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EVALUACIÓN SOBRE LA EFICIENCIA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL AMBIENTAL EN EL

SECTOR DE FUNDICIÓN EN EL DEPARTAMENTO DEL ATLÁNTICO

ORGANIZACIÓN PARA EL DESEMPEÑO EMPRESARIAL SOSTENIBLE ODES

CONTRATO DE SERVICIOS DE CONSULTORIA ODES-CRA

BARRANQUILLA Diciembre 20 de 2005

INDICE

INDICE .................................................................................................................................................... 3 LISTADO DE TABLAS, FIGURAS Y FOTOS ................................................................................... 6 INTRODUCCIÓN................................................................................................................................... 8

PRESENTACIÓN...................................................................................................................................... 8 OBJETIVO GENERAL............................................................................................................................... 8 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................................................... 8 ALCANCE............................................................................................................................................... 9 ESTRUCTURA DEL INFORME .................................................................................................................. 9

1. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE LAS EMPRESAS DE FUNDICIÓN.......................................................................................................................................... 10

1.1. FUNDICIONES DE LIMA ........................................................................................................... 10 1.1.1. Tecnología Utilizada ....................................................................................................... 10 1.1.2. Descripción del Proceso ................................................................................................. 11 1.1.3. Consumo de Recursos ..................................................................................................... 13 1.1.4. Fallas de Tipo Operativo ................................................................................................ 14

1.2. COMERCIALIZADORA MNP ..................................................................................................... 16 1.2.1. Tecnología....................................................................................................................... 16 1.2.2. Descripción del Proceso ................................................................................................. 17 1.2.3. Consumo de Recursos ..................................................................................................... 17 1.2.4. Fallas de Tipo Operativo ................................................................................................ 19

1.3. TALLER DE FUNDICIONES BOYACÁ......................................................................................... 21 1.3.1. Tecnología....................................................................................................................... 21 1.3.2. Descripción del Proceso ................................................................................................. 21 1.3.3. Consumo de Recursos ..................................................................................................... 22 1.3.4. Fallas de Tipo Operativo ................................................................................................ 22

1.4. RECICLAL ................................................................................................................................ 23 1.4.1. Tecnología Utilizada ....................................................................................................... 23 1.4.2. Descripción del Proceso ................................................................................................. 24 1.4.3. Consumo de Recursos ..................................................................................................... 26 1.4.4. Fallas de Tipo Operativo ................................................................................................ 27

1.5. FUNDICIONES JIG .................................................................................................................... 29 1.5.1. Tecnología Utilizada ....................................................................................................... 29 1.5.2. Consumo de Recursos ..................................................................................................... 30 1.5.3. Fallas de Tipo Operativo ................................................................................................ 31

2. POTENCIAL DE DISMINUCIÓN DE CONTAMINANTES CON EL SISTEMA DE PRODUCCIÓN ACTUAL ................................................................................................................... 32

2.1. FUNDICIONES DE LIMA ........................................................................................................... 32 2.1.1. Alternativas de Producción más Eficiente ...................................................................... 32 2.1.2. Potencial de Reducción de Contaminación..................................................................... 34 2.1.3. Potencial de Ahorro en Consumo de Recursos ............................................................... 35

2.2. COMERCIALIZADORA MNP ..................................................................................................... 35 2.2.1. Alternativas de Producción más Eficiente ...................................................................... 35 2.2.2. Potencial de Reducción de Contaminación..................................................................... 36 2.2.3. Potencial de Ahorro en Consumo de Recursos ............................................................... 36

2.3. TALLER DE FUNDICIÓN BOYACÁ............................................................................................. 36

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2.3.1. Alternativas de Operación Eficiente ............................................................................... 36 2.3.2. Potencial de Reducción de Contaminación..................................................................... 37 2.3.3. Potencial de Ahorro en Consumo de Recursos ............................................................... 37

2.4. RECICLAL ................................................................................................................................ 37 2.4.1. Alternativas de Operación más Eficiente ........................................................................ 37 2.4.2. Potencial de Reducción de Contaminación..................................................................... 37 2.4.3. Potencial de Ahorro en Consumo de Recursos ............................................................... 38

2.5. FUNDICIONES JIG .................................................................................................................... 38 2.5.1. Alternativas de Operación más Eficiente ........................................................................ 38 2.5.2. Potencial de Reducción de Contaminación..................................................................... 38 2.5.3. Potencial de Ahorro en Consumo de Recursos ............................................................... 39

3. SISTEMAS DE CONTROL PARA CUMPLIR CON LA NORMA DE EMISIÓN............... 40 3.1. NIVELES DE CUMPLIMIENTO SEGÚN LA NORMATIVIDAD ....................................................... 40 3.2. EQUIPOS COMÚNMENTE UTILIZADOS PARA EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN POR MATERIAL PARTICULADO ................................................................................................................... 40

3.2.1. Cámaras de Sedimentación ............................................................................................. 40 3.2.2. Separadores Inerciales.................................................................................................... 42 3.2.3. Ciclones ........................................................................................................................... 44

3.3. EQUIPOS UTILIZADOS PARA EL CONTROL DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS .................. 46 3.3.1. Torres Lavadoras o de Absorción ................................................................................... 46

3.4. EQUIPOS AUXILIARES.............................................................................................................. 49 3.4.1. Campanas........................................................................................................................ 49 3.4.2. Ductos.............................................................................................................................. 51

3.5. EVALUACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ACTUALES...................................................... 52 3.5.1. Reciclal............................................................................................................................ 52 3.5.2. Comercializadora MNP .................................................................................................. 55 3.5.3. Fundiciones de Lima ....................................................................................................... 57 3.5.4. Fundiciones JIG .............................................................................................................. 58 3.5.5. Fundiciones Boyacá ........................................................................................................ 58

3.6. SISTEMAS DE CONTROL PROPUESTOS ..................................................................................... 58 3.6.1. Reciclal............................................................................................................................ 59 3.6.2. Comercializadora MNP .................................................................................................. 63 3.6.3. Fundiciones De Lima ...................................................................................................... 67 3.6.4. Taller de Fundiciones Boyacá......................................................................................... 67 3.6.5. Fundiciones JIG .............................................................................................................. 68

4. PROPUESTA DE TECNOLOGÍAS MÁS LIMPIAS PARA EL SECTOR............................ 69 4.1. TECNOLOGÍA 1: SISTEMA DE CARGADO MECÁNICO A LOS HORNOS DE FUSIÓN DE PLOMO .. 69 4.2. TECNOLOGÍA 2: APLICACIÓN DE UN SISTEMA COMBINADO PARA LA REDUCCIÓN Y OBTENCIÓN DE PLOMO DE OBRA ........................................................................................................ 70 4.3. TECNOLOGÍA 3: USO DE UN HORNO DE INDUCCIÓN ............................................................... 72 4.4. TECNOLOGÍA 4: SISTEMA DE LAVADO DE GASES DE CHIMENEA............................................ 75 4.5. TECNOLOGÍA 5: TAPA MÓVIL PARA EL HORNO DE SOLERA ................................................... 76

BIBLIOGRAFIA................................................................................................................................... 78 ANEXO 1 – OPERACIÓN DEL HORNO DE CUBILOTE DE DE LIMA .................................... 79 ANEXO 2 – ASPECTOS TÉCNICOS DE LA COMBUSTIÓN EN HORNO DE CUBILOTE.... 80 ANEXO 3 – BALANCE DE CALOR EN UN HORNO DE CUBILOTE ........................................ 83

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ANEXO 4 – CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO DE LOS GASES INTERVINIENTES EN EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE DE LIMA ...................................................................................... 85

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LISTADO DE TABLAS, FIGURAS Y FOTOS

Tablas TABLA 1. CONSUMO DE RECURSOS EN DE LIMA................................................................................. 13 TABLA 2. COMPOSICIÓN Y PORCENTAJES DE UTILIZACIÓN DE LA CHATARRA FUNDIDA EN DE LIMA 14 TABLA 3. INFLUENCIA DE ALGUNOS FACTORES EN LA PRÁCTICA OPERATORIA DEL CUBILOTE ......... 14 TABLA 4. CONSUMO DE RECURSOS EN MNP....................................................................................... 18 TABLA 5. EQUIPOS ELÉCTRICOS USADOS EN MNP.............................................................................. 19 TABLA 6. EQUIPOS ELÉCTRICOS USADOS EN TALLERES BOYACÁ ...................................................... 22 TABLA 7. CONSUMO DE RECURSOS EN MNP....................................................................................... 26 TABLA 8. EQUIPOS ELÉCTRICOS USADOS EN RECICLAL...................................................................... 26 TABLA 9. CONSUMO DE RECURSOS EN FUNDICIONES JIG................................................................... 31 TABLA 10. CUMPLIMIENTO DE LA NORMA DE MATERIAL PARTICULADO EN LAS EMPRESAS

MONITOREADAS............................................................................................................................... 40 TABLA 11. TIPO DE CICLONES SEGÚN LA RELACIÓN GEOMÉTRICA DE SUS DIMENSIONES ................ 46 TABLA 12. TIPOS DE CAMPANAS ....................................................................................................... 50 TABLA 13. VALORES RECOMENDADOS PARA VELOCIDAD DE CAPTURA........................................... 51 TABLA 14. VALORES RECOMENDADOS PARA VELOCIDAD DE TRANSPORTE ..................................... 52 TABLA 15. COSTOS SISTEMA DE CONTROL DE EMISIONES DE RECICLAL.......................................... 54 TABLA 16. COSTOS DEL SISTEMA DE CONTROL DE EMISIONES DE MNP........................................... 56 TABLA 17. PARÁMETROS PARA EL DISEÑO DEL CICLÓN PROPUESTO PARA RECICLAL ..................... 59 TABLA 18. COSTOS DEL CICLÓN PROPUESTO PARA RECICLAL.......................................................... 61 TABLA 19. COSTOS DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN DE EMISIONES FUGITIVAS PROPUESTO PARA

RECICLAL ........................................................................................................................................ 62 TABLA 20. PARÁMETROS PARA EL DISEÑO DEL NUEVO CICLÓN DE MNP......................................... 64 TABLA 21. COSTO DEL CICLÓN PROPUESTO PARA MNP ................................................................... 66 TABLA 22. COSTOS DEL CONTROL DE EMISIONES FUGITIVAS EN MNP............................................. 66 TABLA 23. COSTOS DE LAS MEDIDAS DE CONTROL PROPUESTAS PARA DE LIMA............................. 67 TABLA 24. INFLUENCIA DEL PORCENTAJE DE COQUE EN LA CARGA EN EL ÍNDICE DE COMBUSTIÓN 81 TABLA 25. ESTIMACIÓN TEÓRICA DEL BALANCE DE CALOR EN EL HORNO DE CUBILOTE................. 84 Figuras FIGURA 1. CORTE LONGITUDINAL DE UN CUBILOTE TRADICIONAL.................................................. 11 FIGURA 2. DIAGRAMA DE PROCESO PARA FUNDICIONES DE LIMA.................................................. 12 FIGURA 3. DIAGRAMA DE PROCESO DE MNP ................................................................................... 18 FIGURA 4. DIAGRAMA DE PROCESO DE TALLERES BOYACÁ............................................................ 22 FIGURA 5. DIAGRAMA DE PROCESO DE RECICLAL ........................................................................... 25 FIGURA 6. RELACIÓN DE COQUE VS. COMPOSICIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE DEL CUBILOTE........ 32 FIGURA 7. MÉTODOS PARA PRECALENTAMIENTO DE AIRE INYECTADO........................................... 34 FIGURA 8. ESQUEMA DE UN LAVADOR DE GASES DE DOS ETAPAS ................................................... 34 FIGURA 9. CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN ......................................................................................... 41 FIGURA 10. SEPARADORES INERCIALES ............................................................................................. 43 FIGURA 11. ESQUEMA DE CICLONES................................................................................................... 44 FIGURA 12. DIMENSIONES ESTÁNDAR DE LOS CICLONES ................................................................... 45 FIGURA 13. ESQUEMA DE TORRES DE ABSORCIÓN ............................................................................. 47 FIGURA 14. DIMENSIONES DEL CICLÓN PROPUESTO PARA RECICLAL................................................ 61

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FIGURA 15. SISTEMA DE CAPTACIÓN DE EMISIONES FUGITIVAS PROPUESTO PARA RECICLAL .......... 62 FIGURA 16. MODIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS DE ENFRIAMIENTO A CICLONES EN MNP .................... 63 FIGURA 17. DIMENSIONES DEL CICLÓN PROPUESTO PARA MNP........................................................ 65 FIGURA 18. SISTEMA PROPUESTO DE CARGADO MECÁNICO A LOS HORNOS DE FUSIÓN DE PLOMO ... 69 FIGURA 19. PROCESO DE FUNDICIÓN DEL PLOMO DE LA FRACCIÓN METÁLICA ................................. 70 FIGURA 20. PROCESO DE ELECTRÓLISIS DEL PLOMO.......................................................................... 71 FIGURA 21. PROCESO HIDROMETALÚRGICO DEL PLOMO.................................................................... 71 FIGURA 22. OPERACIÓN DE UN HORNO DE INDUCCIÓN ...................................................................... 73 FIGURA 23. INSTRUMENTACIÓN DEL HORNO DE INDUCCIÓN ............................................................. 74 FIGURA 24. ALGUNOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS EN UN HORNO DE INDUCCIÓN ........................... 74 FIGURA 25. SISTEMA DE GORRO CHINO .............................................................................................. 76 FIGURA 26. TAPA MÓVIL PARA UN HORNO DE SOLERA ...................................................................... 77 FIGURA 27. DIAGRAMA DE FLUJO DE OPERACIONES DEL HORNO DE CUBILOTE DE DE LIMA ............ 79 FIGURA 28. LOCALIZACIÓN DE ZONAS, TEMPERATURAS Y REACCIONES DENTRO DEL CUBILOTE ..... 83 Fotos FOTO 1. HORNOS DE CUBILOTE DE FUNDICIONES DE LIMA............................................................. 10 FOTO 2. CONDICIONES DE TRABAJO INADECUADAS EN EL HORNO DE DE LIMA .............................. 15 FOTO 3. HORNOS DE SOLERA DE LA COMERCIALIZADORA MNP ..................................................... 16 FOTO 4. ESCORIA DE ALUMINIO UTILIZADA COMO MATERIA PRIMA EN MNP.................................. 16 FOTO 5. EXTRACTORES DE GASES DE MNP ...................................................................................... 17 FOTO 6. MOLDEO DE LINGOTES EN MNP.......................................................................................... 18 FOTO 7. LIBERACIÓN DE MATERIAL PARTICULADO EN MNP ........................................................... 20 FOTO 8. EMISIONES FUGITIVAS EN MNP .......................................................................................... 20 FOTO 9. ESCAPE DE ENERGÍA EN LOS HORNOS DE MNP................................................................... 20 FOTO 10. HORNO DE CUBILOTE DE TALLERES BOYACÁ..................................................................... 21 FOTO 11. INADECUADA DISTRIBUCIÓN DE PLANTA EN TALLERES BOYACÁ ...................................... 23 FOTO 12. HORNO DE RECICLAL .......................................................................................................... 24 FOTO 13. SISTEMA DE CONTROL DE EMISIONES DE RECICLAL ........................................................... 24 FOTO 14. FUNDAS DE POLIESTIRENO SOBRANTES DEL DESARMADO DE BATERÍAS EN RECICLAL...... 26 FOTO 15. INADECUADA DISTRIBUCIÓN DE PLANTA EN RECICLAL...................................................... 27 FOTO 16. EMISIONES FUGITIVAS PROVENIENTES DEL CRISOL DE RECICLAL...................................... 28 FOTO 17. RESIDUOS LÍQUIDOS TÓXICOS PROVENIENTES DE LAS BATERÍAS EN RECICLAL................. 28 FOTO 18. CONDICIONES INADECUADAS DE TRABAJO EN RECICLAL................................................... 29 FOTO 19. HORNO DE FUNDICIONES JIG .............................................................................................. 30 FOTO 20. SISTEMA DE LABERINTOS DE FUNDICIONES JIG.................................................................. 30 FOTO 21. CHIMENEA DE RECICLAL..................................................................................................... 53 FOTO 22. CÁMARA DE EXPANSIÓN DE RECICLAL ............................................................................... 53 FOTO 23. LAVADOR DE GASES DE RECICLAL...................................................................................... 54 FOTO 24. CAMPANAS DE EXTRACCIÓN DE MNP................................................................................. 55 FOTO 25. CÁMARA DE EXPANSIÓN Y ENFRIADORES EN MNP............................................................. 56 FOTO 26. CHIMENEA DE MNP............................................................................................................. 57 FOTO 27. CHIMENEAS DE DE LIMA..................................................................................................... 57 FOTO 28. SISTEMA DE IMPULSIÓN DE EMISIONES EN DE LIMA........................................................... 58 FOTO 29. HORNO DE INDUCCIÓN ........................................................................................................ 72

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INTRODUCCIÓN

Presentación

Este documento tiene como propósito presentar los resultados de la evaluación de la eficiencia de los procesos de producción y sistemas de control ambiental en 5 empresas del sector de fundición en el Departamento del Atlántico. Esta evaluación incluye, además del análisis de las características de producción y sistemas de control de la contaminación de las empresas, la identificación de alternativas de operación eficiente y sus potenciales ahorros de recursos así como la inversión requerida en sistemas de control para cumplir con la normatividad ambiental. El desarrollo de este documento constituye la segunda etapa del proyecto “Diseño de un Plan Estratégico de Producción Mas Limpia para el Sector de Fundiciones en el Departamento del Atlántico, que realiza la Organización para el Desempeño Empresarial Sostenible (ODES) para la Corporación Autónoma Regional del atlántico (CRA), en el marco del programa SINA II del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. El objetivo de este proyecto es apoyar el mejoramiento de la competitividad empresarial y la gestión ambiental de las empresas y la región. Esta evaluación constituye la base para orientar tanto el mejoramiento de la eficiencia de los procesos productivos de las empresas del sector como la disminución de su contaminación. Así mismo, será de utilidad para que las partes interesadas tales como las empresas, gremios empresariales (ACOPI y Cámara de Comercio principalmente), alcaldías, universidades, ONGs y organizaciones comunitarias conozcan la situación de las empresas y aporten a la identificación de estrategias preventivas y tecnológicas viables de producción más limpia para el sector de fundición.

Objetivo general

El objetivo general de este informe es evaluar la eficiencia de diseño y de operación de los procesos de producción actual y de los sistemas de control ambiental de cinco empresas representativas del sector de fundición en el Departamento del Atlántico.

Objetivos Específicos

• Determinar las características del sistema de producción de las empresas del sector (tecnologías, consumos de recursos, consumo de energía y combustible, producción), identificando las fallas de tipo operativo que presentan los procesos.

• Cuantificar la cantidad de contaminantes que se pueden disminuir bajo operación eficiente del sistema productivo actual.

• Determinar la inversión en sistemas de control para cumplir con los límites permisibles establecidos en la normatividad, bajo las tecnologías actuales.

• Identificación de las tecnologías de producción más limpia aplicables al sector.

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Alcance

La elaboración de este diagnóstico es el resultado del trabajo en equipo de los profesionales de la Organización para el Desempeño Empresarial Sostenible (ODES). La información descrita proviene de un estudio exhaustivo de literatura e informes relacionados con el sector, visitas a las empresas, aplicación de una encuesta a las empresas seleccionadas y entrevistas con empresarios.

Estructura del Informe

Este informe está dividido en cuatro capítulos. En el primer capítulo se presenta el análisis de la tecnología, consumo de recursos, producción y fallas de tipo operativo por empresa. En el segundo capítulo se analiza, por empresa, el potencial de disminución de los contaminantes con la operación eficiente del sistema productivo actual, cuantificando el potencial de ahorro en recursos y costos. En el tercer capítulo se presenta el análisis de los niveles de cumplimiento ambiental de las empresas y la inversión requerida para alcanzar el cumplimiento de la normatividad ambiental. En el último capítulo se presenta un avance sobre la identificación de las principales tecnologías de producción más limpia aplicables al sector de fundición, el cual será complementado en el tercer informe de esta consultoría.

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1. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE LAS EMPRESAS DE FUNDICIÓN

En este capítulo se presentarán los sistemas de producción actualmente utilizados por las cinco empresas seleccionadas como muestra del sector de fundición del departamento del Atlántico. Se hará referencia al tipo de tecnología que emplean, a su proceso productivo, a su consumo de energía y combustibles, a sus niveles de producción, y a las fallas de tipo operativo encontradas.

1.1. Fundiciones De Lima

Fundiciones De Lima es una empresa dedicada a la fabricación de piezas metálicas – principalmente tapas para sistemas de alcantarillado y medidores de agua – mediante la fundición de chatarra. Su producción es de 120 toneladas por mes, trabajando normalmente dos lotes semanales de 15 toneladas cada uno, para un total aproximado de 1,440 toneladas por año.

1.1.1. Tecnología Utilizada

De Lima cuenta con dos hornos de cubilote tradicionales (clásicos) de tipo torre vertical de aproximadamente 16 metros de altura. Conformados por una coraza cilíndrica de hierro forjado, los hornos están recubiertos en su interior por un material refractario especial (ladrillo y arcilla refractarios)1 y su diámetro interno es de aproximadamente 1.0 metros (ver Foto 1). Los hornos están equipados con una caja de viento frío que se acopla a una hilera de toberas laterales para permitir la admisión de oxigeno a la cámara de combustión.

Foto 1. Hornos de Cubilote de Fundiciones De Lima

1 Los materiales refractarios son adecuados para una operación de tipo ácido, siendo los más usados en este tipo de fundiciones los ladrillos al igual que las arcillas de sílice y alumina.

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En el nivel superior, los hornos de cubilote poseen una compuerta para la introducción de las materias primas y el combustible, y cerca del nivel inferior tienen una serie de orificios, canales y un crisol para retirar el hierro fundido y la escoria, como se ilustra en la Figura 1. Los hornos de De Lima trabajan con coque, usan caliza como fundente, y son alimentados con chatarra proveniente del sector automotriz e industrial (bloques de motores, campanas de frenos, rines, etc.).

Figura 1. Corte longitudinal de un cubilote tradicional

Compuerta de carga

Caja de vientoRefractario

Toberas

Coraza

Solera

Crisol

Escape de humo

Metal fundido

Compuerta de carga


Toberas

Coraza

Solera

Crisol

Escape de humo

Metal fundido

Compuerta de carga


Toberas

Coraza

Solera

Crisol

Escape de humo

Metal fundido

1.1.2. Descripción del Proceso

El proceso de fundición en De Lima consta de los siguientes pasos, ilustrados en la Figura 2:

1. Elaboración de modelos: Los modelos son elaborados en madera seca. Los residuos de esta actividad, a su vez, son utilizados como material de combustión en el horno, reduciéndose de esta manera la cantidad de residuos sólidos generada.

2. Fabricación de moldes: Una vez definido el modelo a realizar se fabrican los moldes. Para ello se preparan las arenas de moldeo mediante una mezcla de arena y carbonilla, con la cual se cubren los moldes en los cuales se va a agregar el hierro fundido.

3. Preparación de los machos: Para la fabricación de los machos se mezcla la arena con sílice y bentonita, se llena un molde con la mezcla aplicando presión y se endurece con CO2. La figura es luego desmoldada y colocada en los espacios de los moldes a llenar con el hierro fundido

4. Etapa de fundición: En esta etapa se funde la chatarra de hierro en los hornos de cubilote alimentados con carbón coque y caliza, obteniéndose del proceso el hierro, la escoria y los gases de combustión. En cada lote de producción (8 horas) se obtienen aproximadamente 15 toneladas de hierro gris en De Lima. En este proceso es crucial la selección tanto de materia prima como de combustible, ya que de ella depende la calidad y uniformidad del metal obtenido, lo cual repercute directamente en los costos de

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producción. El anexo 1 presenta con más detalle el flujo de operaciones del horno de cubilote en De Lima. Por su parte, los anexos 2 y 3 presentan aspectos técnicos relacionados con la fundición en este tipo de hornos.

5. Moldeo: Una vez el hierro se encuentra listo para su extracción en estado líquido, es descargado en los crisoles para su posterior vaciado en los moldeos.

6. Pulido o granallado: En esta etapa del proceso, la pieza metálica es pulida para eliminar las rebabas por medio de un bombardeo con pequeños balines, que a su vez le dan a la pieza el color grisáceo plateado característico.

7. Mecanizado: Los últimos detalles son proporcionados a la pieza en esta etapa, tales como la pintura y el ensamble final.

Figura 2. Diagrama de Proceso para Fundiciones De Lima

En la práctica, De Lima alimenta sus hornos con aproximadamente 18 toneladas de chatarra por lote para obtener las 15 toneladas de piezas metálicas de hierro gris al final del proceso. De esta manera, un 16.67% del material de fundición se está perdiendo actualmente durante el proceso. Adicionalmente, se generan aproximadamente 1.5 toneladas de escoria de color verde por lote, que al enfriarse se caracteriza por la presencia del metal fundido, el cual es luego recuperado en forma manual.

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1.1.3. Consumo de Recursos

Los siguientes son los recursos utilizados en el proceso de fundición de De Lima. Sus niveles de utilización se muestran en la Tabla 1.

• Materia prima de fundición: chatarra de hierro de colado de maquinaria, colado automotriz y zapatas de frenos.

• Materiales para la fabricación de moldes y machos: arena, carbonilla, sílice y bentonita. • Combustible para la fundición: carbón coque. • Insumos para la fundición: caliza. • Insumos para el terminado de las piezas: balines. • Energía eléctrica • Agua

Tabla 1. Consumo de recursos en De Lima

Insumo Consumo

por tonelada de producto

Observaciones

Chatarra de hierro 1.2 ton El consumo de cada tipo de chatarra depende de la mezcla de materiales para fundición utilizada, la cual es variable.

Arena ND Carbonilla ND Sílice ND Bentonita ND Carbón coque 240 kg Teniendo en cuenta que la carga de coque equivale al 15-

20% de la carga metálica. Caliza 48 kg Estimando que el consumo de caliza a coque es de 1 a 5. Balines ND Energía eléctrica ND Agua ND Adicionalmente, fueron calculadas las siguientes cantidades para el horno de fundición de De Lima:

• Cantidad de oxígeno de combustión requerido • Cantidad de nitrógeno transportado • Total de aire consumido • Volumen de monóxido de carbono producido • Volumen de dióxido de carbono producido • Total de gases de salida de combustión

Los cálculos y resultados se presentan en el anexo 4. La determinación de la carga metálica es un factor de influencia mayor en relación al costo de producción. Este costo puede representar hasta un 65% en cubilotes de viento frío (Bardenheur 1983), ya que se deberá introducir aproximadamente un 35% de arrabio (materia prima procedente del alto horno) para alcanzar la temperatura adecuada de fundición. Es así como para obtener un hierro gris con las siguientes características: Si 2.5%, CT 3.4%, Mn 0.6%, P 1.0 % y S 0.1%, se deberá trabajar con un 15-20 % de coque entre carga (Baquero 2004). La Tabla 2 muestra la composición típica teórica de los tres tipos de chatarra

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principalmente utilizados en Fundiciones De Lima, así como los porcentajes de utilización de cada uno de ellos.

Tabla 2. Composición y porcentajes de utilización de la chatarra fundida en De Lima

Tipo de Chatarra % Utilización %Si %CT %Mn %P %S Colado de maquinaria 12.63 2.1 3.25 0.6 0.5 0.1 Colado automotriz 46.90 2.25 3.3 0.75 0.15 0.12 Zapatas de frenos 37.45 1.15 3.1 0.4 0.5 0.20 Otros 3.02 ND ND ND ND ND

Fuente: AFS 1961 La Tabla 3 muestra la influencia de algunos factores, entre ellos variaciones en el consumo de recursos, en la operación del horno cubilote.

Tabla 3. Influencia de algunos factores en la práctica operatoria del cubilote

Modificación de la Práctica Operatoria Influencia Sobre el % de Carbono

Influencia Sobre la Temperatura de la

Fundición (°C) Aumento de un 2 % de coque +0,1 +20 Aumento de 330 mm. en la altura del crisol +0,1 -10 Disminución del espesor de la escoria en 144 mm. +0,1 +10 Uso de la doble hilera de toberas +0,2 +50 Inyección de 2 % de oxigeno al soplo +0,1 +20 Inyección de un 1 % de grafito en las toberas +0,2 no hay modificaciones

1.1.4. Fallas de Tipo Operativo

Las siguientes fueron las principales fallas de tipo operativo detectadas en el proceso de fundición de De Lima:

• La presencia de monóxido de carbono (CO) en los humos, indica que se está perdiendo energía generada en la combustión en forma de calor latente, posiblemente porque la cantidad de hierro reducido es menor que la cantidad que se debiera reducir para el total de choque alimentado al horno. No se tiene ningún tipo de registro que permita evaluar las distintas actividades realizadas y poder así plantear una posible solución a la presencia de monóxido de carbono.

• La distribución de planta no es la más adecuada para la libre movilización de materiales y operarios, con presencia de gran cantidad de escombros, chatarra y residuos sólidos que dificultan la correcta ejecución de las actividades en la planta.

• La estructura de la planta, aunque sólida, no es muy confiable, además pareciese que se le agregaran secciones a medida que las necesidades de la planta lo exigieran, dejando claro que no se realiza ninguna planeación en la construcción y crecimiento de la planta, como se puede observar en la foto 2. las estructuras de protección y separación del horno de cubilote son construidas con distintos tipos de material (madera, escombros, chatarra…etc.), en la segunda de estas fotos también se observa como varias de las tejas ubicadas cerca del horno esta para caerse, lo cual revela la falta de mantenimiento de la infraestructura de la planta en general.

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• El horno no cuenta con el adecuado aislamiento térmico y en el ambiente se perciben

las pérdidas por la radiación, lo que incrementa la temperatura en los alrededores del horno, esto se reflejara en un aumento de mas del 30% de la cantidad de combustible y aire que deberán ser alimentados al horno, este aspecto es importante para reducir los costos de la operación.

• Como se puede observar en la Foto 2, los operarios encargados del traslado de material no cuentan con el equipo de seguridad necesario para realizar su tarea, lo cual constituye un alto factor de riesgo desde el punto de vista de salud ocupacional y seguridad industrial.

• Un punto critico en materia ambiental es el alto nivel de emisiones gaseosas (COx,NOx,

SOx) que resultan de la combustión del carbón choque, lo cual no solo es un problema ambiental, sino que también representa un sobre costo al proceso, porque estas emisiones se deberán tratar con métodos físico-químicos que permitan su emisión a la atmósfera cumpliendo la reglamentación nacional de emisiones gaseosas.

• El costo de operación de un horno de cubilote es 30% mayor en comparación con los

hornos actuales de energía eléctrica, principalmente porque la operación con el cubilote alcanza una eficiencia máxima de 80%, mientras que los hornos eléctricos tiene eficiencias por encima de 95%.

Foto 2. Condiciones de trabajo inadecuadas en el horno de De Lima

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1.2. Comercializadora MNP

1.2.1. Tecnología

MNP es un taller de fundición ubicado en Soledad, con capacidad para producir 25 toneladas de lingotes de aluminio sin refinar al mes. Para su proceso de fundición, MNP cuenta con dos hornos de solera de tamaño mediano alimentados con combustible fósil que es una mezcla de ACPM y aceite usado (ver Foto 3), en los cuales se presenta calentamiento directo de la materia prima a fundir. Cada uno de estos hornos cuenta con un soplador mediante el cual se inyecta oxígeno al proceso, alimentando de esa manera la combustión.

Foto 3. Hornos de solera de la Comercializadora MNP

Como materia prima de fundición, MNP utiliza tanto chatarra como escoria de aluminio, esta última consistente en residuos de la fabricación de papel de aluminio (ver Foto 4). Dicha escoria debe ser triturada y cernida previo a su utilización, para lo cual la empresa cuenta con dos molinos de bolas y una cernidora eléctrica.

Foto 4. Escoria de aluminio utilizada como materia prima en MNP

MNP cuenta con un sistema de extracción de gases compuesto por un extractor y dos campanas de extracción ubicadas encima de cada uno de los hornos, tal como se muestra en la Foto 5. Adicionalmente a esto, cuenta con un cuarto de expansión y un lavador de gases.

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Foto 5. Extractores de gases de MNP


Las siguientes son las etapas del proceso de fundición de MNP, tal como se ilustra en la Figura 3:

1. Preparación de materia prima: se inicia el proceso con la recepción de materia prima, tanto la escoria de aluminio como la chatarra con alto contenido de dicho metal. Posteriormente se selecciona la materia prima para la carga del horno modo que no contenga ningún otro tipo de metales, para lo cual se somete a una etapa de molienda que separe las fracciones de óxido superficial y obtener así una materia prima sin residuos.

2. Fundición: Los dos hornos de solera funcionan con una mezcla de 80% ACPM y 20% de aceite quemado. La materia prima de fundición (chatarra y escoria de aluminio) es cargada al horno junto con sal sin refinar, utilizada como fundente.

3. Moldeo: Una vez obtenida la temperatura requerida en el horno (600-700oC) y con el aluminio en estado líquido, este se extrae del horno para llevar a los moldes y formar los lingotes (ver Foto 6).


Los principales recursos utilizados en el proceso de fundición de MNP son:

• Materias primas de fundición: chatarra y escoria de aluminio • Combustibles: ACPM y aceite quemado • Insumos de fundición: oxígeno y sal sin refinar • Energía eléctrica • Agua

El nivel de consumo de cada uno de estos recursos por tonelada de lingotes de aluminio producido se muestra en la Tabla 4.

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Figura 3. Diagrama de proceso de MNP

Foto 6. Moldeo de lingotes en MNP

Tabla 4. Consumo de recursos en MNP

Insumo Consumo


Observaciones

Escoria de aluminio1 7.7 ton Chatarra de aluminio1 1.075 ton ACPM2 88 o 22 gal 88 gal si se funde escoria de aluminio, 22 si es chatarra Aceite quemado2 22 u 8 gal 22 gal si se funde escoria de aluminio, 8 si es chatarra Sal sin refinar 6.7 kg Energía eléctrica ND El consumo promedio diario es 50 Kwh., en los equipos

mostrados en la Tabla 5 Agua ND El consumo de agua doméstica es aproximadamente

1m3/día. 1 El consumo mensual de chatarra y escoria de aluminio depende del porcentaje de estas dos materias primas usado en la producción mensual. 2 El consumo aproximado de combustible (mezcla de ACPM y aceite quemado) es de 6 gal/h.

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Tabla 5. Equipos eléctricos usados en MNP

Equipo Potencia (hp) Tipo de Consumo Ventilador extractor 6 Trifásico Motores de molido (2) 5 Trifásico Bomba centrifuga 8 Trifásico Pulidora mecánica 5 Trifásico Sopladores de aire (2) 1 Monofásico


A continuación se ilustran las principales fallas operativas encontradas en el proceso de fundición de Comercializadora MNP:

• Liberación de material particulado: Como se puede observar en la Foto 7, hay gran liberación de material particulado proveniente de las operaciones de trasiego, molienda y cargue al horno, debido principalmente a la presencia de finos. Este material no solo afecta las características y composición del producto final, ya que el material particulado se precipita e ingresa en los lingotes durante el proceso de solidificación del metal, dichas impurezas en el metal generan cambios estructurales y tensiones internas al momento de trabajar el lingote de aluminio, sino que a su vez también se encuentra en un tamaño tan pequeño (menor de 10µm) que puede penetrar fácilmente las vías respiratorias.

• Control inadecuado de emisiones: El sistema de extracción de humos y gases con que cuenta la empresa es insuficiente, bien sea en su potencia o ubicación. Se pueden observar claramente emisiones fugitivas que se dispersan por toda la planta y que posteriormente afectan su área de influencia (ver Foto 8).

• Ineficiencia en el uso de energía: Se logró percibir que existen altas pérdidas de energía como se observa en la Foto 9. También se puede determinar que al fundir la escoria de aluminio junto con el material particulado, el incremento en los costos de combustibles es de cuatro veces más que la fundición partiendo de chatarra de aluminio.

• Ineficiencia en el proceso de fundición: La presencia de metal en la escoria resultante de la fundición evidencia ineficiencias en dicho proceso. Si bien es cierto que MNP recupera parte de este metal aprovechable al fundir nuevamente la escoria, el gasto de energía es considerablemente más elevado que si se obtuviera en el primer ciclo de fundición, ya que se tendría que reducir y fundir el metal nuevamente, hay que tener en cuenta que muchos de los compuestos formados en la escoria son mas difíciles de reducir en comparación con el aluminio de la chatarra.

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Foto 7. Liberación de material particulado en MNP

Foto 8. Emisiones fugitivas en MNP

Foto 9. Escape de energía en los hornos de MNP

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1.3. Taller de Fundiciones Boyacá

1.3.1. Tecnología

Fundiciones Boyacá es una empresa pequeña que fabrica alrededor de 5 toneladas de piezas metálicas de hierro gris por mes, los productos que la empresa ofrece son principalmente trabajos específicos de fundición, para lo cual cuenta con un cubilote de aire frío, el cual se alimenta con un chorro de aire, tal como se muestra en la Foto 10, con una recuperación aproximada del 80 % de la chatarra introducida en el horno. Como materia prima de fundición utiliza chatarra de motores y partes de automóviles. La empresa no cuenta con sistemas de control de emisiones.

Foto 10. Horno de cubilote de Talleres Boyacá


1. Las etapas del proceso de fundición en Talleres Boyacá son las siguientes, según se ilustra en la Figura 4.

2. Preparación de la arena de moldeo: se realiza una mezcla guardando la relación de 50 kg de arena, 9 kg de bentonita y 9 kg de carbón bituminoso.

3. Preparación de la materia prima: Por cada 100 kg de chatarra metálica utilizada como materia prima de fundición se agregan 0.4 kg de ferro silicio. Esto con el fin de mejorar la calidad de la aleación.

4. Fundición: el horno de cubilote es alimentado con carbón coque, caliza y la mezcla de chatarra y ferro silicio preparado. Cuando la fundición está en el punto deseado se retira para el moldeo.

5. Moldeo: esta actividad se realiza de forma manual, cubriendo los moldes con la mezcla preparada de arena, bentonita y carbón bituminoso. Posteriormente el hierro fundido es vertido sobre el molde.

6. Desmolde: se retira la arena del molde para su reutilización y liberación de las piezas metálicas.

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Figura 4. Diagrama de proceso de Talleres Boyacá


Los recursos utilizados en el proceso de fundición de Talleres Boyacá son:

• Materias primas para la fabricación de moldes: Arena, bentonita y carbón bituminoso • Materia prima de fundición: chatarra de hierro, principalmente de partes de automóviles • Combustible para la fundición: carbón coque (350 kg por tonelada de hierro fundida) • Insumos para la fundición: Aire de soplado para el horno • Energía eléctrica (alrededor de 400 kWh en promedio por mes, para los equipos

mostrados en la Tabla 6) • Agua (alrededor de 20 m3 por mes)

Tabla 6. Equipos eléctricos usados en Talleres Boyacá

Equipo Potencia (PH)Soplador de aire del horno 3.5 Soplados de forja 0.5 Pulidora mecánica 0.5 Iluminación ----


• Ineficiencia en la operación del horno: se pudo apreciar que la escoria resultante del proceso de fundición cuenta con altos contenidos de hierro, lo cual constituye una muestra inequívoca de la mala operación del cubilote, siendo esto un punto crítico que refleja la forma errónea de operación y dejando de manifiesto que en esta etapa se

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presentan grandes perdidas económicas, ya que ese material (Escoria) no es reutilizado.

• Fallas de seguridad industrial: la carga de materias primas e insumos de fundición al horno se realiza de manera manual, lo cual es un riesgo de seguridad industrial en la operación.

• Inadecuada distribución de planta: el espacio de trabajo en la planta es insuficiente y su distribución es inadecuada para el eficiente y seguro movimiento de materiales y la realización del trabajo, tal como se aprecia en la Foto 11.

• Ausencia de sistemas de control de emisiones: La planta no cuenta con un sistema de control de emisiones en ninguna de las etapas del proceso.

Foto 11. Inadecuada distribución de planta en Talleres Boyacá

1.4. Reciclal


Reciclal es un pequeño taller de fundición que produce alrededor de 25 toneladas por mes de lingotes de plomo a partir de la recuperación del plomo presente en las baterías agotadas de los automóviles. Opera alrededor de 12 días al mes en turnos de fundición de 8 a 10 horas, fundiendo 2 toneladas por lote. El horno que utiliza es un cubilote modificado de tamaño pequeño, el cual se muestra en la Foto 12. A diferencia de los cubilotes tradicionales en los cuales la carga del material se efectúa por la parte superior del mismo, en el horno de Reciclal la carga de material se realiza por su parte inferior. La empresa cuenta con un sistema de control de emisiones compuesto por dos cuartos de expansión y un lavador de gases, los cuales se muestran en la Foto 13.

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Foto 12. Horno de Reciclal

Foto 13. Sistema de control de emisiones de Reciclal


Las etapas del proceso de fundición en Reciclal se detallan a continuación y se ilustran en la Figura 5.

1. Recepción de materias primas: la empresa recibe distintas clases de materia prima, entre las cuales se cuentan baterías secas, baterías automotrices, baterías desarmadas, chatarra y escoria reciclada del proceso.

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2. Desarmado de las baterías: cada batería se desarma manualmente, extrayéndose de ellas las láminas de plomo que están en su interior. Este plomo se reúne con la chatarra y la escoria para ser agregado al cubilote.

3. Procesamiento de los componentes de las baterías: Las bolsas de plomo o fundas donde están las láminas de plomo son lavadas y luego botadas como residuo ya que están fabricadas de materiales polimétricos que no sirven para la fundición (ver Foto 14), mientras que los sólidos obtenidos en esta etapa son ingresados al horno.

4. Fundición: se alimenta el horno de cubilote con el plomo obtenido, cal, una mezcla de coque, carbón fino, y se introduce una corriente de aire.

5. Moldeo: una vez el plomo alcanza las condiciones y la temperatura necesaria, se extrae del horno y se pasa a un crisol, el cual se mantiene a la temperatura deseada mediante el uso de gas natural. Posteriormente, el plomo fundido se deposita en los moldes previamente dispuestos para formar los lingotes del plomo.

Figura 5. Diagrama de proceso de Reciclal

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Foto 14. Fundas de poliestireno sobrantes del desarmado de baterías en Reciclal


Los siguientes recursos son utilizados en el proceso de fundición en Reciclal. Su nivel de consumo se detalla en la Tabla 7.

• Materia prima de fundición: principalmente baterías • Combustible para la fundición: carbón coque • Insumos para la fundición: caliza como fundente del plomo, carbón molido como

reductor del plomo, y aire de soplo para la combustión • Energía eléctrica • Agua

Tabla 7. Consumo de recursos en MNP

Insumo Consumo


Observaciones

Baterías 200 Cada batería contiene 8 kg de scrap de plomo Carbón coque 100 kg Caliza 50 kg Carbón molido 30 kg Energía eléctrica ND El consumo mensual es de 800 kWh, para los equipos

listados en la Gas natural 16 lb Agua ND El consumo de agua es 35 m3/mes. El agua de proceso se

almacena en un tanque de 5 m3 y circula en un proceso cíclico para ser usada en el lavador de gases. Es cambiada cada 9 lotes de producción.

Tabla 8. Equipos eléctricos usados en Reciclal

Equipo Potencia (hp)Soplador de aire primario 8 Ventilador extractor 8.5 Motor de bomba de agua 7 Iluminación ----

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Las principales fallas de tipo operativo encontradas en el proceso de producción de Reciclal se enumeran a continuación:

• Ausencia de sistemas de control de proceso: el proceso en su mayoría es empírico; no se cuenta con un sistema de control de la temperatura del horno y las relaciones de masa y energía que ingresan al sistema no se conocen con precisión pues las materias primas e insumos son adicionadas a criterio del operario.

• Inadecuado proceso de carga de materiales al horno: la carga al horno es realizada de forma manual y rudimentaria, siendo así peligrosa para la integridad física de los operarios.

• Inadecuada distribución de planta: la distribución de planta no es la más adecuada para el efectivo movimiento de materiales, tal como se muestra en la Foto 15.

• Un proceso operativo ineficiente: ya que la eficiencia en la recuperación global del plomo es de solo el 62.5%, lo cual es muy poco para que el proceso industrial sea rentable y atractivo económicamente. En un proceso que tiene tan poca eficiencia es importante realizar cambios importantes (Reingeniería) para posibilitar su factibilidad económica.

Foto 15. Inadecuada distribución de planta en Reciclal

• Altos niveles de emisiones fugitivas: cuando es adicionado el plomo de enfriamiento se observan grandes emisiones fugitivas de vapores tóxicos que afectan a los operarios, tal como se muestra en la Foto 16.

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Foto 16. Emisiones fugitivas provenientes del crisol de Reciclal

• Elevado nivel de acidez en la carga metálica: las cargas alimentadas al horno son

altamente ácidas, lo cual se refleja en la alta cantidad de óxidos de azufre que son emanados de la chimenea.

• Insuficiente sistema de control de emisiones: el sistema de lavado de gases es insuficiente para la minimización de las concentraciones de óxidos de azufre emanadas.

• Inadecuado proceso de desarmado de baterías: las baterías son desarmadas con un hacha al inicio del proceso, lo que ocasiona liberación de ácidos y de material particulado con influencia en gran parte del área de producción (ver Foto 17).

• Falta de medidas de salud ocupacional: Las condiciones de trabajo no son las adecuadas desde el punto de vista de salud ocupacional, pues el ambiente se encuentra saturado de vapores muy contaminantes (óxidos de plomo), y los operarios no cuentan con los implementos mínimos necesarios de seguridad para protegerse de ellos (ver Foto 18).

Foto 17. Residuos líquidos tóxicos provenientes de las baterías en Reciclal

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Foto 18. Condiciones inadecuadas de trabajo en Reciclal

1.5. Fundiciones JIG

La empresa Fundiciones JIG se dedica a la producción de lingotes de plomo a partir de scrap de plomo de baterías gastadas. Su capacidad de producción es de 200 toneladas por mes, pero en la actualidad no se encuentra laborando por conflictos con el Plan de Ordenamiento Territorial. De esta manera, la información consignada en esta sección se basará únicamente en entrevistas realizadas con el dueño y personal administrativo de la empresa. Si bien se realizó una visita técnica a las instalaciones de la planta, esta no se pudo ver en operación. De esta manera, las fallas operativas y opciones de mejoramiento tecnológico que se presentan a continuación son resultado de inferencias a partir de la visita técnica realizada.


La planta tiene un horno de cuba con un crisol móvil (ver Foto 19), alimentado con carbón coque, carbón pulverizado y residuos provenientes de baterías gastadas de tipo ácida. El horno cuenta con 2 blowers, uno para inyectar oxígeno a la fundición y otro para aspirar los gases de combustión. En sus instalaciones cuenta también con una chimenea de 18 metros de alto, un lavador de gases y un sistema de laberintos de alrededor de 250 metros de largo en doble vía (ver Foto 20), utilizado para endulzamiento de los humos procedentes del proceso de óxido-reducción del plomo.

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Foto 19. Horno de Fundiciones JIG

Foto 20. Sistema de laberintos de Fundiciones JIG


Los siguientes son los recursos utilizados en el proceso de fundición de JIG. Su consumo se detalla en la Tabla 9

• Materia prima de fundición: scrap de plomo de batería • Combustible de fundición: carbón coque • Insumos de fundición: carbón pulverizado y cal • Energía eléctrica • Agua

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Tabla 9. Consumo de recursos en Fundiciones JIG

Insumo Consumo


Observaciones

Scrap de plomo 1.4 ton Carbón coque 91 kg Carbón pulverizado ND Cal 28 kg Energía eléctrica ND El consumo diario de energía es 200 kWh Agua 27 gal


En JIG no pudieron ser identificadas fallas de tipo operativo dado que durante la visita a la planta ésta no estaba en operación. Algunas observaciones que no pudieron ser constatadas son las siguientes:

• No se encontró una forma de alimentación mecánica al horno. • Se observa en los alrededores del horno la presencia de material particulado grisáceo,

compuesto principalmente por óxidos de hierro y plomo puro. Esto se relaciona directamente con pérdidas del metal al ambiente en la operación.

• Un proceso operativo ineficiente: ya que la eficiencia en la recuperación global del plomo es de solo el 71.4%, siendo este un proceso de recuperación de plomo en el cual no existe recirculación de ninguna corriente para aumentar la eficiencia del proceso, lo cual es muy poco para que el proceso industrial sea rentable y atractivo económicamente. En un proceso que tiene tan poca eficiencia es importante realizar cambios importantes (Reingeniería) para posibilitar su factibilidad económica.

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2. POTENCIAL DE DISMINUCIÓN DE CONTAMINANTES CON EL SISTEMA DE PRODUCCIÓN ACTUAL

2.1. Fundiciones De Lima

2.1.1. Alternativas de Producción más Eficiente

Se determinaron las siguientes alternativas de producción más eficiente para Fundiciones De Lima:

• Implementación de un sistema de control del proceso: los mejores resultados para la operación del horno de cubilote se obtienen cuando el contenido de CO2 en los gases de combustión se encuentra entre el 12 y el 14 %. Para garantizar que dicho contenido se encuentra dentro del rango deseado se deberá contar con un sistema de control que implica, primero, la determinación y control de la cantidad de la carga introducida al cubilote, y segundo, la caracterización de la cantidad de carbón total en el coque utilizado.

• Control de la combustión: en relación con el punto anterior, la eficiencia de la combustión está directamente relacionada con el contenido de CO2 del gas de escape, lo cual hace que la medición de este parámetro sea un indicador de la condiciones y características de la cama de coque del cubilote. La eficiencia de la fusión (relación hierro / combustible) y la eficiencia de la combustión (CO2 en gases de escape) están íntimamente relacionadas, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Relación de coque vs. composición de los gases de escape del cubilote

9

10

11

12

13

14

15

9 10 11 12 13 14 15

Relación de coque ( Kg. Hierro/Kg. coque)

Aná

lisis

del

gas

(% C

O2)

• Reducción de la pérdida de energía en la combustión por calor latente: la presencia de monóxido de carbono (CO) en los humos indica que se está perdiendo energía generada en la combustión en forma de calor latente. La literatura reporta que en un horno de cubilote se pierde alrededor de un 59% de energía, un 36% en forma de calor

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latente (presencia de CO) y un 23 % en forma de calor sensible (alta temperatura en los humos). La introducción de una doble hilera de toberas contribuye a lograr una disminución significativa del CO en los gases de combustión.

• Reducción de pérdidas de energía en el horno por transferencia de calor: un importante ahorro de costos y aumento en la producción se puede obtener eliminando las pérdidas excesivas por la transferencia de calor en las distintas partes del horno como son el crisol y la coraza, mediante un óptimo aislamiento térmico del equipo.

• Uso eficiente de la escoria: la composición de la escoria es un buen indicador del control que se está realizando sobre la operación de cubilote. Cuando se logra obtener una escoria uniforme se podrá realizar un análisis de su posible aprovechamiento como subproducto. Por ejemplo, la escoria de tipo ácido se puede atacar con hierro para la producción de sales ferrosas, las cuales son usadas como ferroaleaciones.

• Enriquecimiento con oxígeno del fluido de combustión: El enriquecimiento del fluido de combustión (aire) con oxígeno (aproximadamente en un 4-5 %) se puede emplear con éxito para obtener hierro más caliente al empezar el lote. De esta manera se corrigen problemas de operación del fundido del lado frío del horno adecuando una transición de fusión del hierro gris a una mezcla maleable. Esto se puede conseguir realizando una perforación al ducto principal de aire y empleando un orificio calibrado por el cual se ingresará el enriquecimiento de oxígeno y un indicador de presión.

• Recuperación de la energía de los gases de escape: la elevada energía registrada en los humos se puede recuperar con una operación de viento caliente. Este tipo de variación del proceso es factible económicamente para producciones altas (10,000 toneladas por año). La utilización de un sistema de precalentamiento del flujo de aire reduce las perdidas del hierro por oxidación, incrementando así la eficiencia de todo el proceso, aumentando también la velocidad de combustión y disminuyendo el consumo de coque en próximamente un 20% para una temperatura de soplado de 145 ºC. También se disminuye la absorción de azufre sobre el metal fundido al igual que el empleo de fundentes y menor tendencia al abovedamiento del hierro producido, mejorando la calidad del metal y proporcionándole una calidad uniforme. A continuación se detallan dos métodos de precalentamiento del flujo de aire: el método de precalentamiento recuperativo y el método de precalentamiento externo. Ambos se ilustran en la Figura 7.

o Método de precalentamiento recuperativo: Con este método se busca el aprovechamiento de la energía que poseen los gases de combustión a la salida del horno, al ser éstos reutilizados en el sistema para incrementar la temperatura del aire fresco con la ayuda de un equipo de transferencia de calor.

o Método de precalentamiento externo: Este método se diferencia del anterior simplemente porque se utiliza un intercambiador después de la bomba de impulsión de aire, pero dicho calentamiento se realiza con un fluido de servicio distinto a los gases de combustión.

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Figura 7. Métodos para precalentamiento de aire inyectado

FluidoFluidode de servicioservicio

IntercambiadorIntercambiadorde de calorcalor

AireAire

Humos Humos dedeccombustiombustiónón IntercambiadorIntercambiador

de de calorcalor

AireAire

Precalentamiento externoPrecalentamiento externo Precalentamiento recuperativoPrecalentamiento recuperativo

FluidoFluidode de servicioservicio

IntercambiadorIntercambiadorde de calorcalor

AireAire

Humos Humos dedeccombustiombustiónón IntercambiadorIntercambiador

de de calorcalor

AireAire

Precalentamiento externoPrecalentamiento externo Precalentamiento recuperativoPrecalentamiento recuperativo

2.1.2. Potencial de Reducción de Contaminación

Reducción de Emisiones Atmosféricas

El principal potencial de reducción de emisiones se relaciona con la instalación de un adecuado sistema de lavado de gases de combustión en cada uno de los hornos de cubilote de la empresa. Esto debido a que el lavador actualmente instalado no tiene un diseño adecuado, lo cual permite el escape de altos niveles de emisión especialmente en los periodos de arranque de cada carga. La Figura 8 muestra un esquema de lavador de gases tal como el que se podría implementar en De Lima. Para ello se debe prolongar la salida de los hornos al menos dos metros más. Con un correcto lavado de gases compuesto mínimo por dos etapas se podrían reducir las emisiones en un 60%.

Figura 8. Esquema de un lavador de gases de dos etapas

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Reducción de Vertimientos

Las aguas industriales usadas en el lavado y manipulación de arenas son bajas. El agua de enfriamiento de los gases de chimenea se recircularía totalmente, manteniendo un control de pH de aproximadamente 11 para prevenir corrosión y daño a los ductos.

Reducción de Residuos Sólidos

Son de especial atención la reutilización de las arenas de moldeo, la eficiencia en la fusión del metal, el control de CO a la salida de los gases y el mantenimiento y actualización de los balances de masa mencionados en la sección 2.1.1.

2.1.3. Potencial de Ahorro en Consumo de Recursos

Ahorro de Agua

La mayor parte del agua usada en la planta es de uso doméstico y su disposición se lleva a cabo por medio de un pozo séptico

Aprovechamiento de la Materia Prima

Una buena clasificación de la chatarra cargada al horno, sumado al control de su composición, así como buenas prácticas de operación del cubilote, redundarían en un mejor aprovechamiento de la materia prima.

Disminución de Costos

En la sección 2.1.1 se mencionaron algunas adecuaciones que redundarían en la disminución de los costos de operación del proceso tales como el precalentamiento del soplo, el enriquecimiento con oxígeno y el control de la calidad de carga.

2.2. Comercializadora MNP

2.2.1. Alternativas de Producción más Eficiente

Las alternativas de producción más eficiente encontradas para la Comercializadora MNP se detallan a continuación:

• Uso eficiente de la escoria: se deberá considerar la posibilidad de sinterizar la escoria usada como materia prima, pues está constituida principalmente por aluminio reducido (metal) y una pequeña fracción de óxido de aluminio que rodea las piezas.

• Control de la temperatura del proceso: es muy importante tener un control de la temperatura de proceso puesto que si el horno se trabaja a temperaturas muy superiores al punto de fusión del metal se puede presentar volatilización del metal. El punto de fusión del aluminio es 600ºC y actualmente el horno se está operando con temperaturas cercanas a los 700ºC. De esta manera, en la visita a la planta se detectaron vapores de aluminio saliendo de la chimenea y en su área de influencia.

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• Análisis de la carga de escoria: un análisis metalúrgico de la carga de escoria, donde se determine el porcentaje de metal frente al porcentaje de oxido, será de utilidad para la toma de decisiones tendientes a la mejora del proceso.



• En la planta hay presencia de una capa de polvillo y oxido metálico emanado de liberaciones fugitivas actualmente no controladas y por tanto no aprovechadas como subproducto para la venta y posterior fabricación de sulfato y oxicloruro de aluminio (utilizados en el tratamiento de agua).

• Se sugiere también la implementación de un lavador de gases tipo gorro chino de dos etapas en la chimenea, aprovechando la infraestructura de agua de enfriamiento instalada actualmente.

• Se podría así mismo complementar la captura de humo y gases de combustión con la colocación de una tapa móvil que gire sobre la boca de carga cuando el horno este en operación, unida a una chimenea que este cerca de la campana de extracción, y que asegure una menor liberación de humos y gases al medio ambiente.


Aplicando correctamente el enfriamiento y el lavado de gases, sólo habrá pérdidas por evaporación las cuales serán muy limitadas o pequeñas.


Como ya se mencionó en las alternativas más eficientes de operación, sin duda las más importantes alterativas están relacionadas con la disminución de las emisiones de partículas frías de aluminio que se van en la escoria desechada y que se pueden utilizar como materia prima para la producción de sales de aluminio.


Si se efectúa lo mencionado en las alternativas de operación eficiente se podrían disminuir pérdidas en consumo de recursos que redundarían en un ahorro de 10% en materia prima.

2.3. Taller de Fundición Boyacá

2.3.1. Alternativas de Operación Eficiente

• Mejorar la forma de carga del horno para evitar cualquier tipo de contratiempo, lo que se puede realizar con un malacate.

• Implementar la recuperación de energía de los gases de combustión por medio de un precalentamiento con el aire de soplado del horno.

• La implementación de una etapa de lavado de los gases de chimenea, al igual que incrementar la altura de la misma.

• Realizar mejoras en la distribución de planta para disminuir el desorden y la mala ubicación del los materiales.

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• Implementar el uso obligatorio de los materiales de protección a todo el personal que labora en la empresa.



Es necesaria la instalación de un lavador de tipo gorro chino de doble plata, lo que reduciría las emisiones en más de un 60%.


• El uso del agua es de carácter doméstico y su vertimiento es realizado en las alcantarillas publicas. El agua usada con fines industriales es muy poca, principalmente para remojar la arena utilizada en los moldes.

• En el caso de la implementación de una etapa de lavado a los gases de chimenea, se requerirá un tanque de acopio de agua, un sedimentador y una bomba de recirculación, al igual que el control y verificación del pH de dicha agua, para evitar al máximo la corrosión del material de la chimenea. La evaporación de agua es baja y su reposición es muy sencilla.


Un control eficiente de la carga y operación del horno redundará en una menor cantidad de escoria producida y por consiguiente menores pérdidas por la oxidación del hierro.


El control de las variables de proceso en el cubilote y una correcta implementación del balance de materia del horno generarán un incremento de la eficiencia de la fusión de metal.

2.4. Reciclal

2.4.1. Alternativas de Operación más Eficiente

Como ya se mencionó en la sección 1.4.4, en Reciclal se pueden implementar buenas prácticas de manufactura, entre las cuales se destacan:

• Alimentación mecánica del horno. • Lavado y neutralización de la carga para evitar emisiones gaseosas de carácter ácido. • Buena clasificación de la carga alimentada para agregar mayor proporción de metal

reducido que ingresa al horno. • Implementar la tecnología más limpia para el procesamiento del metal más oxidado.



La cantidad de emisiones se podría reducir efectuando lavados continuos de agua a los gases de chimenea, para de esta manera retirar la mayor cantidad de contaminantes posibles

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al medio ambiente. Adicionalmente se podría explorar la alternativa de utilizar la segunda caja de viento frío como filtro de mangas.


Se sugiere el lavado del material de carga al horno y el posterior tratamiento de estos efluentes líquidos para su reutilización, así como también la implementación del lavado de los gases de chimenea, con el tratamiento posterior de dichas aguas y su reutilización en el proceso. Los efluentes líquidos deberán tener un pH aproximado de 11 para evitar corrosión en el metal de la chimenea.


El buen manejo de la tecnología de producción, al igual que la implementación de los controles sugeridos y las mejoras en la manipulación, trabajo y cargue del horno evitarán en gran medida pérdidas de materia prima. Se deberá llevar un manejo eficiente de los balances de masa de todas las cargas para aplicar correcciones operacionales de mejoramiento continuo.

2.5. Fundiciones JIG

2.5.1. Alternativas de Operación más Eficiente

Por lo que se pudo observar en la visita a la planta, ésta tiene una distribución adecuada. En cuanto a las opciones de buenas prácticas de manufactura, a continuación se sugieren algunas, las cuales tendrían que ser corroboradas cuando la planta entre nuevamente en operación:

• Sugerir a sus proveedores de materia prima implementar un desarmado mecánico de las baterías, que consiste en el corte mecánico de la tapa y la separación de barreras y peines de la batería, al igual que implementación del tratamiento adecuado de los líquidos contenidos en cada batería.

• Realizar un lavado primario de la materia prima para evitar que una vez cargada al horno tenga demasiados contaminantes y que puedan alterar el desarrollo normal de la operación de fundición.

• Desarrollo de un tratamiento y valorización con tecnología fría y ambientalmente amigable de las placas positivas de las baterías, que están en mayor grado de oxidación y que presentan mayor grado de dificultad para su recuperación.



• Se deberá mejorar el control de emisiones gaseosas en la chimenea mediante la implementación de una etapa múltiple de lavado con un gorro chino que retenga gran parte de los gases de combustión.

• Se deberá tener mucho cuidado del control de las emisiones fugitivas al momento de la descarga del horno, implementando un sistema de laberintos de succión y descarga de las emisiones del horno.

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Será necesaria la recirculación del agua de lavado de gases, al igual que el sistema de tratamiento fisicoquímico cada vez que el agua se sature.


Se podrá recuperar el polvillo de las cajas del sistema de laberintos, con el cual se prepararía un sinterizado que luego se introduciría en el horno nuevamente para su recuperación. Por otro lado, se deberá aplicar un tipo de tecnología de reducción hidrometalurgica, para la recuperación del óxido de plomo (IV). Se recomienda la tecnología de reducción por electrólisis, que responde a la siguiente ecuación. PbO2 + Pb + 4H+ + 2e 2Pb + 2H2O + 2e


La clasificación de la materia prima utilizada, junto con un pesaje antes y después del proceso de fundición, permitirá determinar las pérdidas por liberaciones no controladas. Así mismo se deberá implementar un control térmico del proceso el cual ayudará a evitar fugas por la volatilización de componentes. Un aprovechamiento más eficaz de la materia prima conllevará una disminución directa del consumo de combustible al igual que una disminución en la cantidad de fundente, lo que se reflejará en menor costo de producción. Así mismo, la contaminación producida por el plomo se disminuirá considerablemente al implementar tecnologías de control de emisiones gaseosas y una nueva tecnología para reducción de óxido de plomo (IV).

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3. SISTEMAS DE CONTROL PARA CUMPLIR CON LA NORMA DE EMISIÓN

3.1. Niveles de Cumplimiento Según la Normatividad

Como se mencionó en el primer informe, y de acuerdo con los muestreos isocinéticos realizados, solamente una de las tres empresas monitoreadas cumple con la norma nacional para emisión de material particulado. Los resultados de dichos muestreos se resumen en la Tabla 10.

Tabla 10. Cumplimiento de la norma de material particulado en las empresas monitoreadas

Empresa Número de Muestreos

Emisión de partículas (Kg/ton)

Norma de emisión (Kg/ton)

Porcentaje sobre la norma

Cumple

De Lima 1 0.5867 1.29 - 54.5 % SI De Lima 2 0.88 1.29 - 31.8 % SI MNP 1 1.05 1.00 + 5.0 % NO Reciclal 1 3.02 1.00 + 202.0 % NO Reciclal 2 2.5 1.00 + 150 % NO

Así mismo, también se anotó que actualmente no existen en el país normas de aplicación nacional que regulen las emisiones de plomo, óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno en las empresas del sector de fundición.

3.2. Equipos Comúnmente Utilizados para el Control de la Contaminación por Material Particulado

La selección de los equipos de limpieza depende de la cantidad y características de los contaminantes que deben ser controlados en la corriente gaseosa y de la eficiencia esperada. Los equipos más comúnmente empleados para el control de material particulado son:

• Cámaras de sedimentación • Separadores inerciales • Ciclones • Colectores húmedos • Precipitadotes electrostáticos • Colectores de bolsas o filtros de mangas

A continuación se hará una breve descripción teórica de los equipos que se encontraron instalados en las empresas de fundición visitadas o que son susceptibles de instalar para cumplir con las necesidades de remoción de material particulado. Estos equipos son fundamentalmente las cámaras de sedimentación, los separadores inerciales y los ciclones.

3.2.1. Cámaras de Sedimentación

Las cámaras de sedimentación utilizan la gravedad como medio de asentamiento y son los colectores mecánicos más simples y antiguos. Por lo general, se construyen en forma de

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cámaras largas, horizontales y rectangulares con la entrada en un lado y la salida en el techo o en el lado del lado opuesto, como se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Cámara de sedimentación

Fuente: EPA 2003a

El flujo dentro de las cámaras debe ser uniforme y sin ningún mezclado macroscópico. El flujo uniforme se obtiene a menudo por medio de rectificadores de flujo en la entrada de la cámara. Se utilizan tolvas para recolectar el polvo asentado, aunque también se emplean cadenas de arrastre y transportadores de tornillo. El sistema de remoción de polvo debe estar sellado para prevenir entradas de aire hacia la cámara, lo que aumentaría la turbulencia, causaría levantamiento del polvo y evitaría que el polvo fuera descargado adecuadamente del equipo (EPA 2003a). Hay dos tipos primarios de cámaras de asentamiento: la cámara de expansión y la cámara de bandejas múltiples. En la cámara de expansión, la velocidad de la corriente de gas se reduce significativamente a medida que el gas se expande en una gran cámara. La reducción de velocidad permite que las partículas más grandes se asienten fuera de la corriente de gas. La cámara de bandejas múltiples es una cámara de expansión con un número de bandejas delgadas estrechamente empacadas dentro de la cámara, lo cual hace que el gas fluya horizontalmente entre ellos. Aunque la velocidad del gas es ligeramente mayor en una cámara de bandejas múltiples que en la de una sola cámara de expansión, la eficiencia de recolección mejora porque las partículas tienen una distancia mas corta para caer antes de ser colectadas. La eficiencia de las cámaras de asentamiento se incrementa con el tiempo de residencia del gas contaminado dentro de la cámara. Debido a esto, las cámaras de asentamiento se operan a la menor velocidad posible de gas. En realidad, la velocidad del gas debe ser lo suficientemente baja como para evitar que el polvo se vuelva a arrastrar en el gas, pero no tan baja que la cámara llegue a ser irrazonablemente grande. Por lo general, el tamaño de la unidad está determinado por la velocidad del gas deseada dentro de la unidad, la cual debe ser menor a 3 m/s y de preferencia menor a 0.3 m/s (Wark 1999). Las ventajas de las cámaras de asentamiento incluyen las siguientes:

• Bajos costos de capital • Costos de energía muy bajos • No hay partes móviles, por lo tanto son pocos los requerimientos de mantenimiento y

bajos costos de operación

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• Excelente funcionamiento • Baja caída de presión a través del equipo • El equipo no está sujeto a la abrasión debido a la baja velocidad del gas • Proporciona enfriamiento incidental de la corriente de gas • Las limitaciones de temperatura y presión dependen únicamente de los materiales de

construcción • Recolección y disposición en seco de las partículas

Dentro de las desventajas de las cámaras de asentamiento se incluyen las siguientes:

• Eficiencias de recolección de material particulado (MP) relativamente bajas, particularmente para tamaños menores a 50 µm

• No puede manejar materiales pegajosos o aglutinantes • Gran tamaño físico • Las bandejas de las cámaras de bandejas múltiples se pueden deformar durante

operación a altas temperaturas. Las cámaras de sedimentación se usan principalmente para permitir una limpieza previa de las partículas gruesas presentes en una corriente gaseosa de manera económica.

Costos

Con el fin de calcular de costos de una cámara de sedimentación, los flujos se suponen que están entre 0.25 y 50 m3/s, la carga de partículas a la entrada se supone que es aproximadamente entre 20 y 4,500 g/m3 y la eficiencia de control se supone que es del 50 por ciento. Los costos no incluyen los costos de transporte y disposición del material. Como regla, las unidades más pequeñas controlando un caudal de bajas concentraciones de desperdicio serán más caras (por unidad de velocidad de flujo volumétrico), que una unidad grande limpiando un caudal con carga de contaminantes alta. Los costos de un sistema de sedimentación pueden ser estimados como (EPA 2003a):

• Costo de Capital: US$330 a US$10,900 por m3/s • Costo de Operación y Mantenimiento: US$13 a US$470 por m3/s anualmente

3.2.2. Separadores Inerciales

Los separadores por momento inercial operan forzando un cambio drástico en la dirección del gas contaminado dentro de la cámara de asentamiento por gravedad, por medio del uso de deflectores estratégicamente colocados, tal como se muestra en la Figura 10. Típicamente, el gas fluye primero hacia abajo y es forzado por los deflectores a fluir súbitamente hacia arriba. El momento inercial y la gravedad actúan hacia abajo sobre las partículas, lo que ocasiona que las partículas más grandes atraviesen las líneas de corriente del gas y se recolecten en la tolva en el fondo de la cámara (EPA 2003b). El diseño de los separadores por momento debe proporcionar suficiente volumen para permitir el asentamiento de los materiales separados de la corriente de gas con alta velocidad, así como materiales de construcción lo suficientemente duros para resistir demasiada abrasión. Al igual que en todos los recolectores mecánicos, el diseño debe incluir métodos de sellado de la descarga del polvo de las tolvas, para evitar la entrada de aire.

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Figura 10. Separadores inerciales

Fuente: EPA 2003b

Las eficiencias de recolección son menores del 5% para un tamaño de partícula de 5 µm; de 10 a 20% para un tamaño de partícula de 10 µm y de más de 99 por ciento para un tamaño de partícula 90 µm o mayor. Las velocidades típicas del flujo de gas para una unidad de separación por momento son de 0.5 a 10 m3/seg. Las cargas típicas de contaminantes del gas van de 20 a 4,500 g/m3 a condiciones estándares. La temperatura de entrada del gas está únicamente limitada por los materiales de construcción, siendo estos sistemas operados a temperaturas tan altas como 540°C (Wark 1999). Los separadores por momento comparten muchas de las ventajas de otros separadores mecánicos (Wark 1999):

• Bajos costos de capital • Ausencia de partes móviles, por lo tanto, pocos requerimientos de mantenimiento y

bajos costos de operación • Menos requerimientos de espacio que las cámaras de asentamiento • Caída de presión relativamente baja comparada con la cantidad de MP a remover • Las limitaciones de temperatura y presión dependen únicamente de los materiales de

construcción • Recolección y disposición en seco.

A su vez, este tipo de separadores también comparte las desventajas de otros recolectores mecánicos (Wark 1999):

• Eficiencias de recolección de MP relativamente bajas • Incapaz de manejar materiales pegajosos o aglutinantes • Caídas de presión mayores que las de las cámaras de asentamiento • Debido a la caída de presión, pueden resultar mayores costos de operación.

Los separadores de momento son utilizados para controlar las partículas de mayor tamaño, principalmente de diámetro aerodinámico de más de 10 micras (µm).

Costos

Con el fin de determinar los costos de separadores inerciales, los flujos se suponen que están entre 0.5 y 10 m3/s, la carga de partículas a la entrada se supone entre 20 y 4.500 g/m3, y la eficiencia de control se supone que es de 50%. Los costos no incluyen los costos de transporte ni disposición del material recolectado (EPA 2003b).

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• Costos de Capital: U$680 a U$6,600 por m3/s • Costos de Operación y Mantenimiento: U$318 a U$6000 por m3/s anualmente.

3.2.3. Ciclones

Los ciclones utilizan la inercia para remover las partículas de la corriente del gas e imparten una fuerza centrífuga a la corriente de gas, normalmente en una cámara de forma cónica. Los ciclones operan creando un vórtice doble dentro del cuerpo del mismo. El gas que entra es forzado a bajar por el cuerpo del ciclón con movimiento circular cerca de la superficie del tubo del ciclón. En el fondo del ciclón, la dirección del gas se invierte y sube en espirales por el centro del tubo y sale por la tapa del ciclón, tal como se ilustra en la Figura 11 (AWMA 1992).

Figura 11. Esquema de ciclones

Fuente: Wark 1999 Las partículas en la corriente del gas son forzadas hacia la pared del ciclón por la fuerza centrífuga del gas en rotación, pero se les opone la fuerza de arrastre del gas que pasa por el ciclón hacia la salida. Con las partículas más grandes, la inercia vence a la fuerza de arrastre, haciendo que las partículas alcancen la pared del ciclón y sean colectadas. Con las partículas más pequeñas, la fuerza de arrastre es mayor que la inercia, ocasionando que las partículas salgan del ciclón junto con el gas. La gravedad también hace que las partículas más grandes que llegan a la pared del ciclón bajen hacia la tolva. Aunque utilizan el mismo mecanismo de separación que los separadores por impulso, los ciclones son más efectivos porque tienen un patrón de flujo de gas más complejo (AWMA 1992). La caída de presión es un parámetro importante, ya que tiene relación con los costos de operación y la eficiencia de control. Para un ciclón determinado, se pueden obtener mayores eficiencias de control con velocidades de entrada más altas, pero esto también incrementa la caída de presión. Los rangos comunes de caídas de presión para los ciclones son de 0.5 a 1 kPa para unidades de baja eficiencia (alta capacidad), de 1 a 1.5 kPa para unidades de mediana eficiencia (convencionales), y de 2 a 2.5 kPa para unidades de alta eficiencia (AWMA 1992).

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Algunas ventajas de los ciclones son (AWMA 1992):

• Bajos costos de capital • Ausencia de partes móviles, por lo tanto, pocos requerimientos de mantenimiento y

bajos costos de operación • Caída de presión relativamente baja • Las limitaciones de temperatura y presión dependen únicamente de los materiales de

construcción • Colección y disposición en seco • Requisitos espaciales relativamente pequeños.

Las desventajas de los ciclones incluyen las siguientes (AWMA 1992):

• Eficiencias de colección de MP relativamente bajas, particularmente para MP de tamaño menor a 10 µm

• No pueden manejar materiales pegajosos o aglomerantes • Las unidades de alta eficiencia pueden tener altas caídas de presión.

El diseño de los ciclones requiere una relación geométrica entre sus dimensiones tal que la turbulencia entre el vórtice ascendente y el descendente sea la menor posible y para que la velocidad, la fuerza centrífuga y la distancia radial permitan la recolección de las partículas (ver Figura 12). Se han desarrollado teorías acerca de las relaciones geométricas de las dimensiones de un ciclón en términos del diámetro del cuerpo para que estos requisitos se cumplan; con base en ellas los ciclones son clasificados en los tres grupos mostrados en la Tabla 11.

Figura 12. Dimensiones estándar de los ciclones

De

D

W

S H

Lb

Lc

Dd

Fuente: Benitez, 1993

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Tabla 11. Tipo de ciclones según la relación geométrica de sus dimensiones

Alta Eficiencia Convencional Alta Capacidad Dimensión 1 2 3 4 5 6

D/D 1 1 1 1 1 1 H/D 0.5 0.44 0.5 0.5 0.75 0.8 W/D 0.2 0.21 0.25 0.25 0.375 0.35 De/D 0.5 0.4 0.5 0.5 0.75 0.75 S/D 0.5 0.5 0.625 0.6 0.875 0.85 Lb/D 1.5 1.4 2 1.75 1.5 1.7 Lc/D 2.5 2.5 2 2 2.5 2 Dd/D 0.375 0.4 0.25 0.4 0.375 0.4

Fuente: Benitez 1993

Costos

Con el fin de calcular los costos de los ciclones, los flujos se suponen que están entre 0.5 y 12 m3/s, la carga de partículas se supone que es aproximadamente entre 2.3 y 230 g/m3 y la eficiencia de control se supone que es del 90%. Los costos no incluyen los costos de transporte y disposición del material reunido (EPA 2003c).

• Costo de Capital : U$4,600 a U$7,400 por m3/s • Costo de Operación y Mantenimiento: U$1,500 a U$18,000 por m3/s anualmente.

3.3. Equipos Utilizados para el Control de Contaminantes Atmosféricos

Aproximadamente el 93% de los contaminantes del aire son gases, entre los que se cuentan el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y azufre y los hidrocarburos no quemados. Por lo general, las concentraciones de contaminantes gaseosos en las mezclas de gas son relativamente bajas. Para la remoción de gases, se cuenta con diversas técnicas como:

• El contaminante se puede adsorber sobre la superficie de adsorbentes sólidos selectivos

• El contaminante puede ser absorbido por solventes líquidos • El contaminante se puede recuperar por condensación superficial • El contaminante se puede oxidar por medio de la incineración térmica o catalítica

Dado que la técnica mayormente utilizada por las empresas de fundición para el control de gases contaminantes son las torres lavadoras o de absorción se describe a continuación brevemente su esquema de operación.

3.3.1. Torres Lavadoras o de Absorción

La absorción es una operación unitaria comúnmente aplicada en los procesos químicos donde los compuestos en la corriente de gas son disueltos en un solvente líquido. El contacto entre el líquido absorbente y el gas de venteo se logra en torres de aspersión contracorriente, depuradores, o columnas compactas o con placas, tal como se ilustra en la Figura 13.

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Figura 13. Esquema de torres de absorción

La absorción física depende tanto de las propiedades de la corriente de gas y del solvente líquido, tales como la densidad y viscosidad, como de las características específicas del (de los) contaminante(s) en el gas y en la corriente de líquido (por ejemplo, la difusividad y la solubilidad en equilibrio). Estas propiedades son dependientes de la temperatura y las temperaturas más bajas por lo general favorecen la absorción de gases por el solvente. La absorción también es mejorada por una mayor superficie de contacto, una proporción mayor de líquido a gas, y concentraciones mayores en la corriente de gas. La absorción química puede ser limitada por la proporción de reacción, sin embargo el paso determinante es típicamente la proporción de absorción física, no la proporción de reacción química. El agua es el más común de los solventes usados para remover los contaminantes inorgánicos. La remoción de contaminantes puede ser mejorada manipulando químicamente la solución absorbente de manera que reaccione con el contaminante. La solución cáustica (hidróxido de sodio, NaOH) es el líquido depurador más comúnmente usado para el control de gases ácidos (por ejemplo, HCl, SO2, o ambos), aunque el carbonato de sodio (Na2CO3) y el hidróxido de calcio (cal apagada, Ca[OH]2) también son utilizados. Cuando los gases ácidos son absorbidos dentro de la solución depuradora, estos reaccionan con los compuestos alcalinos para producir sales neutrales. La proporción de absorción de los gases ácidos depende de la solubilidad de los gases ácidos en el líquido depurador. La absorción tiene lugar por los gradientes de concentración en las interfases entre el líquido y el gas. El proceso se acelera por:

• Grandes áreas superficiales de interfase • Alta turbulencia • Grandes coeficientes de difusión de masa

El proceso de desulfuración de gas de salida o limpieza de SO2 típicamente usa un reactivo alcalino de base de calcio o sodio. El reactivo es inyectado al gas de salida en una torre de

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aspersión o directamente dentro del conducto. El SO2 es absorbido, neutralizado y/o oxidado por el reactivo alcalino y convertido en un compuesto sólido, ya sea calcio o sulfato de sodio. El sólido es removido de la corriente de gas residual usando equipo corriente abajo. El material sorbente típico es la piedra caliza o la cal. La piedra caliza es bastante económica pero las eficiencias de control de los sistemas de piedra caliza están limitadas a aproximadamente un 90%. La cal es más fácil de manejar y tiene eficiencias de control de hasta 95% pero es significativamente más cara (EPA 2003d). La relación del volúmen entre el reactivo del lodo y el gas residual se le conoce como la relación de líquido a gas (L/G). La relación L/G determina la cantidad de reactivo disponible para la reacción con el SO2. Los valores altos de L/G resultan en eficiencias de control más altas. También aumentan la oxidación de SO2, lo cual resulta en una disminución de la formación de incrustaciones en el absorbedor. Para una remoción alta de SO2 son críticas una distribución uniforme del sorbente a través del reactor y un tiempo de residencia adecuado (Srivastava 2001). El gas de salida debe mantenerse entre 10°C y 15°C (40°F y 50°F) por debajo de la temperatura de saturación para minimizar los depósitos en el absorbedor y en el equipo corriente abajo. Las eficiencias de remoción de este tipo de sistemas son:

• Gases Inorgánicos: Los vendedores de dispositivos de control estiman que las eficiencias de remoción varían del 95 al 99%.

• Compuestos Orgánicos Volátiles (COV): Las eficiencias de remoción para los absorbedores de gas varían para cada sistema de contaminante-solvente y con el tipo de absorbedor usado.

• Partículas: Los depuradores en húmedo con lecho empacado se limitan a aplicaciones en las cuales la carga de polvo es baja, y las eficiencias de recolección varían del 50 al 95%, dependiendo de la aplicación.

La adaptabilidad de la absorción de gases como un método de control de la contaminación depende por lo general de los siguientes factores:

• La disponibilidad del solvente adaptable • La eficiencia de remoción requerida • La concentración del contaminante en el vapor de entrada • La capacidad requerida para el manejo de gas residual • El valor de recuperación del (de los) contaminante(s) o el costo de desechar el solvente

irrecuperable. Los depuradores con lechos empacados son utilizados típicamente en la industria química, y de aluminio, coque, aleaciones ferrosas, alimentos, agrícola y cromado por electro-plateado. Estos depuradores han tenido un uso limitado como parte de los sistemas de desulfurar el gas de salida (DGS), pero la proporción de flujo de la solución absorbente debe ser controlada debidamente para evitar la inundación del depurador. Para las aplicaciones de absorción de gases, los preenfriadores (por ejemplo, las cámaras de aspersión, apagadores) pueden ser necesarios para saturar la corriente de gas o para reducir la temperatura del aire de entrada a niveles aceptables para evitar la evaporación de solvente o reducidas proporciones de absorción.

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El diámetro de la torre de absorción es determinado por la caída de presión. El área transversal de la torre debe ser la suficiente para lograr un contacto adecuado entre gas y líquido, pero que no genere una excesiva caída de presión. Las caídas de presión típicas para torres empacadas están entre 200 a 400 Pa/m. Para la mayoría de los casos existe una correlación gráfica que puede ser útil para determinar la caída de presión en unidades de absorción.

Costos

Los siguientes datos son los rangos de costo (expresados en dólares del 2002) para los depuradores en húmedo con lechos empacados de diseño convencional bajo condiciones típicas de operación, adaptados a partir de los formatos para estimación de costos de la EPA (EPA 2003d) y referidos a la proporción del flujo volumétrico de la corriente de desecho tratada.

• Costo de Capital: $32,000 a $104,000 por m3/s • Costo de Operación y Mantenimiento: $36,000 a 165,000 por m3/s anualmente

Los costos no incluyen los costos de pos-tratamiento o desecho del solvente usado o residuo. Estos pueden ser sustancialmente más altos que en los rangos mostrados para aplicaciones que requieren materiales costosos, solventes, o métodos de tratamiento. Como regla, las unidades más pequeñas controlando un flujo residual de baja concentración serán muchísimo más costosas (por unidad de proporción de flujo volumétrico) que una unidad grande limpiando un flujo con una carga alta de contaminantes.

3.4. Equipos Auxiliares

Sin importar la fuente a controlar, cada sistema podrá contener, además del dispositivo de control mismo, los siguientes equipos auxiliares:

• Campana, u otro medio para capturar la emisión • Conductos, para transportar el gas desde la fuente hasta, a través, y desde el sistema

de control • Sistema del ventilador (ventilador, motor, arrancador, compuertas de entrada/salida,

etc.), para mover el gas a través del sistema • Chimenea, para dispersar el gas limpio en la atmósfera.

A continuación se describen cada uno de estos equipos.

3.4.1. Campanas

Los sistemas de captación más conocidos como campanas tienen como función captar los contaminantes generados en los procesos industriales. Para que la captación sea efectiva se necesita un buen encerramiento de la fuente de contaminación, con el fin de proporcionar volúmenes mínimos de aire a extraer y evitar escapes en el ambiente de trabajo (Quinchia 1995). Las campanas se pueden clasificar en cabinas y campanas exteriores. Las cabinas son campanas que encierran total o parcialmente el punto de generación del contaminante y deben tratar de usarse siempre y cuando las condiciones físicas del proceso lo permitan; las

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campanas exteriores son aquellas que se encuentran adyacentes al foco emisor y su orientación es muy importante cuando se manejan contaminantes liberados a velocidades apreciables. La distancia entre la campana y el foco emisor debe ser la menor posible para disminuir el caudal de diseño, lo que se traduce en menor consumo de energía. La Tabla 12 muestra los tipos de campanas más usuales y sus respectivas capacidades de flujo.

Tabla 12. Tipos de campanas

CAMPANA DESCRIPCIÓN RELACIONANCHO/LARGO

VOLUMEN DE AIRE(CFM)*

2 o MAS RANURASABIERTAS 0.2 O MAYOR Q = V(10X 2+A)

2 O MAS RANURASABIERTAS CON BRIDA 0.2 O MAYOR Q = 0.75V(10X 2+A)

RANURA 0.2 O MENOR Q = 3.7LVX

RANURA CON BRIDA 0.2 O MENOR Q = 2.6LVX

ABERTURA PLANA 0.2 O MAYOR OCIRCULAR Q = V(10X 2+A)

ABERTURA CON BRIDA 0.2 O MAYOR OCIRCULAR Q = 0.75V(10X 2+A)

CABINA PARA ADAPTARAL TRABAJO Q = VA = VWH

CAMPANA SUSPENDIDA PARA ADAPTARAL TRABAJO

Q = 1.4PDVVer figura 14

Fuente: Quinchia, 1995

La velocidad de captura es la velocidad de succión necesaria para capturar el contaminante antes que se esparza por la atmósfera general del lugar (Quinchia 1995), y corresponde a la velocidad del aire en un punto cualquiera frente a la boca de la campana. Es un importante valor de diseño dado que de ella depende que se capture efectivamente el contaminante con la mínima cantidad de extracción de aire, es decir el mínimo de energía. La Tabla 13 muestra los rangos de velocidades de captura que han sido establecidos en función de la dispersión del contaminante.

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Tabla 13. Valores recomendados para velocidad de captura

Condiciones de Dispersión del Contaminante Ejemplo Velocidad de Captura (m/s)

Liberación con velocidad prácticamente nula en aire quieto

Evaporación de tanques, desengrase. 0.25 – 0.5

Liberación a baja velocidad en aire en movimiento moderado

Soldadura, baños electrolíticos.

0.5 – 1

Generación activa en una zona de rápido movimiento de aire

Aplicación de pintura con pistola, transportadores.

1 – 2.5

Liberación con alta velocidad inicial en una zona de movimiento de aire muy rápido

Pulido, esmerilado, chorro abrasivo. 2.5 - 10

Fuente: Quinchia 1995 El caudal a manejar por las campanas suspendidas tipo cabina se calcula mediante las siguientes expresiones:

Q = LHV Q = WHV

Donde:

Q: Caudal L: Longitud V: velocidad de captura W: Ancho

Se habla en términos de pérdida de carga o caída de presión para referirse a las pérdidas de energía que se presentan en el transporte de un fluido. Las pérdidas en general se encuentran expresadas en función de la presión de velocidad:

PV = d V2/ 4.432

Donde:

PV: presión de velocidad o presión dinámica d: densidad del aire V: velocidad

3.4.2. Ductos

Son los canales por los cuales será conducida la corriente de gas desde las campanas de extracción a los equipos de limpieza. La velocidad de transporte en ductos se refiere a la velocidad necesaria al interior del ducto para evitar la sedimentación y posterior taponamiento del ducto. Esta velocidad, sin embargo, no podrá ser tan elevada que resulte en un deterioro precoz de la tubería por abrasión. La Tabla 14 muestra los rangos recomendados para velocidades de transporte de gases en ductos.

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Tabla 14. Valores recomendados para velocidad de transporte

Naturaleza del Contaminante Ejemplo Velocidad de

Transporte (m/s)Vapores, gases y neblinas Todos los vapores, gases y neblinas 5 – 6 Humos Humos de oxido de zinc y aluminio 7 – 10 Polvo volátil muy fino Pelusa de algodón, polvillo de madera 10 – 13 Polvo seco y material pulverizado o triturado

Polvo fino de caucho, hilaza, polvo de algodón, virutas, polvo de jabón. 13 - 15

Polvo promedio industrial

Aserrín (pesado y húmedo), polvo de esmerilado, polvo de pulidoras, polvo de lana, grano de café, polvo de suela, polvillo de sílice, material suspendido en general, fundición general.

17 – 20

Polvo pesado

Torneado de metales, tambores de limpieza de material fundido y desmoldado de este, tamizado de arena, polvo de perforación de hierro fundido, polvo de plomo.

20 – 23

Polvo y mezclas pesadas Polvo de plomo con pequeñas partículas, traslado de fibras de asbesto, partículas de pulido con felpa (pegajosas, viscosas) polvo de cal viva.

23 y más

Fuente: Quinchia 1995 Al igual que las campanas, los ductos generan pérdida de presión principalmente por fricción en tramos rectos o por accesorios tales como codos, entradas a ramales, orificios, entrada al ventilador etc. Las pérdidas generadas en los tramos rectos se obtienen por medio de la interpolación de los diagramas de Moody que relacionan el caudal con la velocidad y el diámetro del ducto, o con la siguiente expresión matemática.

Hf (PV/m) = 0.0155 V0.533

Q0.612

Donde:

Hf: Factor de pérdida por metro de tubería V: Velocidad en m/s Q: Caudal en m3/s

3.5. Evaluación de los Sistemas de Control Actuales

En esta parte del informe se realizará una evaluación a los sistemas de control encontrados actualmente en cada una de las empresas visitadas. Se iniciará por las instalaciones donde se está incumpliendo con las normas de emisión, posteriormente se evaluarán las empresas que cumplen los aspectos normativos y finalmente se describirán sólo cualitativamente las empresas en las cuales no se ha logrado realizar análisis de sus emisiones.

3.5.1. Reciclal

Los gases que salen del horno de cubilote son conducidos, a dos cámaras de expansión provistas de bafles internos por medio de un sistema de ductos. Los gases que salen de la segunda cámara son llevados a un lavador de gases que funciona con agua y finalmente se emiten a la atmósfera por una chimenea de 15.5 metros de altura, mostrada en la Foto 21.

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Foto 21. Chimenea de Reciclal

La empresa posee ductos para el transporte de las emisiones pero no de campanas para la su eficiente captura, especialmente cuando adiciona el plomo de enfriamiento. Esta etapa se considera de especial interés pues allí se producen grandes emisiones fugitivas que hasta el momento no han sido cuantificadas. La emisión de partículas por la chimenea es de 3.02 kg/ton producto, la cual es superior a la establecida por la norma de emisión (Decreto 02 de 1982) de 1.0 kg/ton.

Foto 22. Cámara de expansión de Reciclal

Los cuartos de expansión, mostrados en la Foto 22, con un volúmen aproximado de 30 m3 y unas dimensiones de 3m de largo, 3m de ancho y 3m de alto, actúan como cámaras de separación por inercia, donde la presencia de bafles implica la pérdida continua de la

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dirección de flujo y por tanto la separación por inercia del material particulado. Estas dos cámaras de separación no logran la eficiencia de remoción requerida pues, de acuerdo con el caudal emitido, estarían trabajando con una velocidad de gas cercana a los 0.040 m/s, la cual es muy baja. Según la literatura su eficiencia está del orden de 10 a 20% (EPA 2003a) para tamaños de partícula de 10 micrómetros, característicos de un proceso de fundición. Los costos de este sistema de control pueden ser estimados por medio de la metodología EPA (2003b), asumiendo valores bajos dentro del intervalo recomendado dadas las tecnologías que se encuentran en la zona, como se muestra en la Tabla 15.

Tabla 15. Costos sistema de control de emisiones de Reciclal

Costos U$/ m3/s Q (m3/s) U$ De capital (fijos) 1000 0.45 445.2 De operación y mantenimiento (anuales) 500 0.45 222.6

Tal como se anotó en el primer informe de avance la empresa Reciclal tiene las mayores concentraciones de óxidos de azufre en sus emisiones con respecto a las demás empresas analizadas. Para el control de este contaminante Reciclal posee un lavador de gases provisto de un sistema de aspersión de agua, como se observa en la Foto 23. La alimentación y descarga del gas se hace por la parte superior.

Foto 23. Lavador de gases de Reciclal

El costo de este equipo de operación no es fácilmente cuantificable por la metodología EPA, toda vez que no se inscribe dentro de los equipos tradicionales de desulfurización de gases, como son las torres de absorción. En cuanto a equipos auxiliares la empresa cuenta con ductos para el transporte del gas que han sido construidos acondicionando canecas metálicas, tal como se aprecia en la Foto 22 arriba y que no tienen por tanto ninguna característica de diseño que permita garantizar la

54

velocidad de transporte adecuada, como se ilustra en la Tabla 15. Estas canecas, por el contrario, permiten fácilmente la acumulación de material en puntos de unión y aumentan la posibilidad de fugas de la corriente de gas.

3.5.2. Comercializadora MNP

Esta empresa cuenta con un sistema de control de emisiones compuesto por dos campanas de extracción ubicadas sobre cada uno de los dos hornos de solera (ver Foto 24), las cuales, mediante un sistema de ductos, conducen los gases a una cámara de expansión en donde pierden velocidad y temperatura, sedimentándose de esta manera parte del material particulado que contienen. El gas que sale de la cámara se hace pasar por dos enfriadores que utilizan agua como refrigerante y luego se pone en contacto con la superficie del agua de enfriamiento, contenida en un tanque de almacenamiento. Posteriormente, entra a otra cámara de expansión y finalmente es emitido a la atmósfera a través de una chimenea de 15 metros de altura.

Foto 24. Campanas de extracción de MNP

La empresa tiene una emisión de partículas de 1.05 kg/ton producto, muy cercana al valor normativo (Decreto 02 de 1982) de 1.0 kg/ton. De acuerdo con este resultado se requiere una remoción tan sólo del 5% en la tasa de emisión de material particulado para cumplir con lo reglamentario. La Foto 25 muestra la cámara de expansión y los dos equipos que son usados para el enfriamiento del gas en Comercializadora MNP. Esta cámara, de dimensiones 3m de largo, 3m de ancho y 3m de alto y un volumen aproximado de 30 m3, actúa como cámara de sedimentación con una velocidad aproximada del gas de 0.05 m/s, por debajo del valor mínimo recomendado de 0.13 m/s (EPA 2003a).

55

Foto 25. Cámara de expansión y enfriadores en MNP

Los costos asociados a este sistema de control pueden ser estimados por medio de la metodología EPA (2003a) asumiendo valores bajos dentro del intervalo recomendado dadas las tecnologías que se encuentran en la zona, como se muestra en la Tabla 16.

Tabla 16. Costos del sistema de control de emisiones de MNP

Costos U$/ m3/s Q (m3/s) U$ De capital (fijos) 1000 0.41 413 De operación y mantenimiento (anuales) 100 0.41 41.3

En cuanto a equipos auxiliares, MNP cuenta con campanas de extracción del tipo campana suspendida y con ductos metálicos adecuados para el transporte de las emisiones. Por otro lado, la chimenea tiene una altura de 15m y está provista de un gorro chino y desfogue adecuado (ver Foto 26).

56

Foto 26. Chimenea de MNP

3.5.3. Fundiciones de Lima

Los gases provenientes de los dos hornos de cubilote de Fundiciones De Lima son descargados directamente a una chimenea, cuyo extremo superior está dotado de un sistema lavador de gases. La altura de la descarga es de 16 metros para cada una de las chimeneas, mostradas en la Foto 27. Los equipos de control de partículas con que cuenta esta empresa funcionan adecuadamente, toda vez que cumple la norma de emisión y está por debajo de la misma en un 50%. En cuanto a equipos auxiliares, cuenta con ductos que impulsan el gas de emisión con la ayuda de un soplador hacia la chimenea (ver Foto 28).

Foto 27. Chimeneas de De Lima

57

Foto 28. Sistema de impulsión de emisiones en De Lima

3.5.4. Fundiciones JIG

El sistema de control de emisiones está compuesto por un tramo de laberintos de más de 260 metros de longitud en doble vía. Los gases pasan luego a un lavador de gases y finalmente son descargados a la atmósfera por una chimenea de 16 metros de altura. Dado que la empresa no se encuentra en operación no fue posible evaluar sus emisiones ni la eficiencia del sistema de control. No obstante, durante la visita técnica realizada se observó la presencia de material particulado grisáceo en los alrededores del horno, presumiblemente de óxidos de hierro y plomo, que dejan entrever pérdidas del metal al ambiente.

3.5.5. Fundiciones Boyacá

Este pequeño taller de fundición dedicado principalmente a la fabricación de piezas de hierro, trabaja con un horno de cubilote alimentado con carbón coque y no cuenta con sistemas de control de emisiones. Los gases del horno se emiten directamente a la atmósfera a través de un ducto de 4 metros de altura. Como se anotó anteriormente, la carga manual del hierro no sólo implica inseguridad en la operación sino también la presencia de emisiones fugitivas.

3.6. Sistemas de Control Propuestos

Es importante señalar que las recomendaciones de los sistemas propuestos a continuación se hicieron a partir de los datos de flujo y concentración obtenidos en los análisis isocinéticos para las empresas que los poseían. Dado que no existe información de caudales en otros puntos del proceso, éstos se estimaron a partir de los datos de chimenea. Por este motivo, existen ciertas restricciones que habría que superar para considerar los siguientes dimensionamientos como diseños definitivos.

58

3.6.1. Reciclal

Como se comentó en la sección 3.5.1, la sola presencia de las cámaras de sedimentación no es suficiente para lograr cumplir con la norma de emisión. Es necesario determinar con exactitud la velocidad del flujo dentro de estas cámaras con el fin de evaluar su eficiencia y, de requerirse, rediseñarlas. De otra parte, y dado que la empresa excede la norma de emisión de partículas en más de un 150%, se considera necesario la instalación de un mecanismo de control adicional. Por su sencillez de construcción y economía se propone la instalación de un ciclón convencional con un eficiencia mínima del 70%. Para el dimensionamiento de este ciclón se hacen las siguientes consideraciones:

• La carga contaminante emitida por la chimenea es de 1.10 g/m3 en condiciones estándar. Es baja en comparación con las recomendaciones de EPA (2003c) que oscilan entre 2.3 y 230 g/m3, aunque en aplicaciones especiales se aceptan cargas tan bajas como de 1.0 g/m3.

• La eficiencia para ciclones convencionales oscila entre 30 y 90% para material particulado cuyo diámetro sea inferior a 10 micras (en adelante PM10, EPA 2003c).

• El caudal de gases, aunque es bajo (0.5 m3/s calculado a partir de la velocidad de los gases en la chimenea y el área transversal de la misma), está dentro del rango posible dado por EPA (2003c) entre 0.5 a 12 m3/s. Existen varias alternativas para incrementar este caudal, dentro de las cuales se recomiendan: aumentar el tiro de la chimenea, instalar un soplador adicional, aumentarle la potencia al ya existente, o aumentarle el número de revoluciones.

• Dependiendo del material de construcción, los ciclones pueden trabajar con temperaturas hasta de 540oC. La temperatura de salida de los gases es de 57oC.

Diseño del Ciclón

Los parámetros a tener en cuenta para el diseño del ciclón se muestran en la Tabla 17:

Tabla 17. Parámetros para el diseño del ciclón propuesto para Reciclal

Parámetro Valor Densidad de partícula 1200 Kg/m3 Diámetro de la partícula 10 micras Caudal 0.45 m3/s Viscosidad del gas 1.8x10-5 Kg/m s Número de vueltas 5 Eficiencia 70%

Para determinar las dimensiones del ciclón se aplicará la ecuación 5, deducida por Wark (1999), en la cual se definen las siguientes variables:

η = eficiencia de remoción Ne = Número de vueltas dentro del ciclón ρp = densidad de la partícula Q = caudal µ = viscosidad del gas H = altura de la entrada

59

W = ancho de la entrada Do = diámetro del cilindro

mDxD

xDDxHW

segmkgsegmmkgHW

QDppNeHW

WHQDppNe

38.0104.70194.0

104.7)21.0(*4.104.7

70.0*/10*8.1*9/45.0*)10*10(*/1200*5*

9****

***9****

0

33

3200

32

5

32632

22

2

2

==

=

=

−=

=

=

−

−

−

−

−πµη

ρπµρπη

Ecuación 5

Con este valor se calculan las demás dimensiones del ciclón considerando algunas de las relaciones geométricas presentadas en la Tabla 11. Para estimar la caída de presión se usa la siguiente expresión (Benitez, 1993):

22

22

22 HWQNVN

P HgH ρρ==∆

Ecuación 6

Al aplicar esta ecuación con la configuración obtenida se observa una caída de presión de 5.88 kPa, la cual es muy alta si se tiene en cuenta que para ciclones convencionales ésta debe estar entre 1 a 1.5 kPa (EPA, 2003c). Como este parámetro está relacionado con el gasto energético y por tanto con costos de operación, se hacen necesarios cálculos repetitivos asumiendo nuevos valores para algunas de las variables hasta obtener una caída de presión razonable a la configuración señalada. Realizando el procedimiento descrito se obtiene que para Do de 0.6m, la caída de presión es de 1.36 kPa, con un aumento en la eficiencia por encima del 90%, lo cual resulta muy conveniente. La potencia necesaria para vencer esta caída de presión con el caudal de 0.45 m3/s es de 0.61 kW (0.8 HP) que es realmente baja y podrá ser suministrada con los motores instalados actualmente en la chimenea. El ciclón tendrá finalmente las siguientes dimensiones ilustradas en la Figura 14. Los costos asociados a este sistema de control pueden ser estimados por medio de la metodología EPA (2003c), tal como se muestra en la Tabla 18.

60

Figura 14. Dimensiones del ciclón propuesto para Reciclal

0.6

0.3

0.8

1.4

0.2

0.1

0.2

0.2

Tabla 18. Costos del ciclón propuesto para Reciclal

Costos U$/ m3/s Q (m3/s) U$ De capital (fijos) 6,000 0.45 2,671.2 De operación y mantenimiento (anuales) 1,500 0.45 667.8

El material de construcción sería acero inoxidable, de tal forma que permita trabajar con corrientes de emisión ácidas y corrosivas. Los costos de operación y mantenimiento incluyen la potencia necesaria para el funcionamiento del ciclón, que como se anotó anteriormente es baja. El ciclón deberá instalarse después de la segunda cámara de expansión y antes del lavador de gases.

Emisiones Fugitivas

Otro punto importante de emisión de contaminantes son las emisiones fugitivas que se producen por encima del crisol con la adición del plomo de enfriamiento. En este punto se propone la instalación de una campana de extracción y de ductos que conduzcan las emisiones a la primera cámara de sedimentación, como se ilustra en la Figura 15.

61

Figura 15. Sistema de captación de emisiones fugitivas propuesto para Reciclal

Emisiones de SOx

En cuanto al lavador de gases se recomienda ingresar los gases por la parte inferior de tal manera que tengan un mayor contacto con la solución lavadora. Es muy recomendable que esta solución no sea agua sino una lechada de cal, la cual neutralizaría los óxidos de azufre que son el principal contaminante gaseoso de esta fundición. Dicha solución debe mantenerse a un pH de 11, lo cual provoca un precipitado de sulfato de calcio, residuo que puede ser vendido para otros usos. Igualmente el lavado de gases es susceptible de mejorarse mediante la implementación de un mejor sistema de aspersión de tal manera que permita un mayor contacto entre los gases y la solución. El estimativo de costos asociados a los anteriores planteamientos se muestra en la Tabla 19.

Tabla 19. Costos del sistema de captación de emisiones fugitivas propuesto para Reciclal

Control Equipo Costos fijos Costos anuales Partículas Ciclón 5.983.488 1.495.872 Gases Lavador 0 300.000 Fugitivas Campana y

ductos 2.000.000 400.000

Subtotal 7.983.488 2.195.872 Transporte (5%) 399.174 Instalación (10%) 798.348 TOTAL 9.181.010 2.195.872

Captación en hornos

Ventilador

Captación en crisol

ciclón 1er Cámara de sedimentación

62

3.6.2. Comercializadora MNP

Tal como se mencionó en la sección 3.5.2, en MNP se requiere mínimo un 5% adicional en la eficiencia de remoción del material particulado para cumplir con la norma. Este puede alcanzarse mediante modificaciones de los sistemas ya existentes o mediante la instalación de un ciclón convencional. Si se elige la primera opción, se sugiere modificar los equipos existentes para enfriamiento del gas de tal manera que actúen como separadores de partículas por centrifugación. Tal como están diseñados, cada uno de estos equipos podría alcanzar una eficiencia de remoción del 50% para partículas de 10 micrómetros de diámetro, dado que el caudal del gas (0.41 m3/s) es muy bajo para las dimensiones del ciclón. La adaptación de los ciclones implica modificar la entrada del gas para que se haga de manera tangencial y que la salida sea axial, como se ilustra en la Figura 16. Como los ciclones son mecanismos de separación más eficientes que las cámaras de expansión, además se deberían reubicar para que queden después de la segunda cámara. El sistema de enfriamiento se cambiaría por uno de refrigeración externo, funcionando también con agua.

Figura 16. Modificación de los equipos de enfriamiento a ciclones en MNP

ENTRADA TANGENCIAL

SALIDA AXIAL

ENTRADA TANGENCIAL

SALIDA AXIAL

Con la adecuación de estos equipos como ciclones se esperaría una reducción en la emisión de material particulado de 1.06 a 0.53 kg/ton en el primer ciclón y de 0.53 a 0.26 kg/ton en el segundo, con lo cual se cumpliría la norma de emisión (1.0 kg/ton).

Diseño de un Nuevo Ciclón

La segunda opción es construir un nuevo ciclón que opere con una eficiencia de remoción de al menos el 60%, lo cual es aceptable para ciclones convencionales y garantizaría el cumplimiento de la normatividad. Para el diseño de este ciclón se hacen las siguientes consideraciones:

63

• La carga de contaminantes es de 0.0715 g/m3 a condiciones estándar. Es muy baja frente a lo recomendado por EPA (2003c), la cual oscila entre 2.3 y 230 g/m3, aunque en aplicaciones especiales se aceptan cargas tan bajas como de 1.0 g/m3.

• La eficiencia necesaria para el cumplimiento de la norma es solo del 5%, sin embargo se tomará una eficiencia mínima del 60% para un ciclón convencional, que está dentro del intervalo recomendado de 30 a 90% para PM10 (EPA 2003c).

• El caudal de gases, aunque es bajo (0.41 m3/s calculado a partir de la velocidad de los gases en la chimenea y el área transversal de la misma), está muy cerca del rango dado por EPA (2003c) de entre 0.5 a 12 m3/s. Existen varias alternativas para incrementar este caudal, dentro de las cuales se recomiendan: aumentar el tiro de la chimenea, instalar un soplador adicional, aumentarle la potencia al ya existente, o aumentarle el número de revoluciones.

• La temperatura de los gases de 48oC es adecuada, pues dependiendo del material de construcción los ciclones pueden trabajar con temperaturas hasta de 540oC.

Los parámetros a tener en cuenta para el diseño del ciclón de MNP se muestran en la Tabla 20.

Tabla 20. Parámetros para el diseño del nuevo ciclón de MNP

Parámetro Valor Densidad de partícula 1,200 Kg/m3 Diámetro de la partícula 10 micras Caudal 0.41 m3/s Viscosidad del gas 1.8x10-5 Kg/m s Número de vueltas 5 Eficiencia 60%

Para determinar las dimensiones del ciclón se aplica la ecuación 5 deducida por Wark (1999) y mencionada anteriormente:

mDxD

xDDxHW

segmkgsegmmkgHW

QDppNeHW

WHQDppNe

41.01001.80194.0

1001.8)21.0(*4.1001.8

60.0*/10*8.1*9/41.0*)10*10(*/1200*5*

9****

***9****

0

33

3200

32

5

32632

22

2

2

==

=

=

−=

=

=

−

−

−

−

−πµη

ρπµρπη

Con este valor se calculan las demás dimensiones del ciclón, considerando las relaciones geométricas presentadas en la Tabla 11. Por otro lado, la caída de presión se calcula mediante la siguiente expresión (Benitez 1993):

64

22

22

22 HWQNVN

P HgH ρρ==∆

Al aplicar esta ecuación con la configuración obtenida, el resultado muestra que la caída de presión es de 3.69 kPa, la cual es muy alta si se tiene en cuenta que para ciclones convencionales ésta debe estar entre 1 y 1.5 kPa (EPA, 2003c). Como este parámetro está relacionado con el gasto energético y por tanto con los costos de operación, se hace necesario realizar procesos iterativos con nuevas dimensiones para el ciclón hasta obtener una caída de presión dentro de los rangos recomendados. Al ajustar el valor de Do a 0.6m, se obtiene una caída de presión de 1.36 kPa, con un aumento en la eficiencia por encima del 90%. La potencia necesaria para vencer esta caída de presión con el caudal de 0.41 m3/s es de 0.34 kW (0.5 HP) que es realmente baja y podrá ser suministrada con los motores instalados actualmente en la chimenea. El ciclón tendrá las dimensiones mostradas en la Figura 17.

Figura 17. Dimensiones del ciclón propuesto para MNP

0.6

0.3

0.8

1.4

0.2

0.1

0.2

0.2

Los costos asociados a este sistema de control pueden ser estimados por medio de la metodología EPA (2003c), como se muestra en la Tabla 21.

65

Tabla 21. Costo del ciclón propuesto para MNP

Costos U$/ m3/s Q (m3/s) U$ De capital (fijos) 6000 0.41 2478 De operación y mantenimiento (anuales) 1500 0.41 619.5

El material de construcción sería acero inoxidable, el cual permite trabajar con emisiones ácidas y corrosivas. Los costos de operación y mantenimiento incluyen la potencia necesaria para el funcionamiento del ciclón, que como se anotó anteriormente es baja.

Control de Emisiones Fugitivas

Como se mencionó anteriormente, uno de los problemas observados en esta empresa son las emisiones fugitivas provenientes de los hornos y que no alcanzan a ser captadas por las campanas extractoras. Existen al menos dos causas que explican estas emisiones: la primera, la captación no es suficientemente efectiva por que no hay un encerramiento apropiado del horno tal que proporcione volúmenes mínimos de aire a extraer y evite escapes al ambiente de trabajo. La segunda, la distancia entre la campana y el horno no es la menor posible lo cual aumenta el caudal de diseño de la campana y el consumo de energía. En el caso de MNP esta distancia es de dos metros aproximadamente. Con base en las anteriores consideraciones se sugieren dos recomendaciones: 1) bajar las campanas de extracción hasta donde sea posible y sin que interfiera con la operación normal de carga, y 2) hacer un encerramiento al horno en la dirección del viento y hasta la altura de la campana para permitir una mejor succión del material particulado y evitar su dispersión al ambiente. Obviamente, se dejará un lado descubierto para permitirle maniobrar al operario libremente. En cualquier caso, es necesario asegurar que la velocidad de captura o succión (velocidad del aire en un punto cualquiera frente a la boca de la campana) esté entre 1 y 2.5 m/s, considerando el caso de generación activa en una zona de rápido movimiento de aire mostrado en la Tabla 13. Otra recomendación, que se discutirá con mayor detalle en la sección 4 de este informe, consiste en colocarle una compuerta al horno de manera que una vez sea cargado pueda cerrarse y conducir los gases hacia la campana de extracción mediante un ducto. Los costos estimados para la implementación de las recomendaciones en MNP se muestran en la Tabla 22

Tabla 22. Costos del control de emisiones fugitivas en MNP

Control Equipo Costos fijos Costos anuales Partículas Ciclón nuevo 5.625.060 1.406.265 Gases Lavador 0 300.000 Fugitivas Campanas,

encerramiento 2.000.000 400.000

Subtotal 7.625.000 2.106.265 Transporte (5%) 381.250 Instalación (10%) 762.500 TOTAL 8.767.750 2.106.265

66

3.6.3. Fundiciones De Lima

Como se mencionó anteriormente, Fundiciones De Lima posee sistemas de control adecuados para el control de partículas. No obstante, se recomienda realizar las actividades de mantenimiento preventivo y correctivo a los equipos de control para permitir su adecuado funcionamiento. Debe mejorarse el sistema de lavado de gases ubicado sobre el punto de descarga de cada cubilote, captando los gases que salen del lavador y prolongando su salida al menos 2 metros mas. Así mismo, se recomienda mejorar el sistema de aspersión de agua mediante un sistema tipo flautas que cubra el diámetro del ducto de escape en varias direcciones. Dado que se generan neblinas ácidas principalmente por la presencia de óxidos de nitrógeno, el sistema debería utilizar una solución alcalina (agua mas cal) cuyo pH permanezca en 11. La adecuación del sistema de lavado podría reducir las emisiones en un 60%. Dado que uno de los principales contaminantes que emite la empresa son los óxidos de nitrógeno debido a la altas temperaturas registradas, en la sección 2.1.1, Figura 7, se propone un método para aprovechar la energía que poseen los gases de combustión a la salida del horno y recircularlos para incrementar la temperatura del aire fresco con la ayuda de un equipo de transferencia de calor. Los costos estimados para que De Lima implemente las anteriores recomendaciones se resumen en la Tabla 23

Tabla 23. Costos de las medidas de control propuestas para De Lima

Control Equipo Costos fijos Costos anuales Partículas y gases Lavador 10.740.544 1.504.58. Gases Intercambiador de calor 25.000.000 6.000.000 Subtotal 158.740.544 156.458.112

Los costos del lavador determinados por metodología de la EPA (2003d) ya incluyen la instalación de los equipos así como el transporte.

3.6.4. Taller de Fundiciones Boyacá

Para que esta empresa comience a cumplir con las normatividad estipulada en el Decreto 02 de 1982, es necesario que eleve el punto de descarga a por lo menos 15 metros sobre el nivel del suelo e instale en la parte superior un lavador con gorro chino, el cual puede llegar a reducir las emisiones en cerca de un 50%. Una vez hecho ésto, se recomienda realizar un muestreo isocinético para observar los flujos y la composición de los gases y de acuerdo con los resultados ver la necesidad de implementar sistemas de control. Los costos aproximados de la instalación de las recomendaciones mencionadas, pueden ascender a $ 3.000.000.

67

3.6.5. Fundiciones JIG

Como se mencionó anteriormente, no fue posible analizar la operación de esta empresa por encontrarse temporalmente inactiva. Sin embargo, la presencia de polvillo en cercanías del horno permite suponer que hay emisiones fugitivas al momento de la carga y posiblemente durante la operación misma. Como recomendaciones generales se sugiere que una vez la empresa inicie actividades y sea analizada su operación, se compruebe esta apreciación y de ser así implementar un mejor encerramiento al horno e instalar una campana de succión que conduzca los gases al sistema de laberintos. Posteriormente se recomienda efectuar un análisis isocinético a la chimenea y según sea el resultado arrojado ver la posibilidad de instalar un ciclón para la remoción de material particulado. Dado que gran parte del material que funde la empresa proviene de baterías, es probable que en sus emisiones haya alta concentración de SO2. Por esta razón se recomienda instalar después del ciclón propuesto un lavador de gases, el cual puede alcanzar eficiencias de remoción que varían entre el 80 y el 99%, dependiendo del tipo de reactivo utilizado y el diseño de la torre. Como criterios generales para su diseño se deben tener en cuenta los siguientes: • Las proporciones del flujo de gas típicas para un depurador con una sola placa de

impactación son de 0.47 a 35 m3/s a condiciones estándares. • La temperatura del flujo del gas de entrada está limitada de 4 a 370°C. • En general, entre mayor es la temperatura del gas, menor es la proporción de

absorción, y viceversa. • Las temperaturas más altas pueden conducir a la pérdida de líquido depurador por

evaporación. • Los depuradores con placas de impactación son fáciles de limpiar y mantener y por lo

tanto las concentraciones del material particulado a la entrada no se convierte en un problema.

68

4. PROPUESTA DE TECNOLOGÍAS MÁS LIMPIAS PARA EL SECTOR

4.1. Tecnología 1: Sistema de Cargado Mecánico a los Hornos de Fusión de Plomo

En primera instancia se propone la instalación de un sistema de cargado mecánico que alimente los hornos de fusión de plomo, tal como se muestra en la Figura 18.

Figura 18. Sistema propuesto de cargado mecánico a los hornos de fusión de plomo

Humos

Aire de soplo

Crisol

Horno

Cargador deCangilones

Materiales

Nivel del piso

Humos

Aire de soplo

Crisol

Horno

Cargador deCangilones

Materiales

Nivel del piso

Las ventajas de dicho sistema son:

• Mejora la distribución de la carga dentro del horno. • Menores perdidas energéticas (Radiación) por la tapa. • Mayor control de las emisiones fugitivas en el proceso. • Mayor facilidad de manipulación por parte de los trabajadores. • Reducción en el tiempo de proceso • Se obtiene una mayor satisfacción por parte de los operarios

69

4.2. Tecnología 2: Aplicación de un Sistema Combinado para la Reducción y Obtención de Plomo de Obra

El sistema propuesto consiste de las siguientes actividades: 1. Drenar el ácido residual que contiene la batería en un tanque plástico de 1,000 litros. 2. Hacer un primer enjuague del recipiente con agua limpia, descargándola nuevamente en

el tanque colector. 3. Escurrir las baterías invirtiéndolas sobre un receptáculo colocado sobre el tanque

colector. 4. Cortar la tapa de las baterías ya escurridas con una sierra sinfín. 5. Separar las borneras y el plástico de la tapa. 6. Separar mecánicamente los peines, recuperando los colectores y las placas (-), por una

parte, con el fin de hacer gestión independiente de los dos componentes. 7. Para el primer caso se fundirá toda la fracción metálica con un control de temperatura

operado a bajo nivel (por debajo de los 700oC), con lo que se reducirán las perdidas por evaporación. La figura 19 muestra el proceso convencional de fundición.

Figura 19. Proceso de fundición del plomo de la fracción metálica

8. Para el segundo caso, que contiene las placas (+), las cuales contienen el plomo en

mayor estado de oxidación en forma de peroxido de plomo, sulfato de plomo, y metal reducido de base, y que en su conjunto representan cerca del 20% de la masa metálica de la batería, se implementaría una nueva tecnología electrometalúrgica, que tiene dos posibilidades:

70

o Reducción química, carbonatación, neutralización y reducción por electrolisis, siguiendo el proceso ilustrado en la Figura 20.

o Lixiviación ácida, dismutacion electroquímica, filtración y reducción electrolítica, siguiendo el proceso ilustrado en la Figura 21.

Las láminas de plomo obtenidas electrolíticamente son llevadas a fundición como en el primer caso.

Figura 20. Proceso de electrólisis del plomo

Figura 21. Proceso hidrometalúrgico del plomo

71

Los licores almacenados en el tanque colector, son tratados químicamente con soda cáustica para la producción de Pb(OH)2, el cual es posteriormente solubilizado para ser añadido al baño de reducción electrolítica.

4.3. Tecnología 3: Uso de un Horno de Inducción

Hoy en día la principal fuente de energía que el sector industrial emplea es la eléctrica, dando lugar a que las pequeñas y medianas industrias estén adoptando el suministro eléctrico para sus procesos de fundición, lo que antiguamente estaba reservado exclusivamente a las grandes empresas. Sin embargo, muchas de ellas todavía utilizan en sus procesos energía contaminante como el carbón o el petróleo. En efecto, los hornos de fusión a carbón constituyen un gran efecto contaminante. Por lo tanto, la solución real a este problema pasa por el reemplazo de ellos por tecnologías de fusión modernas como los hornos de inducción, los cuales utilizan energía eléctrica. La utilización de estos hornos de inducción, los cuales generan calor por inducción magnética y no utilizan combustibles fósiles, disminuiría de esta manera la contaminación ambiental. La Foto 29 muestra un horno de inducción.

Foto 29. Horno de inducción

Uno de los factores que facilita la adopción de esta tecnología es el hecho de que el precio de la energía eléctrica ha ido bajando, tanto por las eficiencias propias del sector industrial como por el avance tecnológico. Así los costos de instalación se han vuelto competitivos con relación a gases combustibles. De ahí que ya no es inaccesible para los pequeños y medianos industriales utilizar este tipo de fuente energética. Un aspecto importante a considerar es la ventaja de poder adquirir estos equipos de producción nacional, ya que importarlos se hace más costoso y carecen de un adecuado servicio de mantenimiento con onerosas adaptaciones al sistema eléctrico nacional y fuertes requerimientos de potencia eléctrica. Las experiencias internacionales contrapuestas más renombradas al respecto son las de Suecia e Italia. Mientras el primero se vio obligado a cerrar sus fundiciones familiares (ya no existe prácticamente la producción local de acero), Italia reconvirtió, en cambio, unas 600

72

fundiciones de horno de cubilote a hornos de inducción nacionales, logrando con ello hoy una floreciente industria de fundición. Actualmente los hornos de inducción de producción nacional suministrados por electricidad son más baratos, además que estos modernos y eficaces hornos permiten una mayor eficiencia en el uso de la energía con respecto a otras fuentes energéticas. Estos además de proveer energía menos contaminante, ofrecen una excelente oportunidad para disminuir los gastos operacionales en las empresas metalúrgicas al permitir un mayor control del proceso productivo. De esta manera se obtienen productos más homogéneos, de mejor calidad y más competitivos que los que se pueden fabricar, por ejemplo en un horno a carbón u otro combustible fósil. Concluyendo, al usar este sistema los costos de producción bajan y hay menos pérdidas. La operación de los hornos de inducción resulta mucho más barata que la de los de coque. Además del menor consumo de energía, la necesidad de mantenimiento es también mucho menor. Por otra parte, se puede aprovechar casi el 100% del hierro. En los hornos anteriores el hierro se apoya directamente sobre el lecho de coque. El hierro que está en contacto con el coque se pierde cuando se apagan los hornos, lo que sucede al menos una vez por día, un “desperdicio” que desaparece con los nuevos hornos.

Figura 22. Operación de un horno de inducción

El funcionamiento del horno de inducción incluye las siguientes operaciones, descritas en la Figura 22: 1. Por medio del control de velocidad se hace funcionar el motor para proporcionarle energía

mecánica al alternador de alta frecuencia.

73

2. El alternador de alta frecuencia proporciona la energía alterna utilizada por el horno de inducción, esta energía pasa a través de un banco de capacitares automáticos para poder regular el factor de potencia.

3. Un sensor de temperatura mide la temperatura del horno, la señal es transmitida a un indicador de temperatura y a su vez a un controlador o variador de velocidad.

4. El variador de velocidad regula las revoluciones por minuto, al hacer esto esta variando la frecuencia del alternador.

El funcionamiento del horno de inducción es muy sencillo en comparación al horno de gas. Como se muestra en la Figura 23, se hace uso de instrumentos para sensar la frecuencia y las revoluciones por minuto. Algunos de los instrumentos típicamente utilizados se muestran en la Figura 24.

Figura 23. Instrumentación del horno de inducción

Figura 24. Algunos instrumentos utilizados en un horno de inducción

Detector Radiomatico de

Temperatura Este dispositivo va conectado al controlador y detecta la temperatura en el horno por medio de la radiación emitida por el metal.

Encoder

Este dispositivo es usado para establecer las revoluciones por minuto del motor.

Variadores de Velocidad

Es el encargado de regular la velocidad para poder obtener la frecuencia necesaria para el horno de inducción.

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Ventajas y Desventajas del Horno de Inducción

Las principales ventajas de utilizar un horno de inducción son:

• Los hornos son siempre rebatibles mecánica o hidráulicamente, y llevan el perno de rotación bajo la piquera de colada.

• Los hornos emplean corriente monofásica si son de poca cabida, y corriente trifásica, con más canales, si son grandes.

• Las pérdidas de material por oxidación son mínimas y el funcionamiento resulta económico.

• Su producción es de gran calidad, con oxidaciones muy reducidas y análisis constantes. • Se obtiene también la supresión de los electrodos, una economía en los gastos de

funcionamiento y un menor consumo de corriente eléctrica. • Son menos riesgosos para la planta. • No hacen ruido.

Por otro lado, las desventajas de su utilización son:

• El factor de potencia es aproximadamente 0.70, lo que obliga, en la mayoría de los casos, a acoplar uno o más condensadores para aumentarlo a 0.80.

• Los gastos de instalación son muy elevados. • No son construidos en el país.

Aplicabilidad

Esta tecnología es aplicable para todos los casos en los que la carga tenga buena conductibilidad, como es el caso del hierro (De lima- Boyacá) y el aluminio (MNP). Se está explorando la aplicación para el caso del plomo.

4.4. Tecnología 4: Sistema de Lavado de Gases de Chimenea

Este sistema es relativamente sencillo y aplicable para todos los casos. Consiste en hacer pasar los gases por una cortina de agua, complementando con una aspersión en gotas, lo que ayudará a la precipitación y control de material particulado muy fino. Este sistema es conocido con el nombre de gorro chino y se puede aplicar en más de una etapa como se muestra en la Figura 25. El sistema consta de un tanque colector–separador con capacidad de entre 2 y 5 m3 según sea el caso, una bomba centrífuga, una tubería de PVC y metálica, un aspersor y varias boquillas de salida de agua. Se puede controlar el diámetro del ducto de salida de gases, dado que estos sufren enfriamiento y reducción de su volumen. El mejor tiraje obtenido mejora el rendimiento de la operación.

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Figura 25. Sistema de gorro chino

Boquilla Aspesora

Ampliación de la chimenea

Tanque separador

Chimenea Original

Agua

Bomba Centrifuga

4.5. Tecnología 5: Tapa Móvil para el Horno de Solera

La última tecnología que presentaremos en este informe consiste en la utilización de una tapa móvil para el horno de solera, tal como se ilustra en la Figura 26. La aplicación de este sistema tiene las siguientes ventajas:

• Incremento en la eficiencia energética • Evita perdidas fugitivas de particulado • Reduce tiempo de proceso • Facilita la operación de limpieza de los gases de chimenea

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Figura 26. Tapa móvil para un horno de solera

Vista transversal Vista frontal

Chimenea Manija Chimenea

Manija

Guía Cerradera

Guía Cerradera Combustible

Piquera

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BIBLIOGRAFIA

AFS - American Foundrymen’s Society (1961), “El horno de cubilote y su operación”. México.

Areaminera (2001). www.areaminera.com. Chile.

AWMA – Air & Waste Management Association (1992), Air Pollution Engineering Manual. Van Nostrand Reinhold, New York, NY.

Baquero, A. (2004a), Fundamento teórico de la fusión en el cubilote. Universidad Industrial de Santander, Colombia.

Baquero, A. (2004b), Rediseño del cubilote para mejorar su rendimiento térmico. Universidad Industrial de Santander, Colombia.

Benitez, Jaime (1993), Process engineering and design for air pollution control. USA, Prentice Hall.

Bardenheur, P. (1983), “Modern design of hot blast cupola furnaces” Metallurgical plant.

INTEC. Centro de producción más limpia, Chile (www.intec.cl)

Quinchia, Rigoberto (1995), Ventilación industrial. Madrid, Editorial Limusa.

USEPA – US Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) (2003a), “Tecnologías de control de contaminación del aire: Cámaras de sedimentación”. Centro de información sobre contaminación del aire (www.epa.gov/ttn/catc/cica)

USEPA – US Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) (2003b). “Tecnologías de control de contaminación del aire: Separadores de momento”. Centro de información sobre contaminación del aire (www.epa.gov/ttn/catc/cica)

USEPA – US Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) (2003c). “Tecnologías de control de contaminación del aire: Ciclones”. Centro de información sobre contaminación del aire (www.epa.gov/ttn/catc/cica)

USEPA – US Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) (2003d). “Tecnologías de control de contaminación del aire: Sistemas de desulfurización de gases”. Centro de información sobre contaminación del aire (www.epa.gov/ttn/catc/cica)

Wark, Kenneth (1999), Contaminación del aire: origen y control. Madrid, Editorial Limusa.

78

ANEXO 1 – OPERACIÓN DEL HORNO DE CUBILOTE DE DE LIMA

La operación del horno cubilote debe iniciarse con el precalentamiento de 510 kg de carbón coque durante 6 a 8 horas, con el fin de obtener la temperatura adecuada (1350˚C) para alimentar la materia prima de fundición. Luego se debe mantener el flujo de aire (oxígeno) que ingresa al equipo. Pasados 10 a 15 minutos se observa la generación de gotas de fundición en las toberas. Luego de esperar un tiempo prudente se podrá realizar la extracción del hierro liquido en el crisol, del cual se deberá retirar constantemente la escoria producida en la fundición. La Figura 27 ilustra las el flujo de operaciones de un horno cubilote.

Figura 27. Diagrama de flujo de operaciones del horno de cubilote de De Lima

CalentamientoCalentamientodel Hornodel Horno

(6(6--8 hr)8 hr)

TemperaturaTemperatura13501350°°CC

Retiro deRetiro deCrisol conCrisol con

Hierro LíquidoHierro Líquido

Carga de MaterialCarga de Material18 ton/lote18 ton/lotede Chatarrade Chatarra

Retiro Retiro Constante deConstante de

EscoriaEscoria

SelecciSelección deón deMaterias Primas yMaterias Primas y

CombustibleCombustible

Carga deCarga deCoque yCoque yCalizaCaliza

510 kg de 510 kg de CoqueCoque

SíSíNoNo

Gases deGases deCombustiónCombustiónCOCO22,, CO, NCO, N22

CalentamientoCalentamientodel Hornodel Horno

(6(6--8 hr)8 hr)

TemperaturaTemperatura13501350°°CC

Retiro deRetiro deCrisol conCrisol con

Hierro LíquidoHierro Líquido

Carga de MaterialCarga de Material18 ton/lote18 ton/lotede Chatarrade Chatarra

Retiro Retiro Constante deConstante de

EscoriaEscoria

SelecciSelección deón deMaterias Primas yMaterias Primas y

CombustibleCombustible

Carga deCarga deCoque yCoque yCalizaCaliza

510 kg de 510 kg de CoqueCoque

SíSíNoNo

Gases deGases deCombustiónCombustiónCOCO22,, CO, NCO, N22

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ANEXO 2 – ASPECTOS TÉCNICOS DE LA COMBUSTIÓN EN HORNO DE CUBILOTE

Durante la fundición tienen lugar dos reacciones principales en un horno de cubilote: por un lado, la combustión del coque, que es la que genera la energía necesaria para calentar y fundir la materia prima; y por el otro, la gasificación del coque, la cual consume energía constituyendo de esta manera una reacción competitiva no deseada en el proceso. La reacción de combustión del coque es la siguiente:

KCalNCONOC 600,978.38.3 2222 ++→++ El factor determinante para la cinética de esta reacción es el fenómeno de transferencia de masa que tiene lugar a través de la película de aire que esta en contacto con el coque, en una expresión como la siguiente (Baquero 2004b):

dtdV

dk

dtdO

p

*2 = Donde:

dO2: Masa de oxígeno transferida k : Coeficiente de proporcionalidad dp : Espesor de partícula V: Velocidad del aire sobre partícula

Se observa que la velocidad del aire que circula es importante y relaciona la cantidad y ubicación de las toberas. La reacción de gasificación del coque se expresa de la siguiente manera:

KCalCOOC 000,3822 −⇔+ Esta reacción es conocida también como actividad del coque. Es importante cuando se tienen temperaturas menores a 1350°C y se realiza la reducción de chatarra. La ocurrencia de la gasificación del coque depende también del contenido de carbono, del diámetro de coque, de la porosidad de la cama de coque y del flujo de aire. La relación en el contenido de CO2 y CO de los humos de combustión está especificando en el índice de combustión n que se expresa de la siguiente manera (Baquero 2004a):

COCOCOn+

=2

2

80

Esta relación puede simplificar el cálculo de los gases de combustión dentro de los límites normales de trabajo. En particular, Jungbluth estableció experimentalmente esta relación así:

15.0*

03865.0+

∆−=

CCPn

Donde :

P = porcentaje de coque en la carga C = porcentaje de carbono en el coque ∆C = porcentaje de carburación de la fundición

La influencia del porcentaje de coque de la carga metálica sobre el índice de combustión se muestra en la

Tabla 24. Influencia del porcentaje de coque en la carga en el índice de combustión

2030405060708090

100

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

% P

n

Fuente: Jungbluth

Se deberán relacionar los parámetros térmicos para caracterizar el aspecto térmico de la fundición: • El rendimiento de la fundición (RF) que se expresa como:

WoWuR F =

Donde:

Wu : Energía útil (relacionada con la temperatura de fundición liquida) Wo : Energía cedida por el horno

• El rendimiento térmico del cubilote (Rcu) se expresa por la relación:

81

WcuWuR CU =

Siendo:

WCU : Energía que utiliza el horno

pducu WWWW ++=

Wd : Energía para formar escoria Wp : Energía perdida

Muchos autores consideran que para tener un rendimiento térmico adecuado se deberá trabajar con dp de coque según

8I

pDd =

Donde: dp : diámetro de coque DI : Diámetro interno del horno

• Eficiencia de la combustión:

coqueencontenidaEnergíacombustióndehumosdeEnergíacoqueencontenidaEnergíaEC −

=

82

ANEXO 3 – BALANCE DE CALOR EN UN HORNO DE CUBILOTE

El principal objetivo del horno es quemar coque para proporcionar el calor suficiente que pueda fundir el hierro presente en la chatarra, para eso se deberá tener en cuenta las reacciones principales y secundarias que ocurre dentro del horno al igual que las perdidas energéticas que presenta el equipo. La Figura 28 muestra las diferentes reacciones y temperaturas presentes en las diversas.

Figura 28. Localización de zonas, temperaturas y reacciones dentro del cubilote

T < 700ºC

T = 1200ºC

T = 1500ºC

T = 1670ºC

T = 1700ºC

H2O (L) H2O (G)

CaCO3 CaO+CO2

Fe (S) Fe (L)

Ccoque+CO2 2CO2

Ccoque+O2 CO2

Zona deCalentamiento

Calcinaciónde la caliza

Zonade Fusión

Zona deGasificación

CombustiónReducción

T < 700ºC

T = 1200ºC

T = 1500ºC

T = 1670ºC

T = 1700ºC

H2O (L) H2O (G)

CaCO3 CaO+CO2

Fe (S) Fe (L)

Ccoque+CO2 2CO2

Ccoque+O2 CO2



Zonade Fusión



T < 700ºC

T = 1200ºC

T = 1500ºC

T = 1670ºC

T = 1700ºC

H2O (L) H2O (G)

CaCO3 CaO+CO2

Fe (S) Fe (L)

Ccoque+CO2 2CO2

Ccoque+O2 CO2



Zonade Fusión



La combustión del coque: es la reacción principal que genera la energía necesaria para la fundición del metal

C + O2 CO2 ∆HR = 828.9 Kcal / Kg. C Gasificación del CO2 o actividad del coque: esta reacción es competitiva con la combustión lo cual genera perdidas energéticas altas en la operación del horno.

CO2 + C CO ∆HR = -1616 Kcal. / Kg. C Descomposición del fundente: para el caso de la empresa” De lima” se utiliza caliza que al descomponerse se obtiene cal y dióxido de carbono

CaCO3 CaO + CO2 ∆HR = -424.4 Kcal / Kg. CaCO3

La formación de escoria: en el cubilote la sílice y la cal reaccionan para producir la escoria que es principalmente silicato de Calcio

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CaO + SiO2 CaSiO3 ∆HR = -214.9Kcal / Kg. caliza En la chatarra se puede encontrar humedad o agua libre la cual reaccionaría de la siguiente forma en el cubilote

H2O + coque CO + H2 ∆HR = -1610.0 Kcal / Kg. H2O En la Tabla 25 se presenta una estimación teórica del balance de calor en el horno de cubilote.

Tabla 25. Estimación teórica del balance de calor en el horno de cubilote

Especificación Porcentaje (%) Calor necesario para la fundición del hierro 66.00

Calor necesario para la formación de escoria 3.45

Calor contenido en los gases de escape 19.93

Perdidas al medio ambiente por radiación 10.59

Fuente: AMS 1961

84

ANEXO 4 – CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO DE LOS GASES INTERVINIENTES EN EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE DE LIMA

Para el cálculo del volumen de gases de entrada y de salida del proceso de combustión de De Lima se tuvo en cuenta lo siguiente2: • Para la fabricación de un lote de 15 toneladas de piezas metálicas de hierro se

requieren 18 toneladas de chatarra de hierro. • La carga de coque equivale al 18% de la carga metálica. • El contenido de carbón en el coque es de 87%. • El contenido de carbón en la carga es de 2% y en la piquera de 3.2%

Las fórmulas utilizadas fueron las siguientes:

O2 = 0.933 *(1+n) N2 = 3.547* (1 + n) qc = O2 + N2 qc= aire total qc = 4.48* (1 + n) CO2 = 1.866*n CO = 1.866* (1 – n) GT = CO2 + CO + N2 GT= gases totales

Siendo n el índice de combustión mencionado en el anexo 2, igual a:

15.003865.0+

∆−=

CPCn

Donde: P : Porcentaje de coque en la carga C : Porcentaje de carbón en el coque PC : Carbono cargado ∆C : Carbono carada en la carburación De esta manera, tenemos que el carbono cargado PC es igual a:

PC = 0.18 * 0.87 = 0.1566 kg C/kg Metal Por otro lado, el carbono cargado en la carburación (∆C), es igual a:

∆C = (CF – CC)/100 Donde: CF : Contenido de carbono fundido (3.2%) CC : Carbono promedio de la carga (2%) 2 Con base en datos suministrados por la empresa y en estimativos de Baquero 2004a.

85

Es así como el carbono cargado en la carburación será igual a:

kgMetalkgCC 012.0

100%2%2.3

=−

=∆

Con estos dos valores de PC y de ∆C podemos calcular el índice de combustión n:

4172.015.0012.01566.0

03865.015.003865.0=+

−=+

∆−=

CPCn

Finalmente, el cálculo estequiométrico de los gases interviniendo en el proceso de fundición de De Lima es: • Cantidad de oxígeno de combustión

O2 = 0.933 *(1+n) O2 = 0.933* (1+ 0.4172) O2 = 1.322 m3 de O2 / kg metal

• Cantidad de nitrógeno transportado

N2 = 3.547* (1 + n) N2 = 3.547* (1 +0.4177) N2 = 5.027 m3 de N2 / kg metal

• Aire total consumido

qc = O2 + N2qc = 4.48* (1 + n) qc = 4.48* (1+ 0.4172) qc = 6.358 m3 de Aire / kg metal

• Volumen de CO2 y CO producidos

CO2 = 1.866*n CO2 = 1.866*0.4172 CO2 = 0.7788 m3 de CO2 / kg metal

CO = 1.866* (1 – n) CO = 1.866* (1 - 0.4172) CO = 1.087 m3 de CO / kg metal

• Total de gases de salida de combustión

GT = CO2 + CO + N2 GT = 0.7788 + 1.087 + 5.027 GT = 6.893 m3 de gases / kg metal

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