Evaluación de las emisiones gaseosas e impacto ambiental de una termoeléctrica cubana

Evaluation of gas emissions and environmental impact of a Cuban thermal power plant

 

Lic. Juan Alberto Colás Aroche, Dr. Orlando H. Álvarez Hernández,
Ing. Eduardo Fuentes Quevedo y Tec. Raisa Teuteló Núñez.

Centro de Investigaciones del Petróleo. Washington No. 169, esq. a Churruca, Cerro, Ciudad de La Habana, Cuba. Tel.: (537) 577300 y 577329. Fax: (537) 666021.
e-mail: colas@ceinpet.cupet.cu y oral@ceinpet.cupet.cu

 

Resumen
En el presente trabajo se exponen los resultados obtenidos en la caracterización de las emisiones gaseosas y el impacto de dos calderas de tubos de fuego de una termoeléctrica cubana.

Los resultados del muestreo de SO2 y NOX se recogieron en soluciones específicas para cada contaminante. El muestreo de partículas suspendidas en chimeneas se realizó mediante su recogida en un portafiltros para su análisis por el método gravimétrico. También se efectuaron mediciones de flujo mediante equipos de medición de velocidad captores de presión del tipo tubo Pitot.

La modelación de dispersión de contaminantes emitidos por las chimeneas se ejecutó utilizando la corrida del programa para el cálculo de la concentración a partir de fuentes industriales continuas, siguiendo la metodología aprobada en la Norma Cubana según el modelo de Berliand.

Se concluye que al quemar crudo nacional en las calderas estudiadas, las concentraciones de dióxido de azufre y partículas suspendidas son superiores a lo normado internacionalmente.
Palabras clave: Emisiones gaseosas, impacto ambiental y central termoeléctrica.

Abstract
The present work shows the results obtained in the characterization of gas emissions and the impact of two fire-tube boilers in a Cuban thermal power plant.
The results of the SO
2 and NOX sampling were collected in specific solutions for each pollutant. The sampling of suspended particulates in chimneys/pipes/stacks was made by collecting them in a filterholder for their analysis by means of the gravimetric method. Flow measurements were also made by using pressure sensors of Pilot tube-type speedometers.  
 
The dispersion modelling of pollutants poured out of the chimneys was developed running the program for the concentration calculation from continuous industrial sources and following the methodology approved by the Cuban standard according to Berliand model.
The authors conclude that when burning national crude oil in the studied boilers, sulphur dioxide concentrations and suspended particulates are higher than the internationally  standardized level.
Key words: Gas emissions, environmental impact and thermal power plant
.

Introducción
La contaminación atmosférica representa un peligro considerable para la salud humana, la flora, la fauna y el ambiente en general, ya que se incrementa con el creciente desarrollo y concentración de la población en grandes núcleos urbanos. La aparición de nuevas industrias y tecnologías conllevan a un mayor consumo energético, el cual se alcanza, generalmente, con combustibles fósiles.

El control de las emisiones es una respuesta lógica a los efectos de índole epidemiológica, higiénico-sanitaria y corrosiva que involucran a los asentamientos poblacionales y su entorno. La estrategia de nuestro país en su política energética es ir incrementando paulatinamente la utilización de energías renovables, como la eólica y la solar, en aquellos lugares donde sea difícil llevar la energía eléctrica convencional y al mismo tiempo sea factible debido a sus potencialidades de explotación. Asimismo, y simultáneamente, utilizar el crudo nacional para la generación de energía eléctrica, ya que es una fuente de abastecimiento segura ante cualquier contingencia o problema de mercado, considerando tanto los altos precios actuales del petróleo, como las dificultades que tiene el país para acceder a muchos mercados y fuentes de financiamiento externas.

Los petróleos pesados y sus mezclas poseen características tales como bajo grado API, alto contenido de hidrocarburos aromáticos, asfalteno, elevado contenido de azufre, nitrógeno y la presencia de hidrocarburos altamente inestables, siendo uno de los principales problemas que habrá que resolver, la deposición de los asfaltenos que influyen negativamente sobre la producción, transporte y almacenamiento, así como en su combustión en termoeléctricas para la producción de energía.

La combustión de un combustible con estas características físico-químicas genera gran cantidad de contaminantes, como SO2, SO3 + H2SO4, partículas suspendidas totales (estas últimas inciden negativamente en las incrustaciones en las calderas), periodicidad del mantenimiento, eficiencia y tiempo de explotación útil. También genera NOx, CO, etcétera.

Por eso nuestro país se ve obligado a emplear aditivos que mejoren de una forma u otra la calidad del crudo nacional para su explotación
El objetivo del presente trabajo ha sido la evaluación de la contaminación ambiental originada por la quema del crudo nacional con un aditivo para mejorar la combustión.

Materiales y métodos
Se caracterizaron las emisiones gaseosas de las calderas 5 y 6 de la Central Termoeléctrica (CTE) Renté, ubicada en Santiago de Cuba, mediante un programa de aforo y muestreo según metodologías establecidas [ARPEL, 1997; Yoest y Fitzgerald, 1996, Cheremisinoff y Morresi, 1978]. En cada caldera se tomaron muestras en tres momentos diferentes.

Los contaminantes que se analizaron en ambas calderas fueron:
1. Dióxidos de azufre (SO2).
2. Nieblas de sulfúrico (H2SO4 + SO3).
3. Partículas suspendidas totales (PST).
4. Monóxido de carbono.

El combustible ensayado fue el crudo nacional mejorado (5,20 % de azufre) con aditivo de la combustión mejorado. En el momento de las pruebas la planta estuvo operando a una carga de 60 MW.

Los análisis de cada uno de los contaminantes específicos se realizaron empleando métodos normalizados sobre muestras representativas tomadas previamente en soluciones de absorción específicas. El muestreo de partículas suspendidas en chimeneas se realizó mediante su recogida en portafiltros, para su análisis por el método gravimétrico [ISO 9096, 1992]. También se realizaron mediciones de flujo mediante equipos de medición de velocidad captores de presión del tipo tubo de Pitot.
El análisis de monóxido de carbono lo realizó la propia Empresa.

Resultados y discusión
Análisis de las emisiones
A pesar de que en Cuba no existe aún una regulación referida a las emisiones a la atmósfera de los diferentes contaminantes, se consideró necesario conocer cómo se comportan estas emisiones considerando los límites que no deben excederse para contaminantes emitidos por chimeneas de calderas, hornos, incineradores y equipos de generación eléctrica de acuerdo con las recomendaciones hechas por el World Bank [World Bank…, 1997]; también se calcularon las emisiones máximas admisibles para cada caldera de acuerdo con lo estipulado en la Norma Cubana (NC 39:99 [1999]), debido a que los resultados que se obtienen en los valores de inmisión responden, principalmente, a los valores de emisión y a las características tecnológicas de cada caldera.
Estos resultados permitirán, en un futuro, hacer recomendaciones a los decisores sobre aspectos tales como mejoras tecnológicas, cambios de combustible, etcétera.

Caldera 5
Las características tecnológicas principales de esta caldera son las siguientes:

  • Velocidad de salida de la mezcla gas-aire: 12,28 m/s.
  • Altura de la chimenea: 120 m.
  • Diámetro de la chimenea: 4,8 m.
  • Diferencia de temperaturas: 138 ºC.
  • Emisión: 493 g/s.

Los resultados obtenidos en los aforos realizados en la
chimenea se presentan en la tabla 1.

Como se puede observar en esta tabla, los niveles de concentración de SO2 promedio en la caldera 5 resultan 2,8 veces superiores a la norma de referencia [World Bank…, 1997], resultado del alto contenido de azufre que presenta dicho combustible, al tiempo que los niveles de concentración promedio de las partículas suspendidas totales (PST) mostraron valores superiores a la norma de referencia en 1,8 veces.

Tabla 1. Valores promedio obtenidos de emisiones por la combustión de crudo nacional con aditivo (con corrección a 3 % O2 de referencia)
Crudo nacional con aditivo
Caldera 5 SO2,
mg/m3
H2SO4 + SO3,
mg/m3
NOx,
mg/m3
PST,
mg/m3
Flujo,
Nm3/h
1 5 672 170 303 176 312 468
2 5 549 166 296 172 312 468
3 5 846 175 313 182 312 468
Promedio 5 689 170 304 177 312 468
DS 149,22 4,51 8,54 5,03 -
Norma de referencia 2000 - 460 100 -
(a) Límites que no se deben exceder para contaminantes emitidos por chimeneas de calderas, hornos, incineradores y equipos de generación eléctrica. World Bank, 1997. PST: Partículas suspendidas totales. DS: Desviación estándar.

Los niveles de concentración de aerosol ácido (H2SO4 + SO3) no se regulan en esta norma, aunque se conoce que originan problemas de corrosión en las instalaciones, por lo cual los períodos de mantenimiento tienen que realizarse con una mayor periodicidad con los consiguientes problemas que causa por la falta de generación de la caldera.

Por otra parte, el análisis del monóxido de carbono tampoco se regula en esta norma de referencia, estando los niveles de concentración en 198 ppm, mientras que los niveles de concentración promedio de NOx se encuentran dentro de lo que regula la norma.

Se calculó la emisión límite admisible (ELA), de acuerdo con la norma NC 39:99 [1999], la cual se considera para períodos instantáneos (10 minutos a una hora); resultó ser de 1 060,2 g/s, estando la emisión dentro de lo estipulado para 20 minutos en la norma cubana, lo que concuerda con los resultados obtenidos para los valores de inmisión en 20 minutos. Este resultado indica que es necesario considerar también los valores de inmisión para 24 horas en el momento en que se analice la propuesta de Norma de Emisión para Cuba.

Caldera 6
En este caso, las características tecnológicas de la caldera son:

  • Velocidad de salida de la mezcla gas-aire: 12,87 m/s.
  • Altura de la chimenea: 120 m.
  • Diámetro de la chimenea: 4,8 m.
  • Diferencia de temperaturas: 114 ºC.
  • Emisión: 497 g/s.

Al igual que en la caldera 5 se realizaron aforos en tres ocasiones; los resultados se presentan en la tabla 2.

Tabla 2. Valores promedio obtenidos de emisiones por la combustión de crudo nacional con ambo el aditivo mejorador de la combustión (con corrección a 3 % O2 de referencia)
Crudo nacional con aditivo  
Caldera 6 SO2,
mg/m3
H2SO4 + SO3,
mg/m3
NOx,
mg/m3
PST, mg/m3 Flujo, Nm3/h
1 4 568 144 244 141 390 768
2 4 590 152 245 147 390 768
3 4 587 160 248 161 390 768
Promedio 4 582 152 246 150 390 768
DS 11,93 8 2,08 10,26 -
Norma de referencia 2000 - 460 100 -
(a) Límites que no se deben exceder para contaminantes emitidos por chimeneas de calderas, hornos, incineradores y equipos de generación eléctrica. World Bank, 1997. PST: Partículas suspendidas totales. DS: Desviación estándar.

Se pudo observar que los niveles de concentración de SO2 promedio en la caldera 6 resultan 2,3 veces superiores a la norma de referencia que, al igual que en la caldera 5, están dados por el contenido tan alto de azufre del crudo.

Con los niveles de concentración de aerosol ácido (H2SO4 + SO3) y monóxido de carbono sucede lo mismo que en la caldera 5; es decir, no se regulan en esta norma, estando los niveles de concentración de monóxido de carbono en 224 ppm.

Los niveles de concentración promedio de las partículas suspendidas totales son 1,5 veces superiores a la norma de referencia.

En el presente caso, la emisión límite admisible (ELA), según las características tecnológicas de la caldera para la NC 39:99 [1999], es de 1 045,5 g/s, superior también a la emisión real.

En la tabla 3 se observa que en ambas calderas el contaminante que se emite al medio en mayores cargas es el dióxido de azufre, siendo la caldera 6 la que mayor carga emite.

Tabla 3. Valores promedio obtenidos de cargas por la combustión de
crudo nacional con el aditivo para mejorar la combustión en las calderas
analizadas, expresado en kg/h
Caldera SO2,
kg/h
H2SO4 + SO3,
kg/h
NOx,
kg/h
PST,
kg/h
5 1 777 53 95 55
6 1 789 59 96 59

Análisis de inmisiones
Considerando los datos tecnológicos de ambas calderas y los valores promedio de las emisiones, se procedió a simular la dispersión del SO2 tomando como matriz de viento la información de la Guía climática de Cuba [INSMET, 1994], publicada por el Instituto de Meteorología (INSMET) del Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA), para la Estación Meteorológica de Santiago de Cuba.

La modelación se realizó considerando como centro de las chimeneas de ambas calderas los valores de coordenadas Este y Norte para la Proyección Cuba Sur (Cónica Conforme de Lambert, Nad 27) siguientes:

  • Valor de la coordenada X: 1035600.
  • Valor de la coordenada Y: 32000.

Se calcularon los valores de la concentración de SO2 y su relación respecto a sus valores admisibles, según la Norma Cubana (NC 39:99 [1999]) a diferentes distancias de las fuentes para 20 minutos y 24 horas [Álvarez, 1994].

En la tabla 4 se muestra un ejemplo en el cual están calculados los valores de la concentración a nivel del terreno cada 500 m, correspondiente a la caldera 5 en la dirección ESE partiendo de la fuente; puede observarse que antes de los 1 500 m
y hasta después de 4 500 m de distancia desde la fuente se supera el valor de 0,8
veces el permisible para períodos de 24 horas.

Tabla 4. Valores de inmisión para 20 minutos y 24 horas, así como los
valores de la relación respecto a la concentración máxima admisible (NC 39:99) para el SO2. Caldera 5. Viento medio, WNW-ESE de la ubicación de la CTE Renté
Dist., m Conc. 20 m RC 20 m Conc. 24 h RC 24h
0 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000
500 0,04595 0,09190 0,01152 0,23036
1 000 0,12840 0,25681 0,03219 0,64372
1 500 0,19152 0,38303 0,04801 0,96013
2 000 0,21580 0,43160 0,05409 1,08185
2 500 0,21222 0,42443 0,05319 1,06389
3 000 0,20028 0,40056 0,05020 1,00405
3 500 0,18780 0,37559 0,04707 0,94147
4 000 0,17520 0,35039 0,04392 0,87830
4 500 0,16282 0,32563 0,04081 0,81624
5 000 0,15090 0,30180 0,03782 0,75649
5 500 0,13960 0,27921 0,03499 0,69987
6 000 0,12903 0,25805 0,03234 0,64685
6 500 0,11921 0,23842 0,02988 0,59763
7 000 0,11016 0,22032 0,02761 0,55225
7 500 0,10185 0,20370 0,02553 0,51060
8 000 0,09425 0,18851 0,02363 0,47252
8 500 0,08732 0,17464 0,02189 0,43775
9 000 0,08100 0,16200 0,02030 0,40607
9 500 0,07524 0,15048 0,01886 0,37721
10 000 0,07000 0,14000 0,01755 0,35092
10 500 0,06522 0,13044 0,01635 0,32696
11 000 0,06086 0,12172 0,01526 0,30512
11 500 0,05688 0,11377 0,01426 0,28518
12 000 0,05325 0,10650 0,01335 0,26695
12 500 0,04992 0,09985 0,01251 0,25028
13000 0,04688 0,09375 0,01175 0,23501
13500 0,04408 0,08816 0,01105 0,22099
14000 0,04151 0,08302 0,01041 0,20811
14500 0,03915 0,07829 0,00981 0,19625

Una situación similar ocurre en la caldera 6, así como en todas las direcciones desde la fuente, por lo cual, de acuerdo con la probabilidad de ocurrencia de vientos soplando desde diferentes direcciones (ver Fig. 8), para períodos de 20 minutos, la concentración máxima y distancia a la cual ocurrirá ésta, para una velocidad peligrosa del viento de
4 km/h será según la tabla 5.

Tabla 5. Valores de la concentración máxima estimada (20 minutos)
para cada dirección del viento y distancia a la que ocurre
Rumbo Conc. máxima, mg/m3 Distancia, m
NNE 0,168470425 27560,51881
NE 0,168470425 27560,51881
ENE 0,168470425 27560,51881
E 0,154418398 29100,61093
ESE 0,168470425 27560,51881
SE 0,168470425 27560,51881
SSE 0,131209588 32180,79517
S 0,142050187 30640,70305
SSW 0,154418398 29100,61093
SW 0,154418398 29100,61093
WSW 0,184223259 26020,42669
W 0,184223259 26020,42669
WNW 0,218530889 22940,24245
NW 0,201321159 24480,33457
NNW 0,168470425 27560,51881
N 0,184223259 26020,42669

Aquí se considera el rumbo 1 como el correspondiente al Norte-nordeste (NNE) y el rumbo 16 como el Norte (N), es decir, siguiendo una dirección contraria a las manecillas del reloj.
Es importante destacar que, como se aprecia en la tabla 4, a pesar de que los valores de la concentración de SO2 para 20 minutos no sobrepasan los valores admisibles, cada caldera los supera en los períodos de 24 horas.

En las figuras de la 1 a la 6 se muestran los valores de concentración en 24 horas a nivel del terreno para diferentes distancias de las calderas 5 y 6, así como la sumatoria de ambas.

Fig. 1. Valores de la razón C/CMA para los valores de inmisión del SO2
de la caldera 5 de la CTE Renté, en la dirección NO-SE.

Fig. 2. Valores de la razón C/CMA para los valores de inmisión del SO2
de la caldera 5 de la CTE Renté en la dirección O-E.

Fig. 3. Valores de la razón C/CMA para los valores de inmisión del SO2
de la caldera 6 de la CTE Renté en la dirección NO-SE.

Fig. 4. Valores de la razón C/CMA para los valores de inmisión del SO2
de la caldera 6 de la CTE Renté en la dirección O-E.

Fig. 5. Valores de la razón C/CMA para los valores de inmisión del SO2 de la suma de las calderas 5 y 6 de la CTE Renté en la dirección NO-SE. Dentro de las líneas en color rojo se muestra toda la zona con valores de concentración iguales o superiores al admisible (C/CMA = 1).
 
Fig. 6. Valores de la razón C/CMA para los valores de inmisión del SO2 de la suma de las calderas 5 y 6 de la CTE Renté en la dirección O-E (Directamente sobre Santiago de Cuba). Dentro de las líneas en color rojo se muestra toda la zona con valores de concentración iguales o superiores al admisible (C/CMA = 1).

En la figura 5 se puede apreciar que entre 500 y 7 500 m de distancia desde la fuente (dirección NO-SE), la concentración de SO2 en 24 horas supera los valores respecto a los admisibles.

En la figura 7 se muestra la dispersión del contaminante dióxido de azufre para los vientos que soplan de los cuadrantes tercero y cuarto, observándose las áreas afectadas por dicho contaminante, que incluyen a la mayor parte de la ciudad de Santiago de Cuba, con valores que superan el valor de 0,8 la relación C/CMA, así como que la mayor parte de esta ciudad se encuentra afectada por valores de la razón de la concentración de SO2 respecto a la admisible [World Bank…, 1997], que son mayores que la unidad.

Fig. 7 Dispersión de dióxido de azufre en los cuadrantes donde se encuentra
la ubicación de Santiago de Cuba respecto a la CTE Renté.

En la figura 8 se aprecia que en todos los rumbos del viento los valores de C/CMA para períodos de 24 horas pueden ser superados, al menos una vez en el año.

Fig. 8 Dispersión de dióxido de azufre en todas las direcciones (probabilidad dada
por la frecuencia de ocurrencia de los diferentes rumbos).

Conclusiones
1. En las calderas 5 y 6 de la CTE Renté, en Santiago de Cuba, los niveles de emisión de SO2 y PST se encuentran por encima de lo que se regula en la norma de referencia del World Bank.

2. Los niveles de concentración de nieblas de ácido sulfúrico, aunque no se regulan en esta norma, se consideran elevados por su magnitud, dado el efecto corrosivo que originan para las instalaciones.

3. Los niveles de concentración de NOx cumplen con lo regulado.

4. Ambas calderas contaminan las áreas aledañas a la termoeléctrica en períodos de
24 horas, siendo significativo el hecho de que la ciudad de Santiago de Cuba se encuentra casi totalmente dentro de la isolínea de C/CMA igual o superior al valor admisible según la NC 39:99.

Bibliografía
Álvarez, O. «Diagnóstico y pronóstico de la contaminación por SO2 y H2S en Moa. Modelación con consideraciones de terreno plano». Tesis en opción del Grado Científico
de Doctor en Ciencias Geográficas, 1994.
ARPEL. Environmental Monitoring Procedures. Calgary: Komex Int. Ltd., 1997.
Cheremisinoff, P. N. y A. C. Morresi. Air Pollution Sampling and Analysis Deskbook. Michigan: Ann Arbor Science, 1978.
Instituto de Meteorología (INSTMET). Guía climática de Cuba. La Habana: Ed. Academia, 1994.
ISO 9096. Concentración y flujo másico de partículas en emisiones. Método gravimétrico. 1992.
NC 39:99 [1999]. Calidad del aire. Requisitos higiénico-sanitarios. La Habana: CEN, 1999.
World Bank Group. Pollution Prevention and Abatement Handbook. Annual Meeting Ed., 1997.
Yoest, H. y R. W. Fitzgerald. «Stationary Source Testing: The Fundamentals». Chemical Eng. Progress 92 (2): 36-41, 1996.