TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XVIII (1) e 1318 (2024)

https://vocero.uach.mx/index.php/tecnociencia

ISSN-e: 2683-3360

Artículo Científico

Estimación y modelación de emisiones de calderas de

una comercializadora de combustibles

Estimation and modeling of boiler emissions of a Fuel Trader

*Correspondencia: lesterrt83@gmail.com (Lester Rivas Trasancos)

DOI: DOI: https://doi.org/10.54167/tch.v18i1.1324

Recibido: 16 de agosto de 2023; Aceptado: 27 de noviembre de 2023

Publicado por la Universidad Autónoma de Chihuahua, a través de la Dirección de Investigación y Posgrado

Editor de Sección: Dr. Héctor Osbaldo Rubio-Arias

Resumen

En el proceso de comercialización de combustibles, una de las fuentes de emisión de contaminantes

(continuas y discontinuas) proviene de la combustión derivada de la generación de electricidad y

calor, venteo y quema de hidrocarburos y emisiones fugitivas. El objetivo fue estimar y modelar las

emisiones generadas por las calderas de una comercializadora de combustibles. El análisis consideró

los datos técnicos y de operación, el consumo de combustible y los tiempos de operación. Los

parámetros evaluados fueron: SO2, NOx, CO, PST y del material particulado PM10. Con la base de

datos generada realizó la modelación de la dispersión de estos contaminantes. Los resultados de la

modelación con el modelo Berliand y el software SCREEN View mostraron que las concentraciones

máximas alcanzadas a 303 m de la fuente, cumplen con los valores máximos y promedios

establecidos en la norma tomada como referencia.

Palabras clave: calderas, emisiones, modelación, dispersión.

Abstract

In the fuel marketing process, one of the sources of pollutant emissions (continuous and

discontinuous) comes from the combustion from the generation of electricity and heat, venting and

burning of hydrocarbons and fugitive emissions. The objective was to estimate and model the

emissions generated by the boilers of a fuel marketing company. Technical and operating data, fuel

consumption and operating times were considered. The evaluated parameters: SO2, NOx, CO, PST

and PM10 particulate matter were obtain by estimation. Modeling of the dispersion of these

M. Sc. Lester Rivas Trasancos1*, M. Sc. Yamila Navarro Sosa1, Dr. Miguel Ángel Díaz Díaz1,

Lic. Octavio del Sol Ortega1, M. Sc. Carlos Cesar Cañete Pérez1.

1Centro de Investigación del Petróleo. Churruca # 481, Cerro. C.P. 12000. La Habana, Cuba.

Rivas-Trasancos et.al

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contaminants was carried out. The results using the Berliand model and the SCREEN View software

showed that the maximum concentrations reached 303 m from the source comply with the maximum

and average values established in the standard taken as a reference.

Keywords: boilers, emissions, modeling, dispersion

1. Introducción

Cada año, cientos de millones de personas sufren de enfermedades respiratorias y otras

asociadas con la contaminación del aire, tanto en ambientes interiores como exteriores. Esto se debe

a que existen grupos poblacionales expuestos a fuentes fijas de contaminantes atmosféricos que

carecen de zonas de protección sanitaria; por ejemplo, algunas industrias que cuentan con chimeneas

de baja altura, lo que aumenta la acción contaminante de sus emanaciones, y en muchas ocasiones

no disponen de medidas de control para la disminución de la contaminación a la atmósfera (Romero,

2006).

Las fuentes principales de emisiones al aire (continuas y discontinuas) en la actividad petrolera

provienen de la combustión de generación de electricidad y calor, uso de compresores, bombas y

máquinas reciprocantes (calderas, turbinas y otras), emisiones de la quema y venteo de

hidrocarburos, y emisiones fugitivas. Los contaminantes fundamentales comprenden los óxidos de

nitrógeno (NOx), óxidos de azufre (SO2), monóxido de carbono (CO), partículas, sulfuro de

hidrógeno (H2S), compuestos orgánicos volátiles (COV) incluyendo metano y etano, benceno,

etilbenceno, tolueno y xileno (BTEX), glicoles e hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP).

Resulta claro que se deben tener en cuenta todas las consideraciones razonables para maximizar la

eficiencia energética, así como diseñar facilidades para minimizar el uso de energía. El objetivo

integral debe ser la reducción de emisiones al aire y la evaluación de opciones costo – efectivas para

reducir las emisiones técnicamente factibles (Rivas, 2013).

Los métodos para controlar y reducir las emisiones fugitivas deben ser considerados en el diseño,

operación y mantenimiento de las facilidades productivas. Además, se deben considerar los

requerimientos de seguridad y adecuación de válvulas, uniones, sellos y empaques, así como su

capacidad para reducir fugas de gas e implementar programas de detección de fugas y reparación.

Las unidades de control de vapores se instalan según se necesite para las operaciones de carga y

descarga de hidrocarburos (Production, N.O.a.G.E.a., 2013).

Es importante mencionar que, el primer paso en cualquier análisis de la calidad del aire es definir

las emisiones de contaminantes desde una fuente o facilidad productiva para completar un

inventario exacto de las emisiones. Dicho inventario determinará las regulaciones y niveles de

control de la contaminación que deben aplicarse (Kumar - Ramaswamy et al., 2004).

Los niveles o categorías de la contaminación en la atmósfera (calidad del aire) son definidos por las

concentraciones de las sustancias contaminantes en espacio y tiempo, dadas en mg/m3 a temperatura

y presión normalizadas (TPN) (NC 111, 2004). Cuando las concentraciones de las sustancias

contaminantes están referidas a tiempos de promedio de 20 min se denominan como instantáneas y

promedios diarios cuando se refieren a 24 h. A partir de las anteriores, también pueden ser evaluadas

las concentraciones medias para 30 d (promedio mensual) y de 12 m (promedio anual) (NC 39, 1999).

Rivas-Trasancos et.al

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Las emisiones máximas admisibles (EMA) se expresan en términos de concentración de los

contaminantes en los gases secos que se expulsan a la atmósfera por las fuentes fijas y se representan

en unidades de mg/Nm3, lo que corresponde al contenido en peso del contaminante por unidad de

volumen del gas seco expulsado a la atmósfera, en condiciones de temperatura y presión normales

(NC 803, 2017).

En correspondencia con lo anterior se hace necesario el cálculo y modelación de las emisiones de las

calderas ubicadas en una comercializadora de combustibles. Por tal motivo esta investigación

presenta como objetivo: evaluar la contaminación atmosférica producida por dos calderas en áreas

de una comercializadora de combustibles.

2. Materiales y métodos

Se estimó la emisión de dos calderas, cuyos datos técnicos se muestran en la Tabla 1 y los

datos de operación se especifican en la Tabla 2.

Tabla 1. Datos técnicos de las calderas

Table 1. Boiler technical data

Parámetros

Valores

Flujo de salida del gas (m/s)

6.5

Presión (Pa)

1000000

Altura de la chimenea (m)

Diámetro de la chimenea (m)

0.80

Tipo de combustible

Fuel oil mediano de bajo azufre

Tabla 2. Datos de operación de las calderas en el 2021

Table 2. Boiler operation data in 2021

Mes

Caldera 1

Caldera 2

Consumo

combustible (L)

Tiempo de trabajo

(h)

Consumo

combustible (L)

Tiempo de trabajo

(h)

Enero

387,006

572

73,329

144

Febrero

328,347

511

96,422

153

Marzo

276,958

336

172,319

272

Abril

413,359

711

Mayo

218,834

377

194,995

348

Junio

344,032

579

52,341

Julio

418,103

692

10,685

Agosto

468,900

738

5,076

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Tabla 2. Datos de operación de las calderas en el 2021

Table 2. Boiler operation data in 2021

Mes

Caldera 1

Caldera 2

Consumo

combustible (L)

Tiempo de trabajo

(h)

Consumo

combustible (L)

Tiempo de trabajo

(h)

Septiembre

427,351

667

25,855

Octubre

382,945

610

65,847

114

Noviembre

114,638

182

355,335

563

Diciembre

444,590

736

Total

3 811,704

6,000

1 465,563

2 473

Para calcular las emisiones de las calderas se consideró el consumo de combustible, su densidad, y el

factor de conversión de cada contaminante, así como el porcentaje (%) de azufre en el caso del SO2.

Estas emisiones se comparan con las emisiones máximas a la atmósfera (EMA) establecidas en la NC

803: 2017 Calidad del aire — Emisiones máximas admisibles de contaminantes a la atmósfera en

fuentes fijas puntuales de instalaciones generadoras de electricidad y vapor (NC 803, 2017).

Para convertir las emisiones a mg/m3 se utiliza el flujo volumétrico que se calculó considerando la

altura y diámetro de la chimenea, así como la velocidad de salida de los gases que se obtuvieron de

las mediciones realizadas en la misma instalación en estudios anteriores.

La modelación de la dispersión de contaminantes emitidos por las chimeneas de las calderas se

ejecutó para los parámetros de H2S, SO2, CO, PST y PM10 que son los contaminantes principales

emitidos por las fuentes evaluadas. Se aplicó la corrida del programa para el cálculo de la

concentración a partir de fuentes industriales continuas (Álvarez O, 1994) siguiendo la metodología

aprobada en la norma cubana (NC 39, 1999) según el modelo de Berliand. Se consideró el valor de

200 como el valor de la constante de estratificación térmica atmosférica (A) que define las condiciones

naturales de difusión más adversas, según lo propuesto en nuestro país para zonas llanas o con

topografía de poca complejidad y altura, el cual ha sido aceptado en la norma cubana de referencia.

Como velocidad más probable del viento para calcular la concentración instantánea (20 min) se tomó

1.6 m/s con desviación estándar 0.61, de acuerdo al valor medio obtenido en las mediciones realizadas

in situ durante los monitoreos.

El modelo Berliand partiendo de la velocidad promedio utilizada (1.6 m/s) tiene una sensibilidad

para velocidades bajas de 0.002, sesgo medio teniendo en cuenta los sesgos para SO2 y NOx y una

precisión de 3 % para SO2 y NOx.

Los datos recolectados tienen una distribución normal Figs. (1)–(2)

Rivas-Trasancos et.al

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Figura 1. Distribución Caldera 1 Figura 2. Distribución Caldera

Figure 1. Boiler 1 distribution Figure 1. Boiler 2 distribution

Se comprobaron los resultados obtenidos por el modelo SCREEN View (concentraciones horarias)

versión 2.5.0 (Software, L.E., 2007) aplicando la opción meteorología completa, de acuerdo con lo

recomendado por la norma cubana (NC 1059, 2014).

3. Resultados y discusión

3.1. Emisiones de las calderas

Los resultados del cálculo de la tasa emisión de contaminante a partir de los consumos de

combustible, 3 % de azufre en el mismo y las horas de operación de las calderas se muestran en las

Tablas 3 y 4.

Tabla 3. Emisiones estimadas caldera 1

Table 3. Estimated emissions boiler 1

Meses(1)

SO2

(mg/m3)

NOx

(mg/m3)

CO (3)

(mg/m3)

PST

(mg/m3)

PM10

(mg/m3)

Enero

3,201.68

373.87

33.99

67.98

48.13

Febrero

3,040.66

355.07

32.28

64.56

45.71

Marzo

3,900.56

455.48

41.41

82.81

58.63

Mayo

2,746.81

320.75

29.16

58.2

41.29

Junio

2,811.75

328.34

29.85

59.70

42.27

Julio

2,859.12

333.87

30.35

60.70

42.98

Agosto

3,006.63

351.09

31.92

63.84

45.20

Septiembre

3,031.90

354.04

32.19

64.7

45.58

Octubre

2,970.72

346.90

31.54

63.07

44.66

Noviembre

2,980.64

348.06

31.64

63.28

44.80

Diciembre

2,858.50

333.80

30.35

60.69

42.97

Media muestral

3,037.18

354.66

32.24

64.48

45.66

Desviación standard

313.02

36.55

3.32

6.64

4.70

EMA(2) (mg/Nm3)

7,000

500

350

250

(1) La caldera 1 no operó en el mes de abril

(2) Concentración máxima admisible (EMA) establecida en la NC 803: 2017 (NC 803, 2017)

(3) El CO no se regula en la norma

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Tabla 4. Emisiones estimadas caldera 2

Table 4. Estimated emissions boiler 2

Meses(1)

SO2

(mg/m3)

NOx

(mg/m3)

CO (3)

(mg/m3)

PST

(mg/m3)

PM10

(mg/m3)

Enero

2,409.73

281.39

25.58

51.16

36.22

Febrero

2,981.55

348.16

31.65

12.66

7.41

Marzo

2,997.92

350.08

31.83

63.65

45.06

Mayo

2,751.15

321.26

29.21

58.41

41.35

Junio

2,651.55

309.63

28.15

56.30

39.86

Julio

2,752.03

321.36

29.21

58.43

41.37

Agosto

2,106.74

246.01

22.36

44.73

31.67

Septiembre

2,984.01

348.5

31.68

63.35

44.86

Octubre

2,733.30

319.18

29.02

58.03

41.09

Noviembre

2,986.66

348.76

31.71

63.41

44.90

Media muestral

2,735.46

319.43

29.04

53.01

37.38

Desviación standard

291.22

34.01

3.09

15.36

11.33

EMA(2) (mg/Nm3)

7,000

500

350

250

(1) La caldera 2 no operó en el mes de diciembre

En ambos casos, las emisiones estimadas cumplen con la concentración máxima admisible

establecida en la norma (NC 803, 2017) para calderas de generación de vapor existentes que

utilizan fueloil, según se aprecia en las tablas 3 y 4.

3.2. Modelación de emisiones

La modelación mediante el modelo de Berliand para cada caldera utilizando la tasa de

emisión (Tabla 5 y 6) permitió determinar los siguientes parámetros:

Tabla 5. Valores de concentración de contaminantes y distancia caldera 1 Berliand

Table 5. Pollutant concentration and distance boiler 1 Berliand

Parámetro

M (g/s)

(mg/m3)

(m)

CmU

(mg/m3)

XmU

(m)

C24h

(mg/m3)

LAEL (1)

(mg/m3)

CPA(2)

CMA(3)

SO2

9.10

0.28

303.49

0.27

303.5

0.11

NOx

1.06

0.03

303.49

0.03

303.5

0.012

0.10

0.003

303.49

0.003

303.5

0.0012

100

PST

0.193

0.006

303.49

0.006

303.5

0.0022

PM10

0.137

0.008

303.49

0.008

303.5

0.0032

(1) Límites admisibles de exposición laboral a las sustancias nocivas en NC 872: 2011

(2) Concentración promedio admisible

(3) Concentración máxima admisible

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Los resultados de la modelación de la dispersión por Berliand para ambas calderas, muestran que

las concentraciones máximas de los contaminantes ocurren a la distancia de 303 m al oeste del punto,

para el rumbo de vientos predominante en la zona cumplen con los valores de máximos y promedios

establecidos en la norma tomada como referencia (NC 872, 2011). Esta norma no regula las

partículas.

La modelación mediante SCREEN para cada caldera utilizando la tasa de emisión (Tabla 7 y 8)

permitió determinar los siguientes parámetros:

Tabla 8. Valores de concentración de contaminantes y distancia caldera 2 SCREEN

Table 8. Pollutant concentration and distance boiler 2 SCREEN

Parámetro

M (g/s)

Cmáx,

(mg/m3)

Distancia

(m)

LAEL (1)

(mg/m3)

CPA(2)

CMA(3)

SO2

7.96

0.18

349

NOx

0.93

0.021

349

0.08

0.0018

349

100

PST

0.155

0.0035

349

PM10

0.109

0.0025

349

Tabla 6. Valores de concentración de contaminantes y distancia caldera 2

Table 6. Pollutant concentration and distance boiler 2

Parámetro

M (g/s)

(mg/m3)

(m)

CmU

(mg/m3)

XmU

(m)

C24h

(mg/m3)

LAEL (1)

(mg/m3)

CPA(2)

CMA(3)

SO2

7.96

0.24

303.49

0.24

303.5

0.092

NOx

0.93

0.03

303.49

0.03

303.5

0.011

0.08

0.002

303.49

0.002

303.5

0.001

100

PST

0.155

0.005

303.49

0.005

303.5

0.0018

PM10

0.109

0.01

303.49

0.01

303.5

0.0025

Tabla 7. Valores de concentración de contaminantes y distancia caldera 1 SCREEN

Table 7. Pollutant concentration and distance boiler 1 SCREEN

Parámetro

M (g/s)

Cmáx,

(mg/m3)

Distancia

(m)

LAEL (1)

(mg/m3)

CPA(2)

CMA(3)

SO2

9.10

0.21

349

NOx

1.06

0.024

349

0.10

0.0023

349

100

PST

0.193

0.0044

349

PM10

0.137

0.0031

349

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Los resultados de la modelación de la dispersión por SCREEN para ambas calderas, muestran que

las concentraciones máximas de los contaminantes ocurren a la distancia de 349 m del punto. Los

valores de concentración máxima de cada contaminante analizado cumplen con los valores de

máximos y promedios establecidos en la norma tomada como referencia (NC 872, 2011).

La comparación de los resultados de los modelos de dispersión, así como los valores de

concentración máxima establecida en la norma se muestra en la tabla siguiente:

Tabla 9. Resultados de los modelos

Table 9. Model Results

Contaminante

Caldera

ScreenView

Berliand

CMA (1)

(mg/m3)

Cmáx,

(mg/m3)

Distancia

(m)

Cmáx,

(mg/m3)

Distancia

(m)

SO2

0.21

349

0.26

303

0.18

349

0.23

303

NOx

0.024

349

0.31

303

0.021

349

0.027

303

0.0023

349

0.003

303

100

0.0018

349

0.002

303

PST

0.0044

349

0.0059

303

0.0035

349

0.0047

303

PM10

0.0031

349

0.0083

303

0.0025

349

0.0066

303

(1) Concentraciones máximas admisibles en la NC 872: 2011

Las concentraciones máximas de dispersión obtenidas muestran valores similares en ambos modelos

lo que demuestra la veracidad del resultado. Los valores de concentración obtenidos se encuentran

dentro de los límites admisibles de exposición laboral a las sustancias nocivas establecidos en la

norma (NC 872, 2011).

Se considera que el radio mínimo admisible 1,000 m en torno a las empresas industriales y otras

fuentes emisoras de contaminantes del aire (Industria química Clase I Depósitos y almacenes de

productos de alta toxicidad - Instalaciones de carga descarga de productos químicos de alta

toxicidad) (NC 1059, 2014) las emisiones de los contaminantes evaluados no alcanzan la zona

poblada cercana a la comercializadora, ya que la misma se encuentra ubicada a 1.5 km al oeste de la

fuente emisora. Los modelos aplicados sitúan los valores máximos de concentración a una distancia

de 303 m (Berliand) a 349 m (SCREEN View) de la fuente emisora.

4. Conclusiones

Derivado del presente estudio se puede arribar a tres conclusiones: 1)Los valores de las

emisiones estimadas de las calderas cumplen con los límites establecidos en la norma. 2) Para los

modelos utilizados, las concentraciones máximas de dispersión ocurren a una distancia de 349 m

(SCREEN) y a 303 m (Berliand) de la fuente y cumplen lo establecido en la norma. 3) Los modelos

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aplicados refieren que los valores máximos de concentración de las emisiones se encuentran dentro

del radio mínimo de protección sanitaria establecido en la (NC 1059: 2014). Así mismo se

recomienda: 1) Mantener los parámetros de operación de ambas calderas sin cambios. 2) Realizar el

estudio bajo otros parámetros de operación.

Conflicto de interés

Los autores de presente artículo confirman que no existe conflicto de interés en la

publicación de la presente investigación.

Nomenclatura

 M: tasa de emisión

 C24h: concentración del contaminante para 24 horas

 Cm: concentración máxima del contaminante para 20 minutos bajo condiciones meteorológicas

desfavorables

 Xm: distancia a la que ocurre Cm

 CmU: concentración máxima del contaminante para velocidad del viento diferente de la crítica

 XmU: Distancia donde se produce la CmU

5. Referencias

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