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June 12, 2025 Vol 19

Estimación de emisiones a la atmósfera de contaminantes atmosféricos y gases de efecto invernadero

Actualmente, los métodos más utilizados para la estimación de emisiones de contaminantes a la atmósfera y gases de efecto invernadero debido al proceso de combustión que se lleva a cabo en los diversos procesos industriales corresponden a 1) muestreo en fuente, 2) monitoreo continuo de emisiones, 3) factores de emisión, 4) estequiometría y 5) balance de materiales.

En general, para la realización de inventarios de emisiones se utilizan diversas técnicas de estimación de emisiones, las cuales van desde el monitoreo en fuente hasta la extrapolación de datos de emisiones; la aplicación de estos métodos se debe realizar en función de la cantidad, tipo y calidad de la información con la que se cuenta, el uso de estas técnicas implica diferentes niveles de confiabilidad y costo (Figura 1). De estas técnicas, las más utilizadas en el cálculo de fuentes fijas, son el uso de Facto- res de Emisión y la Medición Directa, siendo este último el método más confiable, pero también el más elevado en costo.

Figura 1. Confiabilidad y costos para la estimación de emisiones

Muestreo en fuente

Este método es el monitoreo de contaminantes en la fuente y se caracteriza por la alta precisión y confiabilidad de los datos que reporta (Figura 2); esta técnica es costosa en su implementación, ya que depende en gran medida de las características y la confiabilidad del equipo de muestreo empleado [Radian, 1996]. Esta técnica se emplea para utilizarla en el inventario de emisiones cuando se tienen los datos suficientes para reproducir el cálculo de emisiones y que cumplan con los criterios de calidad para que esta información sea válida en cada uno de los puntos de emisión medidos. Para calcular las emisiones atmosféricas por esta técnica de estimación se consideran como parámetros para el muestreo 1) los puntos emisores, 2) los datos de concentración, 3) características de chimeneas y 4) operación de los equipos de generación, entre otros.

Figura 2. Muestreo en fuente

Caso ejemplo real:

Se determinó una concentración de 100 ppm de NO2 en los gases de salida de una chimenea a un flujo volumétrico de 500 m3 por minuto. Determina el nivel de emisión atmosférica de NO2. El volumen molar fue de 24.13 L/mol a 20 ºC y 1 atm.

Monitoreo continuo de emisiones

Se realizó un monitoreo continuo de emisiones en una fuente fija, y los resultados se muestran en la Tabla 1. Determina la emisión atmosférica por SO2 . Los datos son los siguientes:

HHV: poder calorífico del combustible, 18000 BTU/lb

PM: masa molecular, 64 lb/lbmol

V: volumen molar, 385.5 ft^3/lbmol a 68 ºF y 1 atm

Qf: consumo de combustible, 46000 lb/h

OpHrs: total de horas anuales en operación , 5400 h

dscfm: dry standard cubic feet per minute, ft^3/min

Tabla 1. Monitoreo continuo de emisiones

timeO2 (%V)SO2 (ppmv)Velocidad de los gases de salida (dscfm)
11:002.11,004155,087
11:152.01,100155,943
11:302.11,050155,087
11:451.91,070154,122
12:001.91,070156,123
....
nnnn
promedio2.01,058.8155,272

Estequiometría

Generalmente, la estequiometría de la reacción química ayuda para conocer el factor de emisión, y a partir de este dato conocer el nivel de emisión atmosférica, el siguiente ejemplo es el caso de identificar el factor de emisión de dióxido de azufre, SO2, en unidades de {kg SO_2}/{ton_fuel}. El SO2 se forma mediante el proceso de combustión que ocurre entre el azufre (S) y el aire (O2); es decir, diversos combustibles fósiles contienen azufre, por lo que, el SO2 se libera a la atmósfera mediante el proceso de combustión. Si se considera que la reacción química entre el S y O2 se lleva a cabo al 100%, se tiene:

$$S+O_2 \implies SO_2$$

Considerando el contenido de azufre en el combustible en % masa/masa

$$\%S=\frac{1kgS}{100kg_{fuel}}*\frac{1000kg_{fuel}}{1ton_{fuel}}*\frac{kmolS}{32kgS}*\frac{kmolSO_2}{kmolS}*\frac{64kgSO_2}{kmolSO_2}=20(\%S)\frac{kgSO_2}{ton_{fuel}}$$

Ahora bien, si se considera que la densidad del combustible (por ejemplo combustóleo) fuera de 0.975 kg_fuel/L_fuel, el factor de emisión seria:

$$20(\%S)\frac{kgSO_2}{ton_{fuel}}*\frac{ton_{fuel}}{1000kg_{fuel}}*\frac{0.975kg_{fuel}}{L}=19.5(\%S)\frac{kgSO_2}{1000L_{fuel}}$$

Finalmente, si este factor de emisión se comparará con el reportado del documento AP-42 Compilation of Air Emission Factors from Stationary Sources en Chapter 1 External Combustion Sources en 1.3 Fuel Oil Combustion, Final Section, Tabla 1.3-1, el cual, es de 157S {lbSO_2}/{1000gal_fuel} para procesos industriales, sólo deberiamos convertirlo a unidades del Sistema Internacional; es decir:

$$157(\%S)\frac{lbSO_2}{1000gal_{fuel}}*\frac{0.454kgSO_2}{1lbSO_2}*\frac{1gal_{fuel}}{3.785L_{fuel}}=18.5(\%S)\frac{kgSO_2}{1000L_{fuel}}$$

Esto asume que el factor de emisión determinado y reportado en AP-42 fue considerando que la reacción entre el S y O2 fuel del 97%.

Uso de Factores de Emisión

Problema. Una central eléctrica a base de combustóleo grado 6 tiene un consumo diario de 3,500 m3/día. La central tiene quemadores tipo normal bajo NOx. El análisis químico del combustóleo indica que el contenido de azufre fue del 4.5% masa/masa. Con esta información determina la emisión atmosférica de los principales contaminantes del aire referidos en el AP-42 de la USEPA Chaper 1, Fuel Oil Consumption. Sí la central usará quemador tipo tangencial, cuáles serían las emisiones atmosféricas?

Problema. Una central eléctrica a base de carbón mineral tipo bituminoso tuvo un consumo de 2,716 Mg/día. La central tiene configuración del quemador tipo PC con fondo seco, lado caliente. El análisis químico del carbón mineral indicó que el contenido de azufre fue de 1.2% masa/masa, y de la ceniza el 10%. Determina la emisión atmosférica de los principales contaminantes del aire referidos en AP-42 de la USEPA. Si el contenido de mercurio en el carbón mineral fue de 0.333 mg/kg, ¿cuál fue el nivel de emisión atmosférica para este tóxico del aire?

Gilberto Fuentes García

El Dr. Gilberto Fuentes García es Ingeniero Químico de profesión por la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México, sus estudios de Maestría y Doctorado los realizó en el Posgrado de Ingeniería de la UNAM por la Facultad de Ingeniería. Tiene posdoctorado a nivel internacional por el Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) en Barcelona, España. Actualmente, es investigador posdoctoral en el Instituto de Ciencias de la Atmósfera y Cambio Climático de la UNAM. Es docente en el área Ambiental en la Licenciatura en Ingeniería Ambiental (LIA) de la Facultad de Ingeniería UNAM. Tiene participación en comités tutorales de Maestría y Doctorado. Tiene experiencia en el uso de modelos de calidad del aire y meteorología para evaluar la calidad del aire; así como, en el diseño y la implementación de estaciones de monitoreo atmosférico con vías a evaluar la calidad del aire.

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