1

Tabla 1. Estados Productores de Azúcar y Número de Ingenios Azucareros en cada uno de ellos.

Fuente: Unión Nacional de Cañeros A.C, http://www.caneros.org.mx/ .México 2009

En la tabla siguiente se muestra diferentes ingenios a lo largo del país, con la relación de

cantidad de materia sólida emitida y la cantidad de combustible consumido en toneladas

por cada hora de trabajo.

Es importante notar cómo los Ingenios San Cristóbal y La Gloria a pesar de tener un

consumo de combustible semejante, difieren en gran cantidad la cantidad de materia

sólida emitida. El Ingenio La Gloria emite casi un 87 % menos materia suspendida que el

ingenio San Cristóbal.

http://www.caneros.org.mx/




Ingenios Azucareros más productores del país.

Ingenio Azucarero

Tipo y Número de

Fuentes

Combustible Tipo de

Contaminantes

Materia Sólida

Emitida (kg/h)

Tipo Consumo

(ton/h)

Ingenio San Cristóbal

Cinco Calderas Acuotubulares

Bagazo de Caña

93.69 Material

Particulado, SO2, NOX.

36,159.00

Ingenio La Gloria

Tres Calderas Acuotubulares

Bagazo de Caña

91.49 CO, SO2, NOX. y

material particulado

4,894.61

Ingenio San Nicolás

Tres Calderas Acuotubulares

Bagazo de Caña

36.71 Material


14,420.169

Ingenio El Potrero

Dos Calderas Acuotubulares

Bagazo de Caña

30.00 Material


4,533.51

Ingenio Emiliano

Zapata

Dos Calderas Acuotubulares

Bagazo de Caña

No reportó Dato

Material Particulado, SO2,

NOX.

No reportó Dato

Tabla 2. Información de Ingenios Azucareros

Fuente: Unión Nacional de Cañeros A.C, http://www.caneros.org.mx/ .México 2008

A continuación se muestra la información de Equipos de Control adoptados por dichos

ingenios:

Ingenio Azucarero

Equipos de Control

Tipo Localización Caudal de Gases

Depurados (m3/h)

Eficiencia (%) de los equipos

Ingenio San Cristóbal

No Poseen Equipos No Poseen Equipos No Poseen Equipos No Poseen Equipos

Ingenio La Gloria Scrubber y Ceniceros

Chimeneas 144,415.92 82

Ingenio San Nicolás

Reinyector, Secador Ciclónico

Chimenea 220,871.40 68

Ingenio El Potrero


Ingenio Emiliano Zapata


Tabla 3. Información de Ingenios Azucareros

Fuente: Unión Nacional de Cañeros A.C, http://www.caneros.org.mx/ .México 2008.






Contaminación Ambiental ocasionada por la quema de Bagazo. En tiempos de zafra, todo ingenio como consecuencia del aprovechamiento sustentable del

bagazo para la generación de vapor, genera grandes emisiones de contaminantes. Uno de ellos

son las cenizas, que a pesar de su baja cantidad generada en comparación con los otros gases,

capaces de generar un malestar social hacia la población circundante en el mejor de los casos; sin

embargo en el municipio de Carlos A. Carrillo ya se han reportado casos de parte de la Secretaría

de Salud de problemas respiratorios en la población infantil como resultado de su inhalación,

enfermedades reportadas como pulmonar alérgicas. Sin embargo a pesar de todas estas

afectaciones, la población entiende a las cenizas como un “mal necesario”, pues ellos sólo ven a la

zafra como una época generadora de empleos, dejando a un lado la contaminación producida

también por gases como los óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre.

Generalmente los quemadores de bagazo utilizan el tiro forzado (consta de un ventilador que

recoge del exterior el aire que utiliza para la combustión y envía los gases de combustión al

exterior) como mecanismo económico para obtener máxima turbulencia y mezcla en el quemado

del combustible, y que al llevarse a cabo la combustión de este último se obtienen gases como

dióxido de carbono (CO2), dióxido de azufre (SO2), óxidos de nitrógeno (NOx) y vapor de agua;

como el bagazo es un sólido fibroso que al llevarse a cabo la combustión genera restos de

composición en carbono que son llamados hollín y cenizas (conocido por los lugareños “tizne”),

este residuo se engloba como partícula sólidas totales (PST).

Para llevar a cabo una separación de las emisiones a la atmosfera de un ingenio azucarero, es

necesario conocer los componentes básicos de esta, si partimos que los procesos de la industria

son suministrados por una fuente de energía que es el bagazo proveniente de la caña de azúcar

(Saccharum officinarum) siendo este ultimo uno de los principales productos agrícolas de México.

Este producto agrícola es industrializado en los ingenios azucareros, girando su economía

alrededor de la producción de sacarosa cuya demanda decrece debido al surgimiento de

tendencias nutricionales en las que lo cotizado son los alimentos bajos en calorías.




Generación de Partículas Sólidas (Cenizas) La calidad y la cantidad de los sólidos residuales oriundos de la quema del bagazo independen de

los sistemas de limpieza a ser empleados. Su calificación y cuantificación, aunque

extremadamente difíciles de ser previstas, son fundamentales para un adecuado proyecto de los

sistemas de limpieza.

De forma general, los sólidos residuales comprenden, además de ceniza de bagazo, grande

cantidad de material no quemado y residuos minerales oriundos del suelo (arena y arcilla).

El total de ceniza esperado puede ser relacionado directamente a la capacidad de generación de

vapor de la caldera. La cantidad de bagazo mal quemado depende de la eficiencia de quema de la

caldera, la cual depende del tipo y de las condiciones operacionales del equipo. Calderas más

modernas tienden a generar menos bagazo mal quemado. Los sólidos minerales dependen de los

procesos de cosecha y transporte de la caña, bien como, de la existencia y de los tipos de sistemas

de lavado de la caña en la industria. Con el aumento de la cosecha mecanizada, y la consecuente

reducción de la utilización de agua de lavado en la caña, mayor cantidad de esos sólidos viene

siendo admitida en las calderas. Todavía, es importante resaltar que cada un de los sólidos antes

mencionados presenta características diferentes de densidad y granulometría, las cuales afectan

mucho el comportamiento delante de los procesos usuales de separación.

Cantidad De Contaminantes Producidos Por El Ingenio San Cristóbal.

Los siguientes datos presentados fueron obtenidos por la empresa privada SEPIASA A.C, empresa

privada contratada para dicha finalidad por el Ingenio San Gabriel y que se nos proporcionó

gracias al Q.F.B. José Martínez Ramírez, actual jefe del Departamento de Control Ambiental.

La tabla siguiente muestra los datos recolectados por dicha empresa:




Parámetro Evaluado Corrida Resultado Valor Máximo Permisible

PST 1 224.63 mg/m3 350 mg/m3

PST 2 211.28 mg/m3 350 mg/m3

Exceso de Aire 1 22.32 % 25.00 %

Exceso de Aire 2 21.61 % 25.00 %

NOx Única 173.19 ppm 375 ppm

SO2 Única 404.00 ppm 2,200 ppm

Tabla 4. Resultados obtenidos por la empresa SEPIASA A.C. para la empresa Fideicomiso Ingenio San Gabriel de los parámetros: PST, Exceso de Aire, Óxidos de Nitrógeno (NOx) y Dióxido de Azufre (SO2) Municipio de

Carlos A. Carrillo. SEPIASA A.C. (2008).

Situación Actual del Ingenio San Cristóbal.

El área de generación de vapor cuenta en la actualidad con 5 calderas alemanas de 45 t/h; 30 atm

y 410ºC, en la actualidad generan vapor a una presión de 26, 23 y 11 atm, debido al estado técnico

deteriorado de los domos de las calderas.

El sistema de agua de alimentar se compone de 4 bombas centrífugas multietápicas de 138 m3/h y

una de 77 m3/h con una presión de descarga de 61 atm y movidas por motores eléctricos. Además

se cuenta con una planta de tratamiento de agua de 120 m3/h y planta de tratamiento térmico

con estación des arenadora con 3 unidades alemanas instaladas con capacidad de 63 m3 cada una.

En la actualidad la extracción de las cenizas se realiza de forma manual y ninguna de las calderas

existente cuenta con el sistema de separación de hollín. La extracción de los gases de escape se

efectúa a través de chimenea de hormigón con forro interior de ladrillos de 4880 mm de salida y

70 m de altura.




Marco Teórico

En las fábricas de azúcar y alcohol de la región, se emplea actualmente el bagazo de la

caña como combustible en las calderas que generan el vapor que necesitan las turbinas para el

accionamiento de generadores eléctricos, molinos de trapiches, bombas centrífugas, ventiladores,

etc. y el vapor de escape se destina a los procesos de fabricación. Las presiones y temperaturas del

vapor generado en estas calderas son relativamente bajas pero suficientes para lograr un

equilibrio energético entre fuerza motriz y vapor para procesos. Con calderas de presión y

temperatura de vapor más altas y mejor rendimiento se puede accionar una turbina con un

generador eléctrico de mayor potencia, que cubre las necesidades propias de la fábrica y queda un

importante excedente que se podría vender a la red de distribución pública sin que haya

incremento de costos en combustible.1

Sin embargo la contraparte de la existencia de un combustible utilizado como una fuente

de tecnología renovable intermitente, es la combustión, ya que genera gases contaminantes; “La

quema de bagazo en la producción de azúcar ha elevado la emisión de contaminantes en el

Ingenio… ya que no cuenta con calderas adecuadas para este proceso, sostuvieron ecologistas y

autoridades ambientales”. 2

CONTROL DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS Algunas técnicas para controlar la emisión de contaminantes del aire no requieren equipo

adicional, mientras que otras requieren control "agregado". El control agregado es aquel que se

añade a los procesos que generan contaminación con la finalidad de destruir o capturar los

contaminantes. La técnica elegida para controlar la emisión de contaminantes en una determinada

fuente depende de muchos factores; el más importante es si el contaminante es un gas o una

partícula. El siguiente diagrama engloba las técnicas que se consideran para la propuesta del

sistema

1Diario Reforma, 28 de marzo del 2009.

2Agüero, Carlos J, et al. “Consideraciones Sobre el Aprovechamiento Racional del Bagazo de Caña como

Combustible”, Revista CET: Investigación y Desarrollo, ISSN 1668-9178, 27: (2006)




Control de Emisiones Contaminantes

Técnicas de Control

Agregado

Emisiones Gaseosas

Sistemas de Combustión.

Sistemas de Adsorción.

Sistemas de Absorción.

Sistemas de Condensación.

Emisiones Sólidas

Colestores de Inercia

Precipitador Electrostático.

Filtro de Mangas

Lavadores y Absorbedores

Húmedos.

Técnias de Control No Agregado

Cambio de Procesos

Cambio de Combustibles

Buenas Prácticas de Operación.

Cierre de Plantas.




Las técnicas para limitar la emisión de contaminantes del aire sin el uso de control

agregado son:

a) Cambio de procesos b) Cambio de combustibles c) Buenas prácticas de operación d) Cierre de plantas

Estos métodos de control se aplican tanto para los gases como para las partículas. “El método más

común de control de contaminantes gaseosos es la adición de dispositivos de control agregado

para destruir o recuperar un contaminante”.

a) Cambio de procesos

Alrededor del año 1885, se quemaba bagazo húmedo en calderos elementales y con el avance del

tiempo y la tecnología se ha introducido mejoras progresivas a los primitivos hornos y en la

actualidad se tiene variedad de hogares de combustión de bagazo y sistemas de alimentación y

aprovechamiento de combustibles sólidos y sus gases.

“La quema de bagazo en la producción de azúcar ha elevado la emisión de contaminantes en el

Ingenio… ya que no cuenta con calderas adecuadas para este proceso, sostuvieron ecologistas y

autoridades ambientales”.1

El combustible que se utiliza en las diferentes calderas de los ingenios azucareros es el bagazo que

se obtiene en la molienda de la caña diariamente, sin tener almacenamiento del bagazo, pre

secado, como tampoco ningún proceso de preparación (trituración, transporte neumático, secado)

del combustible sólido, por lo que la humedad promedio está en el orden del 50% en base

húmeda. Es necesario recordar que el secado es una operación unitaria que implica la

transferencia de masa y energía en forma dual y está gobernado por las leyes físicas de Fick y

Fourier (ley general del transporte) respectivamente, es decir de transporte de masa y calor, en

función de gradientes concentración de masa y temperatura, siempre de valores mayores a

menores.

1Diario Reforma, 28 de marzo del 2009.




Con el secado de un producto se logra bajar los valores e humedad del mismo y

consecuentemente mejorar la producción de calor en la combustión de una unidad de masa de

combustible (bagazo).

El bagazo al tener una humedad promedio luego de la molienda de 50% en base húmeda, puede

ser secado hasta valores convenientes (> 30%) que procuren mejores condiciones térmicas en la

combustión y consecuentemente incremento en la eficiencia térmica de los calderos de bagazo,

además que el consumo de combustible en los calderos de bagazo es función del porcentaje de

humedad en base húmeda con que se presente el bagazo.

b) Cambio de combustibles

Los combustibles fósiles, el petróleo, el carbón y el gas contribuyen de manera muy importante al

calentamiento del planeta, que constituye un riesgo múltiple para la agricultura y otras actividades

humanas. Además, los expertos afirman que las reservas de combustibles fósiles sólo durarán

otros 40 o 50 años. Estos dos hechos por sí solos hacen la investigación en materia de fuentes

sustitutivas de energía más apremiante que nunca. El Coordinador de Energía de la FAO, Sr.

Gustavo Best, habló de los combustibles de biomasa y de otras fuentes de energía.

El cambio climático está muy íntimamente ligado a las pautas de utilización de la energía. La

primera forma de reducir el cambio climático es modificar las fuentes de energía que utilizamos y

es aquí donde vienen al caso los energéticos renovables y la energía de biomasa en particular.

Con la caña de azúcar, ya sea el azúcar o el bagazo se pueden aprovechar como fuente de energía.

El bagazo es lo que queda una vez exprimida la caña, y resulta muy útil como combustible, forraje

y material para construcción. Los ingenios azucareros utilizan el bagazo como fuente de energía,

para obtener calor durante el proceso de elaboración del azúcar. La tecnología moderna permitiría

aprovechar el bagazo con mucha más eficiencia, de modo que sobra mucho que se puede utilizar

para generar electricidad mediante una central normal de combustión y generación de energía.

La Cámara Nacional de las Industrias Azucarera y Alcoholera (CNIAA) planteó utilizar el bagazo de

la caña como fuente de energía renovable intermitente, a fin de instalar plantas de cogeneración

que haga más rentables a los ingenios. “No se puede concebir una industria azucarera moderna




que no contemple la cogeneración de energía eléctrica, el etanol y la producción de azúcar. En

México nada más producimos azúcar. Hay que movernos hacia el modelo de ingenio moderno que

existe en otros países”, Presidente de la CNIAA, Juan Cortina Gallardo1

c) Buenas prácticas de operación

Secador de bagazo

Cada tonelada de bagazo contiene 500 litros de agua que se evaporan durante la combustión. En

presencia del bióxido de azufre generado por combustóleo se produce ácido sulfúrico que corroe

las partes internas de la caldea, ductos y ventiladores. Un sistema de secado de bagazo traería

ahorros por 400,000 USD.1

d) Cierre de plantas

La contaminación del aire puede causar trastornos tales como ardor en los ojos y en la nariz,

irritación y picazón de la garganta y problemas respiratorios. La contaminación del aire también es

causante de neblina, la cual reduce la visibilidad en los parques nacionales y otros lugares y, en

ocasiones, constituye un obstáculo para la aviación. Lo cual es uno de los principales motivos para

el cierre de una planta productora de azúcar.

Técnicas de control agregado para Emisiones Contaminantes.

1. Emisiones Gaseosas

a) Combustión. Los dispositivos de combustión incluyen equipos tales como incineradores

termales y catalíticos, quemadores, calderos y calentadores industriales.

1 Utilizar el bagazo de la caña como fuente de energía, MÉXICO, D.F; 6 junio 2007, Notimex

Experiencias de proyectos de ahorro de energía y cogeneración. Comisión Nacional para el Uso Eficiente de Energía CONAE, México 2007.




La combustión es la rápida oxidación de una sustancia producto de la combinación del

oxígeno con un material combustible en presencia de calor.

b) Procesos de Absorción. Basan su funcionamiento en el hecho de que los gases residuales

están compuestos de mezclas de sustancias en fase gaseosa, algunas de las cuales son

solubles en fase líquida. En el proceso de absorción de un gas, el efluente gaseoso que

contiene el contaminante a eliminar se pone en contacto con un líquido en el que el

contaminante se disuelve. La transferencia de materia se realiza por el contacto del gas

con el líquido en lavadores húmedos o en sistemas de absorción en seco.

c) Procesos de Adsorción. Una alternativa a los sistemas de absorción por líquido lo

constituye la adsorción de los contaminantes sobre sólidos. En los procesos de adsorción

los gases, vapores y líquidos se retienen sobre una superficie sólida como consecuencia de

reacciones químicas y/o fuerzas superficiales. Se produce una difusión desde la masa

gaseosa hasta la superficie externa del sólido y de las moléculas del gas dentro de los

poros de sólido seguida de la adsorción propiamente dicha de las moléculas del gas en la

superficie del sólido. Los sólidos más adecuados para la adsorción son aquellos que tienen

una elevada porosidad y área superficial para facilitar el contacto sólido-gas.

Periódicamente, es necesaria la sustitución o regeneración del adsorbente para que su

actividad no descienda de determinados niveles.

d) Los condensadores remueven contaminantes gaseosos mediante la reducción de la

temperatura del gas hasta un punto en el que el gas se condensa y se puede recolectar en

estado líquido. La condensación se puede lograr mediante un incremento de la presión o

la extracción de calor de un sistema. La extracción de calor es la técnica que más se

emplea. Los condensadores se usan generalmente para recuperar los productos valiosos

de un flujo de desechos. Usualmente se usan con otro dispositivo de control donde los

gases remanentes del flujo contaminante pueden destruirse en un incinerador.

2. E misiones Sólidas.

A continuación se mencionan las distintas tecnologías que se cuentan con respecto a la

captación de emisiones sólidas.




a) Colectores de Inercia (Ciclones).

Los ciclones son los equipos de separación inercial que poseen una mayor eficacia en la captación

de partículas. Están formados básicamente por un recipiente cilíndrico vertical donde se introduce

tangencialmente el gas portador, cargado de partículas de polvo. La corriente se desvía en círculo

y por efecto de la fuerza centrífuga, las partículas se lanzan al exterior al formar la mezcla gaseosa

un remolino vertical descendente. Esta corriente en espiral del gas cambia de dirección al llegar al

fondo del recipiente y sale por el conducto situado en el eje.

Los ciclones son dispositivos útiles y baratos para la captación en seco de polvo ligero o grueso. Sin

embargo, la eficiencia de captación de estos equipos es muy baja, sobre todo, en la eliminación de

partículas pequeñas, por lo que su utilización se reduce, por lo general, a desempolvado previo al

paso de los gases por un sistema más eficaz.

b) Precipitadores Electrostáticos.

Los precipitadores electrostáticos basan su principio de funcionamiento en el hecho de cargar

eléctricamente las partículas, para una vez cargadas someterlas a la acción de un campo eléctrico

que las atrae hacia los electrodos que crean el campo, depositándose sobre ellos. Los

precipitadores más utilizados a escala industrial son los de diseño de etapa única, por su gran

capacidad de tratar gases con concentraciones de polvo muy altas. Estos precipitadores pueden

separar cualquier tipo de sustancia en forma de partículas, alcanzando eficacias superiores al 99%,

siempre que la resistividad eléctrica de las partículas no sea demasiado alta, en este caso será

necesario acondicionar la corriente gaseosa con la adición de determinados productos.

c) Filtro de Mangas.

El sistema de filtros consiste en hacer pasar una corriente de gases cargados con partículas de

polvo a través de un medio poroso donde queda atrapado el polvo. El filtro de mangas ha sido uno

de los más utilizados durante los últimos años, ya que pueden tratar grandes volúmenes de gases

con altas concentraciones de polvo. Con este tipo de equipos pueden conseguirse rendimientos

mayores del 99%, independientemente de las características de gas, haciendo posible la

separación de partículas de un tamaño del orden de 0.01 micras. Conforme pasa el gas, la capa de




polvo depositado sobre el material filtrante, que colabora en el proceso de interceptación y

retención de partículas de polvo, se va haciendo mayor, aumentando la resistencia al flujo y la

pérdida de carga, lo que obliga a disponer de mecanismos para la limpieza automática y periódica

del filtro.

d) Lavadores y Absorbedores húmedos.

Los lavadores y absorbedores húmedos son equipos en los que se transfiere la materia suspendida

en un gas portador a un líquido absorbedor en la fase mezcla gas-líquido, debido a la colisión entre

las partículas de polvo y las gotas de líquido en suspensión en el gas. El absorbedor de columna de

relleno contiene una sustancia inerte (no reactiva), como plástico o cerámica, que aumenta la

superficie del área líquida para la interfaz líquida/gaseosa. El material inerte ayuda a maximizar la

capacidad de absorción de la columna. Además, la introducción del gas y líquido en extremos

opuestos de la columna permite que la mezcla sea más eficiente debido al flujo contra corriente

que se genera. Los absorbedores pueden alcanzar una eficiencia de remoción mayor de 95 por

ciento.




Metodología.

Para el control de emisiones contaminantes se tienen dos técnicas, técnicas de control no

agregado y técnicas de control no agregado, sin embargo para ello se debe de realizar un análisis

de lo que se requiere y necesita en dicho ingenio, en primer lugar se tienen las de control no

agregado:

a) Cambio de Procesos, el secado del bagazo aun siendo una vía para la disminución de la

contaminación a la atmosfera conlleva a un proceso que requiere de grandes espacios, por

lo que no se cuenta con los almacenes suficientes para llevar a cabo el proceso, sin

embargo es posible seguir quemando bagazo húmedo en las calderas bagaceras.

b) Cambio de Combustible, es difícil proponer un nuevo combustible natural renovable y

sustentable para el ingenio azucarero como lo es el bagazo, siendo que es un residuo que

se combustión y se aprovecha en su totalidad para la producción de azúcar.

c) Buenas prácticas de operación, La eliminación de agua del bagazo es una técnica que

ayuda a disminuir los daños ocasionados por la acidez de los gases que corroe a las partes

internas de la caldera, ductos y ventiladores.

d) Cierre de la planta, es una opción de un tanto drástica debido a que la estabilidad

económica del municipio como de la sociedad, basada en el número de empleos directos e

indirectos, y el ingenio en este momento se encuentra dentro de los límites de emisiones a

la atmosfera.

En segundo lugar se tienen las técnicas de control agregado, las cuales se seleccionaran en

base a comparación de costo-beneficio. Y considerando que en las emisiones tenemos gases y

partículas solidas, por lo que se compararan a continuación cada una de ellas con respecto a

un efluente solido de una corriente gaseosa.

Tecnologías para limitar la Emisión de Partículas Solidas

Características Colectores de Inercia

(Ciclones)

Precipitadores

Electrostáticos

Filtro de Mangas Lavadores Tipo

Venturi

Agente de Separación Fuerza Inercial Campo Eléctrico Medio Filtrante Transferencia de masa

Principio de

Separacion

Diferencia de

densidades

Carga de Partículas

solidas

Diámetro de Partícula Diferencia de

densidades

Diámetro de la

partícula

>2.5 µm >1 µm >2.5 µm >0.1 µm

Eficiencia 90-99% 95-99% 95-99.99% 99%

Temperatura Máxima 1000ºF[540ºC] 700ºF[371.11ºC] 500ºF[260ºC] 750ºF[400ºC]

Flujos de Aire 0.5-12 m3/s 0.5-50 sm3/s 0.1-50 0.2-47 m3/s

Costo de Capital $4,600 a $7,400 por

m3/s

$42,000 a $260,000 por

sm3/s

$13,000 a $55,000 por

m3/s

$5,300 a $45,000 por

m3/s

Costo de Operación y

Mantto.

$1,500 a $18,000 por

m3/s

$8,500 a $19,000 por

sm3/s

$11,000 a $50,000 por

m3/s

$9,300 a 254,000 por

m3/s

Tabla 5. Se construyo en base a las Hojas de Datos - Tecnología de Control de Contaminantes del Aire.




Realizando el análisis de costo-beneficio y con el tamaño de partícula a separar podemos

seleccionar el colector de inercia (ciclón), porque su costo de capital y mantenimiento es el menor

de los 4, y considerando que la temperatura de salida de la caldera esta dentro del margen

permisible, mientras que el tamaño de la partícula va aumentando (en los rangos), la eficiencia del

ciclón va aumentado considerablemente.

Control De Emisiones Gaseosas

Emisión de SO2

Ahora comparando las técnicas de control de emisiones gaseosas sabemos que son:

combustión, absorción, adsorción y condensación, de las cuales puede descartarse la

combustión porque las emisiones contaminantes que se tienen del ingenio azucarero no

son gases que puedan ser quemados para que disminuya su reactividad y/o efecto

contaminante, y si se someten a combustión se consideran mas peligrosos como es el SO3

que tiende a ser mas reactivo que el SO2.

A continuación se presenta una Tabla Comparativa de las Tecnologías actuales para limitar

los SO2 de procesos de combustión:




Tecnologías para limitar los SO2 de Combustión Externa

Técnica Lavado, absorción

de gases

Inyección de

a. dolomita o

CaCO3(B.S.)

b. Ca(OH)2 /

CaCO3(B.H.)

Carbón Activado Catálisis

Descripción

Ocurre con un

líquido

absorbente, donde

existe la

transferencia de

masa.

a. Eliminación de gases

ácidos por reacción, del

polvo en suspensión

b. El sistema húmedo es

el mas eficaz para la

remoción de gases

ácidos

Alternativa frente a la

elevada generación de

productos sin posibilidad de

reutilización

obtención de

subproductos que

pueden ser

empleados como

materia prima en

otros procesos

industriales

Ventajas

Reducción de 50%

Azufre Pirítico

30% del Azufre

total

a. 50% de Sulfitos y

sulfatos

b. 90% en la eliminación

del SO2

Eextracción de solventes y

purificación de aire

procedente de aparatos de

aire acondicionado y de

campanas extractoras,

tratamiento de gases

producidos por el humo.

Alta Remoción de SO2

Desventajas

Oxida el sulfito y

precipitan sulfatos

ácidos de difícil

eliminación

a. Aumento de Cenizas

volantes en la salida y

recolección con

Ciclones

b. Las sales generadas

aumenta la extensión

de su acción

contaminante

Para la regeneración

requiere la inversión

considerable de calor en

cualquier horno de multiple-

calor y causa altas pérdidas

de carbón

Costo de capital muy

alto, alto costo de

operación, Ubicación

del catalizador,

Impactos

Genera aguas

residuales que

deben someterse a

un tratamiento de

depuración

No evita la producción

de residuos sólidos y

genera aguas residuales

que deben someterse a

un tratamiento de

depuración

Mínimos por reutilización A alas temperaturas

reacciona


La selección de la mejor tecnología se hará en base al mismo criterio anterior (análisis

costo-beneficio), donde en el cuadro comparativo tenemos que la inyección de hidróxido

de calcio y carbonato de calcio, es el idóneo por bajo costo de capital y mantenimiento,

sin embargo el tratamiento puede ser manipulado para reducir grandes transferencia de

contaminantes (gaseosa-liquido), y obtener con la reacción partículas que pueden

precipitarse y utilizarse como material de construcción.




Emisión de NOx

La selección de la mejor tecnología para el control de NOx debe tomarse en cuenta que puede

usarse la misma tecnología de comparación que para el control de los SOx donde se utilizaba un

absorbente para retirar los componentes no deseados de la corriente gaseosa.

Tecnologías para limitar los NOx de Combustión Externa

Técnica

Reducción Catalítica

Selectiva (RCS) Tecnología

de adición

Reducción no catalítica

Selectiva(RNCS)

Tecnología de adición:

a. Urea

b. Amoniaco

Uso de Sorbentes

(tecnología de adición)

a. Combustión

b. Ducto a la casa de

bolsas

c. Ducto al precipitador

electrostático

Re-quemado de

combustible

Descripción

Catalizador Localizado en el

flujo de aire, promueve la

reacción entre el amoniaco

y el NOx

Inyectar reactivo para

reaccionar con NOx

Utilizar una sustancia

química para absorción

de NOx o un

adsorbente para

atraparlo

Inyectar

combustible

para reaccionar

con NOx

Ventajas Alta Remoción de NOx

a. Bajo costo capital,

remoción moderada de

NOx, sustancia química

no toxica

b. Bajo costo de

operación, remoción

moderada de NOx

Puede atrapar otros

contaminantes así

como NOx, costo de

operación moderados

Costo

moderado,

Reducción

moderada de

NOx

Desventajas

Costo de capital muy alto,

alto costo de operación,

Ubicación del catalizador,

Aumento en la caída de

presión, Puede requerir

enjuague con agua

a. Dependiendo de la

temperatura, menor

reducción de NOx a

cargas mas bajas

b. Costo de capital

moderadamente alto,

Almacenaje, manejo,

sistema de inyección del

amoniaco

Costo de manejo del

sorbente, Espacio para

almacenamiento y

manejo del sorbente

Extiende el

tiempo de

residencia

Impactos

Requisitos de espacio,

deslizamiento del

amoniaco, Residuos tóxicos

de desecho

a. Geometría del horno,

Perfil de la temperatura

b. Geometría del horno,

Perfil de la temperatura

Tecnología de adición

Perfil de

temperatura del

horno

Aplicabilidad Todos los combustibles Todos los combustibles Todos los combustibles

Tolos los

combustibles

(sólidos

pulverizados)





Cronograma de Actividades

Actividad/Periodo

Semestre

Febrero-Julio

2010

Periodo de

Verano 2010

Semestre Agosto-

Diciembre 2010

Conocer el área física en donde se tiene pensado

instalar dicho sistema •

Investigar las composiciones y flujos másicos de las

corrientes de gas. •

Obtener los balances de materia para determinar las

cantidades generadas de cada contaminante •

Realizar una investigación de campo para determinar el

mejor sistema de separación para cada caso. •

Calcular y determinar las mediciones y especificaciones

de cada equipo •

Llevar a cabo un análisis económico para determinar la

inversión total •

Determinar si el proyecto es viable o no lo es • •

En caso de ser viable proponerlo al ingenio •

En caso de no serlo, replantear los objetivos específicos. •

Referencias:

Glynn, J. H., & Escalona García, H. J. (1999). Ingeniería ambiental. Barcelona, España:

Pearson Education.

SEMARNAT. (2 de Marzo de 2006). Secretería del Medio Ambiente y Recursos Naturales.

Recuperado el 9 de Diciembre de 2009, de

http://www.semarnat.gob.mx/leyesynormas/Pages/normasoficialesmexicanasviges.aspx

Career

Control Emisiones Ingenio2009