ESTIMACIÓN DE EMISIONES MEDIANTE BALANCE DE materiales

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Estimaciónde misionesmediantebalance deemisión

ESTIMACIÓN DE EMISIONESMEDIANTE BALANCE DE

MATERIALES

El balance de materiales (también conocido como balance demasa), es un método utilizado para estimar las emisiones dealgunas categorías de fuentes, en donde se conoce el volu-men y la composición química de los insumos o materiasprimas utilizadas. El método de balance de materiales puedeusarse en los casos en que no hay datos disponibles demuestreos en la fuente o factores de emisión aplicables. Dehecho, para algunas fuentes, un balance de materiales es elúnico método práctico para estimar las emisiones con exacti-tud. Por ejemplo, en muchos casos, el muestreo en la fuentede emisiones de COVs, intermitentes o fugitivas puede sermuy difícil y costoso, por lo que es recomendable aplicar téc-nicas de estimación de emisiones a partir del balance de ma-teriales.

El uso de un balance de materiales implica el análisis de unproceso para determinar si las emisiones pueden ser estimadasconociendo únicamente los parámetros específicos de opera-ción y la composición de los materiales. Si bien el balance demateriales es una herramienta valiosa para estimar las emisio-nes de muchas fuentes, su aplicación requiere que se conozcacierta información sobre el material estudiado en cada punto alo largo del proceso. El uso del balance de materiales es muyadecuado en los casos en que pueden conocerse los compo-nentes del proceso, excepto de las emisiones al aire. Si no se

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cuenta con esta información y, por lo tanto, deben hacersesuposiciones, se pueden generar serios errores.

Para obtener las emisiones de COVs de las fuentes pun-tuales y de área, por ejemplo, se usa por lo general un balan-ce de materiales para estimar las emisiones por evaporaciónde solventes. Esta técnica es aplicable de igual manera a lasfuentes puntuales y a las fuentes de área. En las fuentes pun-tuales se puede usar a nivel de dispositivo o de planta, mien-tras que en el caso de las fuentes de área el balance de mate-riales puede aplicarse a nivel regional o nacional.

La Figura 11-1 ilustra algunos ejemplos del uso de balan-ce de materiales para fuentes puntuales. El método más sim-ple de balance de materiales es suponer que todo el solventeconsumido por un proceso se evapora durante éste. Por ejem-plo, es razonable suponer que durante muchas operacionesde pintura de superficies todo el solvente en la pintura seevapora a la atmósfera durante el proceso de secado. En talescasos, las emisiones simplemente son iguales a la cantidadde solvente aplicado en la pintura (y en los adelgazadoresañadidos) como una función del tiempo. Otro ejemplo simi-lar es el uso de solventes para lavado de ropa en seco, talcomo se realiza en las tintorerías. Para estimar las emisionesde este tipo de procesos, sólo se requiere conocer la cantidadde solvente adquirido en cada tintorería durante el intervalode tiempo de interés, porque se supone que las emisionesson iguales a la cantidad de solvente comprado.

En procesos donde se maneja una cantidad semifija desolvente, donde el solvente que se gasta es reemplazado cadadeterminado periodo o cada vez que es necesario, puedesuponerse que el solvente gastado es equivalente a las emi-siones. La suposición de que el solvente de reemplazo esigual a las emisiones por evaporación también es útil en al-gunas situaciones más complicadas. Por ejemplo, si se em-plea un equipo de control de emisiones no destructivo comoun condensador o un absorbedor, esta suposición es válidaen la medida que el solvente capturado sea regresado al pro-


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FIG. 11-1. EJEMPLOS DE BALANCE DE MATERIALES


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ceso. De manera similar, esta suposición será aplicable si enla planta se practica la recuperación de solvente residual yasea por destilación o por reducción o secado. Ambas prácti-cas reducen los requerimientos de solvente de reemplazo enel proceso y, por lo tanto, la cantidad de solvente que seconvierte en emisiones fugitivas y que se pierde hacia laatmósfera.

Existen pruebas que proporcionan información sobre ba-lance de materiales y determinaciones gravimétricas para va-rios procesos industriales, publicados por la American Societyfor Testing and Materials (ASTM) (Sociedad Americana paraPruebas y Materiales). En general, el uso de un balance demasa o de materiales para determinar las emisiones totalesde un proceso es sencillo y costeable. Los COVs totales emi-tidos de un proceso de mezclado de pintura por lotes, porejemplo, se calcularía como se muestra a continuación (deacuerdo con el Método D 2369, de la ASTM):

COVqe (lb/gal) - COVpm (lb/gal) = COVe (lb/gal) (11-1)

donde:qe = que entrapm=pintura mezcladae=emitidos

Asimismo, el análisis del combustible puede usarse para pre-decir las emisiones de procesos de combustión, con base enla aplicación de las leyes de conservación de la materia. Lapresencia de ciertos elementos en los combustibles puedeusarse para predecir su presencia en las corrientes de emi-sión. Esto incluye elementos tóxicos tales como los metalesque se encuentran en el carbón, así como el azufre que pue-de ser convertido en otros compuestos durante el proceso decombustión.

La ecuación básica que se usa en los cálculos de emisio-nes a partir del análisis del combustible es:


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Donde:

Qcomb. =Consumo de combustible, flujo másico (p.ej., kg/hr)CCC =Concentración del contaminante en el combustibleMWce =Peso molecular del contaminante emitido (lb/lb-mole)MWcc =Peso molecular del contaminante en el combustible

(lb/lb-mole)

Por ejemplo, las emisiones de SO2 como producto de la quemade combustóleo pueden calcularse basándose en su contenidode azufre. De esta manera, se supone una conversión completadel azufre a SO2. Por lo tanto, por cada libra de azufre (PM=32 g)quemado se emiten dos libras de SO2 (PM= 64g).

EJEMPLO 11-1. Calcular las emisiones de SOx por hora (reporta-do como SO2) de una máquina de combustión interna quequema diesel, con base en los datos del análisis del combus-tible (el contenido de azufre). El consumo estimado de com-bustible es de 150 litros/hr. La densidad del diesel es de0.85kg/litro (7.1 lb/gal). El contenido de azufre en el dieseles 0.05% en masa.

Qcomb. = 150 litros/hr x 0.85 kg/litro= 127.5 kg/hr

CS = 0.05/100= 0.0005

ESO2 = Qcomb. x CS x (MWp /MWf)= 127.5 x 0.0005 x (64/32)= 0.13 kg/hr

En los ejemplos anteriores el balance de materiales se simplifi-ca porque se supone que todo el material que se está balan-ceando es emitido a la atmósfera. Sin embargo, existen situa-ciones en las que esta suposición no siempre es razonable. Porejemplo, si se usa un dispositivo de control destructivo, como

CC

CEcomb. MW

MWCCCQE ××= (11-2)


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un postquemador, un incinerador o una unidad de oxidacióncatalítica en el escape, una parte de los COVs presentes en lacorriente serán oxidados de modo que no es razonable supo-ner que las pérdidas de COVs en el proceso son equivalentesa las emisiones ya que una parte de ellas está siendo contro-lada por dispositivos de control de emisiones. En este caso,las características y cantidades de las emisiones de COVsdeberán determinarse con base en otras técnicas de estima-ción de emisiones como factores de emisión o modelos.

También se pueden llevar a cabo balances de materialespara calcular las emisiones fugitivas de fuentes de área queincluyan la producción, distribución y consumo de combusti-bles (ver Figura 11-2). Por ejemplo, en un estudio enfocado adeterminar este tipo de emisiones en EU se aplicó un balan-ce de materiales para la distribución y consumo de combusti-bles (De Luchi, 1993). Un balance de materiales a nivel na-cional para solventes en pinturas podría ser también el mejormétodo para estimar las emisiones de COVs de esta categoríade fuentes. Un enfoque similar puede adoptarse para estimarlas emisiones a la atmósfera derivadas de la aplicación deplaguicidas. Sin embargo, existen ciertas excepciones dondehay consideraciones adicionales que es necesario tener encuenta. Por ejemplo, las emisiones del desengrasado no soniguales al consumo de solvente si el solvente residual es ven-dido a un reciclador comercial. En esta situación las emisio-nes serán la diferencia entre el solvente consumido y el sol-vente enviado a reprocesamiento. En un ejemplo más, secree que alguna fracción del diluyente usado para licuar as-falto rebajado es retenida en el pavimento y no se evaporadespués de la aplicación.

El ejemplo siguiente muestra que, en algunos casos, lasuposición de que todo el solvente consumido es equivalentea las emisiones de COV del proceso, resultaría en unasobrestimación de las emisiones. Por lo tanto, se utilizan ba-lances de materiales junto con factores de emisión basadosen el proceso para estimar las emisiones. Estos balances son


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parecidos a aquellos que se basan en la diferencia entre lamateria prima y el producto, cuando el factor de emisión paraun proceso está dado por unidad de material consumido.

EJEMPLO 11-2. Calcular las emisiones mensuales de COVs deun desengrasador de vapor. Cada mes, se añaden 100 litrosde solvente al inicio del mes. A principios de mes, se añadenotros 20 litros para rellenar las pérdidas. A fin de mes, seenvían 100 litros de solvente residual a un reciclador y 0.2 kgde residuos sólidos son recolectados para disposición. El sol-vente es 100% COVs. El solvente residual es 98% COVs. Elresiduo sólido es 5% COVs. La densidad del solvente es de1.5 kg/litro.

Qsolvente = (100 litros/mes + 20 litros/mes) x 1.5 kg/litro= 180 kg/mes

Qresidual = (100 litros/mes x 1.5 kg/litro x 98% VOC) +(0.2 kg/mes x 5% VOC)

= 147 kg/mes + 0.01 kg/mes= 147 kg/mes

ECOV = Qsolvente - Qresidual

= 180 - 147= 33 kg/mes

Hay otras situaciones que pueden complicar el balance de materia-les. En primer lugar, no todas las pérdidas de solventes de ciertasoperaciones como el lavado en seco o el desengrasado, se dan enel sitio de la planta. En cambio, se pueden evaporar cantidadessignificativas de solventes en el sitio de disposición del solven-te residual, a menos que sea incinerado o dispuesto de maneraque se impida su evaporación posterior a la atmósfera. En ge-neral, se puede suponer que gran parte del solvente enviado asitios de disposición se evaporará, sin embargo, se debe deter-minar si una parte del solvente asociado con varias operacio-nes se evapora en el punto de disposición más que en el puntode uso, ya que estas pérdidas pueden presentarse fuera delárea cubierta por el inventario.


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FIG. 1

1-2.

EJE

MPL

O D

E BA

LAN

CE D

E M

ATE

RIA

LES

RE

SALT

AN

DO L

AS E

MIS

ION

ES F

UG

ITIV

AS


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FIG. 1

1-2.

EJE

MPL

O D

E BA

LAN

CE D

E M

ATE

RIA

LES

RE

SALT

AN

DO L

AS E

MIS

ION

ES F

UG

ITIV

AS (

CO

NT

INU

AC

IÓN)


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De la misma manera, en algunos procesos de evaporaciónno es posible emplear balances de materiales, debido a quela cantidad de material perdido es demasiado pequeña paraser determinada con exactitud usando los procedimientos demedición convencionales. Por ejemplo, la aplicación de ba-lances de materiales a los tanques de almacenamiento deproductos del petróleo por lo general no es factible, debido aque las pérdidas por respiración y por operación son dema-siado pequeñas con respecto a la capacidad total promediodel tanque. En estos casos, es preferible aplicar técnicas deestimación de emisiones basadas en factores de emisión o enmodelos.

En resumen, con excepción de algunos tipos de fuentetales como los ejemplos de uso de combustibles y de solven-tes presentados anteriormente, el balance de materiales debeser utilizado como un método de «arriba hacia abajo» paraevaluar qué tan razonables son las estimaciones de emisióngeneradas al usar otras técnicas, más que como el principalmétodo de estimación.


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