Guia Amb Pa El Manejo de Emisiones Gaseosas de Refinerias de Petroleo

7/30/2019 Guia Amb Pa El Manejo de Emisiones Gaseosas de Refinerias de Petroleo

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Gua Ambiental para el Manejo de EmisionesGaseosas de Refinerias de Petroleo

Indice

PROPOSITO

PRINCIPIOS

INFORMACION A LA COMUNIDAD

ESTABLECIMIENTO DE UN PROGRAMA DE CONTROL DE EMISIONES DE AIRE

GASES DE INVERNADERO (DIOXIDO DE CARBONO, METANO y CFCs)

OZONO A NIVEL DE TIERRA

OXIDOS DE NITROGENO

HIDROCARBUROS (VOC, TOXICOS)

AZUFRE (SOx, H2S)

MONOXIDO DE CARBONO (C0)


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Esta gua es una de la serie de documentos publicados por el Ministerio de Energa y Minas delPer. LosTtulos en esta serie son:

- Gua para Elaborar Estudios de Impacto Ambiental (EIA).

- Gua para Elaborar Programas de Adecuacin y Manejo Ambiental (PAMA).

- Gua para la Proteccin Ambiental de Estaciones de Servicio y Plantas deVenta.

- Gua Ambiental para la Disposicin y Tratamiento del Agua Producida.

- Gua Ambiental para el Manejo de Desechos de las Refineras de Petrleo.

- Gua Ambiental para el Manejo de Emisiones Gaseosas de Refineras dePetrleo.

- Gua Ambiental para Proyectos de Exploracin y Produccin.

- Gua Ambiental para la Disposicin de los Desechos de Perforacin en la

Actividad Petrolera.

- Gua Ambiental para el Quemado de Gas en Instalaciones de Exploracin yProduccin Petrolera.

- Gua Ambiental para el Manejo de Oleoductos.

- Gua para Auditoras Ambientales de Operaciones Petroleras en Tierra.

- Gua Ambiental para el Manejo de Tanques de Almacenamiento Enterrados.

- Gua Ambiental para la Restauracin de Suelos en las Instalaciones deRefinacin y Produccin Petrolera.

Adems de estas guas, el Ministerio tambin ha publicado Protocolos de Monitoreo, deCalidad de Aire , Emisiones y de Agua. Algunos de estos documentos fueron preparadosespecficamente para el Per, pero la mayora de ellos fueron adaptados para el pas a partirde guas publicadas por la Organiz acin de Asistencia Recproca Petrolera EstatalLatinoamericana (ARPEL). Se agradece el permiso otorgado por ARPEL para el uso de susguas en esta forma.

En noviembre de 1993, el Gobierno del Per promulg el nuevo "Reglamento para laProteccin Ambiental en las Actividades de Hidrocarburos", Decreto Supremo N 046-93-EM.Esta norma fue la primera que deline especficamente los requerimientos ambientales de losproyectos petroleros. Otras leyes y normas, por ejemplo, la"Ley General de Aguas", tambin tienen aplicacin en dichos proyectos, pero de una formaindirecta.

Esta gua y las dems de la serie no son leyes o reglamentos. Se realizaron con la finalidad deayudar a personas de la industria y del gobierno, as como al pblico en general, a desarrollarplanes ambientales que se adecuen con los requerimientos de las leyes. Los lineamientos songenerales, reflejan prcticas industriales petroleras que sehan encontrado en muchos pases. Sin embargo, no todos los diseos y procedimientosdelineados sern apropiados para todos los proyectos o en todas las circunstancias.

Este documento y los otros describen varias alternativas, incluso aquellas que pueden no serimplementadas en el Per por algunos aos. Estas alternativas fueron incluidas para asegurarque los documentos no queden desactualizados rpidamente, sino que sean de gran utilidad


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en aos futuros, a medida que la capacidad tecnolgica peruana en proteccin ambientalavance.

Se recomienda al lector consultar con la Direccin General de Hidrocarburos (DGH) y con laDireccin General de Asuntos Ambientales (DGAA) en el Ministerio de Energa y Minas, sobrela aplicacin de regulaciones ambientales a proyectos nuevos y existentes. Estas guas puedenser utilizadas como fuente de informacin para facilitar estas consultas. Por ltimo, esresponsabilidad del proponente/dueo asegurar que su proyecto se adecue a las normasvigentes.


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2.0 PROPOSITO

El presente documento recomienda acciones para la implementacin de un programa global dedisminucin de emisiones de aire apropiado para los efluentes gaseosos producidos dentro deuna refinera de petrleo y/o lugares adyacentes a tanques de almacenamiento de petrleocrudo y productos.

Luego de una breve revisin de la existente legislacin concerniente a emisiones de aire, sediscuten las normas para las refineras y los procedimientos aconsejables para elestablecimiento de un programa de control.

Se han proporcionado descripciones breves de diversas tecnologas para reducir las emisionesde aire mencionadas, adems de los criterios de diseo general, as como recomendacionesde funcionamiento. Sin embargo, no se pretende que ellos constituyan un grupo detallado delineamientos de diseo de ingeniera. Esta gua asume que todo equipo nuevo sea instalado deacuerdo con todos los cdigos aplicables de construccin y de proteccin contra incendio, etc.

Se mencionan tecnologas especficas y nombres comerciales como opciones comercialesdisponibles. Esto es slo con fines informativos. No representa una recomendacin de

procesos especficos. Se incluyen algunos trabajos deplantas pilotos y de investigacin para proporcionar una indicacin de futuros desarrollos.

Dos programas de control especfico son discutidos en detalle: quemado de gases y emisinpor fuga de hidrocarburos.

La informacin sobre la ejecucin de evaluaciones de impacto ambiental, auditorasambientales y la preparacin de planes de contingencia para respuestas de emergencia estncontenidas en la Gua Ambiental para el Manejo de Desechos de las Refineras de Petrleo.


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3.0 PRINCIPIOS

Para situar esta gua dentro del contexto adecuado es necesario considerar dos factores queinfluyen en el modo en que la industria petrolera trata el problema de las emisiones de aire:

v Legislacin impuesta por el gobierno

vPrcticas de operacin autoimpuestas.

El control de las emisiones de aire es un aspecto importante de cualquier programa deproteccin ambiental. El logro de un aire limpio requerir de una accin concertada por parte dela industria, pblico y diferentes niveles del gobierno. Algunos temas, como la lluvia cida y elozono a nivel de la tierra, pueden requerir, para que sea efectivo, de la cooperacininternacional. El calentamiento global asume proporciones planetarias.

En noviembre de 1993 el Gobierno promulg El Reglamento para la Proteccin Ambiental enlas Actividades de Hidrocarburos, en adelante denominado RPAAH.

El Ttulo XI del Reglamento indica las consecuencias del incumplimiento de lo establecido enste. Adems del cobro de una multa, las infracciones graves pueden resultar en:

q Prohibicin o restriccin de la actividad que caus la infraccin.

q Obligacin de indemnizar a los afectados por la infraccin.

q Restauracin inmediata del rea.

Los agravios repetitivos resultarn en sanciones de severidad creciente que conduzcanposiblemente a la suspensin definitiva del lugar por incumplimiento persistente.

Las multas sern evaluadas por una serie de razones:

v Exceso de los lmites de emisiones estipuladas.

v Dejar de realizar una inspeccin de la emisin.

v Descuido en la presentacin de informes de inspeccin de verificacin.

El Ttulo XII expresa que cualquier agencia pblica o persona puede informar sobre unainfraccin al Reglamento a la Direccin General de Hidrocarburos (DGH) en tanto que elinforme sea adecuadamente sustentado. Cualquier costo incurrido durante la investigacin deuna infraccin supuesta ser cubierto por la parte que no tenga la razn- ya sea el denunciante o el denunciado.

El impacto combinado de la legislacin, del potencial de las sanciones administrativas y lacreciente carga financiera ha llevado a la mayor parte de la industria petrolera a la conclusinque es preferible ser un ente pro-activo en este tema.

Las refineras deben esforzarse por adoptar tecnologas limpias. En primer lugar, no producircontaminantes.

Se deben optimizar los procesos existentes con miras a la eliminacin de las emisiones de aireo por lo menos a la reduccin de su cantidad.

Se deben iniciar estudios, donde la emisin de contaminantes no puede ser evitada, paraintentar reducir el impacto ambiental mediante la disminucin de la cantidad de contaminantes,reciclando el fludo de gas efluente o reutilizndolo en otros servicios.


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De manera similar, debern realizarse intentos para reducir la cantidad de material de desechogenerado durante el tratamiento de las emisiones de aire, utilizando el proceso conocido comolas cuatro Rs -reducir, reutilizar,reciclar y recuperar.

Las refineras deben disear medidas de control que sean capaces de satisfacer las normasreguladoras existentes para la calidad del aire ambiental y las concentraciones/flujos de lasemisiones. Estas medidas debern aplicarsetanto a las instalaciones nuevas como a las renovadas. De preferencia, las instalaciones

debern ser diseadas para requerimientos anticipados.

Deber darse mayor prioridad a aquellas fuentes cuyas emisiones posean serios riesgosconocidos para el medio ambiente y/o para la salud humana. La tecnologa que es empleadapara controlar estas fuentes debe reducir los riesgos a lmites aceptables.

Una segunda prioridad debern tener aquellas fuentes que posean significativos o posiblesserios riesgos para el medio ambiente y/o la salud humana. Las refineras debern adoptarmedidas de control que reduzcan los riesgos potenciales o reales, teniendo en cuenta losfactores econmicos.

Se deber dar menor prioridad a aquellas fuentes que plantean un moderada amenaza almedio ambiente. Se debern instalar medidas de control para aminorar de forma razonable la

amenaza al ambiente.Cualquier programa de control para reducir las emisiones de aire debe ajustarse a lossiguientes principios:

q Conocimiento de la ley y de los reglamentos relacionados con las emisiones de aire ycumplirlas o superarlos tanto en la letra como en espritu.

q Trabajar activamente para ayudar a los gobiernos en el desarrollo de polticas pblicasefectivas y factibles, legislacin y regulaciones para las emisiones de aire.

q Proporcionar informacin acerca de los peligros y los riesgos asociados a lasemisiones

de aire para empleados, contratistas, otras personas en el lugar y a las que dentro de la

comunidad estn interesadas.

q Manejar el programa de control de las emisiones de aire, de tal forma que proteja a laspersonas y al ambiente, minimizando la cantidad liberada al medio ambiente a travs deluso de tecnologas efectivas y de costos razonables.

Referencias

Alberta Environment; Determining Appropriate Control Technology in Alberta; conversacintelefnica con

Alberta Environment; 13 de Mayo de 1992.

Canadian Petroleum Products Institute; PACE Report No. 89-2: A Summary of the U.S.Experience in DevelopingBAT Limits for Petroleum Refineries; Ottawa; Mayo 1989.

Chemical Engineering; Puzzling Out the New Clean Air Act; Diciembre 1990.

Gobierno del Per - Ministerio de Energa y Minas; Reglamento para la Proteccin Ambientalen las Actividadesde Hidrocarburos; publicado como Decreto Supremo No. 046-93-EM; Lima, Per; Noviembre1993.

Ontario Environment; Stopping Air Pollution at its Source:CAP Clean Air Program DraftRegulation Overview;


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Toronto; Agosto 1990.

Ontario Environment; Stopping Air Pollution at its Source:CAP Clean Air Program Responses toPublic Comments;Toronto; Agosto 1990.

United States Environmental Protection Agency; The Clean Air Act Amendments of 1990:Summary Materials;Washington, D.C. 20460; 15 de Noviembre de 1990.


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4.0 INFORMACION A LA COMUNIDAD

No se puede enfatizar suficientemente el hecho de que el pblico tenga muchaspreocupaciones serias relacionadas con las emisiones de aire. Se recomienda que losprogramas de control de emisiones de aire asignen mayor prioridad a las relaciones pblicas.Dejar de hacerlo resultara en una gran presin para que la refinera

tenga que modificar significativamente sus operaciones.

Los siguientes elementos se aplican a todos los programas ambientales de salud y deseguridad:

q La comunidad tiene derecho a contar con el mismo tipo de informacin de seguridad yde salud con que cuenta un empleado.

q Atender las preocupaciones de la comunidad de manera rpida, sensible y honesta.Esto es cierto especialmente cuando las nuevas instalaciones estn siendo planificadas.

q Asegurar que las instalaciones de control de aire no presenten un riesgo inaceptable alpblico o al ambiente, ya sea por un mal diseo o por prcticas operacionales inadecuadas.

q Proporcionar informacin adecuada relacionada con los peligros de cualquiera de loscontaminantes de aire cuando se solicite. Si bien los secretos comerciales deben serprotegidos, la informacin precisa sobre los peligros se divulgar a las personas que

requieran recibir dicha informacin.

q Asegurar que las autoridades de la comunidad y el pblico sean concientes de losplanes

de contingencia de emergencia, resultantes de la liberacin de los contaminantes de aire.Ellos necesitan conocer los peligros potenciales y qu acciones tomar.

q Cuando se requiera de ayuda externa para tratar una respuesta de emergencia queinvolucre a los contaminantes de aire, esta ayuda deber ser proporcionada con la

suficiente capacitacin y equipo, de ser necesario, para asegurar que la respuesta seaefectiva y lo ms segura posible.

q Alertar a la comunidad y a las autoridades de gobierno lo antes posible en caso deocurrir una emergencia. Mantenerlos actualizados de modo que puedan tomar las

medidasadecuadas en caso se les solicite ayuda.

Referencias

Canadian Chemical Producers Association; Responsible Care: A Total Commitment; cdigo deprctica ambiental,Ottawa, Canad; Octubre 1990.


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5.0 ESTABLECIMIENTO DE UN PROGRAMA DE CONTROL DEEMISIONES DE AIRE

El primer elemento de cualquier programa de control es determinar la magnitud del problemaexistente. Esto es realizado mediante una revisin de todos los efluentes gaseosos. Lasconcentraciones aceptables de contaminantesestn resumidas en el Cuadro 2 del RPAAH. El Cuadro 4 del mismo Reglamento resume la

informacin requerida.Ver Cuadro 5.2 del presente documento. La informacin reunida deber incluir la cantidademitida, la composiciny su recurrencia (estacionalidad, funcin de alimentacin de la planta o condiciones defuncionamiento). Esto debehacerse para cada flujo o para cada categora de flujo en caso que exista una multitud deemisiones similares o enpequeas cantidades (tales como emisiones fugitivas).

Cuando no sea posible realizar lecturas directas, debern utilizarse factores basados en otrasvariables conocidas.

Los resultados debern analizarse para determinar qu flujos deben recibir mayor prioridad. La

magnitud del flujo,o la cantidad y tipo de contaminantes sern los factores gobernantes.

Es muy recomendable que los balances de combustible, vapor y azufre sean preparados yfrecuentemente actualizados. La informacin contenida en estos balances serextremadamente til para determinar las condiciones del caso base, para analizar la efectividadde los programas de control y para establecer las prioridades de accin.

El Cuadro 5.1 proporciona los mtodos de control ms comunes para determinar lastecnologas apropiadas. Sin embargo, se recomienda que los captulos apropiados en esta guasean usados para determinar la existencia de otras posibilidades.

Los puntos a considerar son los siguientes:

q Puede la tecnologa satisfacer los estndares existentes?, podr sta satisfacer losestndares futuros estimados?

q Es la tecnologa de uso comn para el servicio particular? Si no, existen razonesvalederas para no considerar esta opcin?

q Existen (existirn) condiciones de planta que harn que la opcin no sea factible?

q Qu tipo y cantidad de desechos se generan mediante esta tecnologa de control? yqu problemas de eliminacin se originarn?

q Esta opcin resultar en un cambio de las emisiones en alguna otra localidad?, msemisiones?, menos emisiones?

q Cules son los requerimientos para la instalacin: inversin de capital, costosoperativos, tiempo de iniciacin y construccin o espacio requerido?

Ntese que en algunos de estos puntos la "tecnologa" puede incluir la sustitucin de la carga odel combustible, cambios del producto, etc.

La eficiencia de una tecnologa de control particular puede ser altamente dependiente de lascondiciones de operacin especificadas. Deber hacerse un completo anlisis de ingeniera dela tecnologa de control. En este estudio deber incluirse un anlisis de sensibilidad, en caso deque alguna informacin de entrada sea errnea.


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La tecnologa propuesta debe cumplir los estndares esbozados en el Cuadro 5.2.

Referencias

Canadian Council of Resource and Environment Ministers (ahora Canadian Council of Ministersof theEnvironment); Operating and Emission Guidelines for Municipal Solid Waste Incinerators;Ottawa; Octubre 1988.

Canadian Petroleum Products Institute; Atmospheric Emissions from Canadian PetroleumRefineries and the

Associated Gasoline Distribution System for 1988; esbozo elaborado por B.H. Levelton yAsociados e IngenieraRTM; Ottawa; Noviembre 1990.

Chemical Engineering; Pricing Equipment for Air-Pollution Control; artculo redactado por W.Vatavuk; Mayo1990.

Chemical Engineering; U.S. Air-Toxics Rules Will Get a Lot Tougher; editorial R. Zanetti;Setiembre 1990.

Chemical Engineering; Wiping Out Air Pollution; Setiembre 1990.

Chemical Engineering; Desulfurizing Fluegases; artculo redactado por R. Mclnnes, R. VanRoyen; Setiembre1990.

Energy, Mines and Resources Canada; Canadian Industry Program for Energy Conservation1989; informe queresalta las tendencias del consumo de energa para el sector industrial canadiense; 31 deOctubre de 1990.

Environment Canada; Stopping Acid Rain; folleto que describe el problema del derrame de

cidos en Canad y enlos Estados Unidos, y las medidas de control; sin fecha.

Franklin, N.; Position Paper - Air Contaminants Issue; resalta los diversos problemas y mtodospara reducir lasemisiones; Calgary; 20 de Junio de 1990.

National Petroleum Refiners Association; The Sky is Not Falling; editorial en el Boletn NPRAde Washington; 8de Junio de 1990.

TNEJ (The National Environmental Journal); Selecting the Proper Emission Control Equipment:A Simple Methodto End the Confusion; artculo elaborado por D.OConnor; Columbus, Georgia, E.E.U.U.;Mayo/Junio 1992.

Cuadro 5.1

Chemical Engineering; Wiping Out Air Pollution; Setiembre 1990 Chemical Engineering;Desulfurizing Fluegases;artculo elaborado por R. Mclnnes, R. Van Royen; Setiembre 1990.

Cuadro 5.2


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Gobierno del Per - Ministerio de Energa y Minas; Reglamento para la Proteccin Ambientalen las Actividadesde Hidrocarburos; Cuadros 2 y 4; Lima, Per; Noviembre 1993.

6.0 GASES DE INVERNADERO(DIOXIDO DE CARBONO, METANO y CFCs)

Existe un gran nmero de gases de invernadero. Los ms comunes emitidos por una refinera

de petrleo incluyenel dixido de carbono, metano, dixido de azufre, tetracloruro de carbono, xido nitroso,clorofluorocarbonos(CFCs), halones y ozono a nivel de superficie. Cada uno de estos qumicos tiene un impactodiferente, debido a suconcentracin en el aire, su tiempo de permanencia y su potencial para absorber la radiacin.Los valores paracada una de estas propiedades varan de acuerdo con la fuente de referencia. Sin embargo, elparecer general esque el dixido de carbono contribuye aproximadamente en un 50% al problema delcalentamiento global y elmetano del 10% al 20%.

El Gobierno ha estipulado que las refineras cuenten con un programa para reducir lasemisiones de gasinvernadero. El Reglamento de Normas para la Refinacin y Procesamiento de Hidrocarburos(RNRPH) establece que las refineras deben dar los pasos necesarios para conservar laenerga, enfatizando la minimizacin delproceso de quemado de gases, manteniendo un control estricto del exceso de aire en calderasy calentadores, recuperando el calor latente del gas de combustin, manteniendo el aislamientotrmico en buenas condiciones y finalmente eliminando las emisiones fugitivas.

La combustin de cualquier combustible fsil generar dixido de carbono. Se recomienda quela refinera establezca un grupo de conservacin de energa, cuya funcin sea la de vigilar eluso actual de energa y que investigue formas de reducir el consumo. Este grupo deber contarcon todo el apoyo de la alta gerencia de la

refinera.

La conservacin de la energa es un tema complejo y esta gua slo puede destacar losproblemas ms comunes. Se recomienda que el grupo contrate los servicios de consultoresespecializados en este campo.

Los beneficios de dicho programa son ambientales y econmicos. An con reducidos nivelesde costo del combustible, la cantidad gastada en consumo de energa es extremadamenteelevada y los ahorros potenciales pueden justificar muchos proyectos.

En la siguiente seccin se discute el esbozo de un programa diseado para reducir prdidaspor el quemado de gases.

La refinera deber preparar un balance de energa de toda la planta y, donde sea posible, delas unidades individuales, registrando tanto la produccin del combustible como el consumo yel uso de energa elctrica. Esto deber calcularse tan frecuentemente como resulte prctico.Debern registrarse lascantidades y las composiciones de los diversos tipos de combustible.

Debe considerarse el uso de combustibles ms livianos (con contenido de hidrgeno mselevado), debido a que generan menos dixido de carbono con la misma carga. Asimismo,producen emisiones ms pequeas de otros contaminantes. Sin embargo, la sustitucin de untipo de combustible por otro significa que el combustible original


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debe ser vendido en algn lugar o procesado en productos provechosos (que incrementaran elconsumo de la energa de planta). El cambio de tipos de combustible no siempre puederesultar en una reduccin global de lasemisiones.

Deben revisarse los programas lineales de refinera con el fin de mostrar los clculos realistasde las necesidades energticas, basadas en operaciones actuales. Los valores del uso deenerga en el programa lineal debern reflejar las modificaciones y mejoras de equipo. Porejemplo, los calentadores modernos con la tecnologa ms reciente tienen una eficiencia

garantizada del 92%, mientras muchos calentadores ms antiguos tienen una eficienciamxima de aproximadamente 70%.

Determine los requerimientos de energa tericos de cada unidad y de las secciones que sederiven de ella y compare con las necesidades presentes. Esto indicar dnde pueden hacerselas mejoras y establecer objetivos y operaciones de control. Las operaciones destinadas alcontrol de las torres de destilacin incluiran la reduccin delreflujo de tope y la sobreevaporacin en la zona de vaporizacin (zona flash) a los valoresmnimos requeridos para asegurar la calidad del producto. Se debe investigar un uso mseficiente de los reflujos de la torre de destilacin para la transferencia de calor. Los reflujos nodeben ser enfriados por agua o aire.

Opere en condiciones de proceso que requieran la menor cantidad de consumo de energa, en

lo posible, utilice controles de presin flotante en torres para mantener las eficiencias deseparacin cuando cambien las capacidades de enfriamiento.

Debern investigarse las posibles aplicaciones utilizando bombas de calor.

Cualquier cambio del proceso no deber degradar la calidad del producto a valoresinaceptables.

Obtenga una ventaja especial de las mayores ganancias posibles a travs del uso eficiente deintercambiadores decalor del proceso. Optimice la transferencia de calor utilizando el diseo de intercambiador msapropiado y suubicacin en el proceso. Los intercambiadores deben ser controlados regularmente y se deben

calcular los factoresde ensuciamiento. Se deben usar segn lo necesario y dentro de lo posible, los aditivosantiensuciantes.

Los calderos y calentadores deben ser frecuentemente controlados y ajustados paraincrementar la eficiencia de combustin al mximo posible. Debe disminuirse el exceso de aireen los quemadores (que no necesariamente es el exceso de oxgeno en los gases decombustin en la chimenea, debido a filtraciones de aire) a un valor tal que mantenga lacombustin completa del combustible. Esto reducir tambin la formacin de xidos denitrgeno. Por otro lado, deben evitarse las emisiones de monxido de carbono, laspartculas y los hidrocarburos no quemados.

Se recomienda que un experto analice los calentadores del proceso, los cuales tienen o sesospecha que tienen deposicin de coque. El depsito de holln en la parte externa de lostubos de conveccin disminuye la transferencia del calor. Se debe utilizar una sopladora deholln. Ntese que pueden ser necesarias instalaciones extras paralograr capturar el holln.

Los quemadores debern estar diseados adecuadamente para su servicio. Deben serinspeccionados visualmente, con cierta frecuencia para asegurar que exista un tipo de llamaapropiada. Ponga fuera de servicio algunos quemadores cuando operen con flujos reducidos.Ellos trabajan ms eficientemente cuando son operados segn las condiciones de diseo .

Asegrese que el aire de combustin quede aislado de todos los quemadores que se hanpuesto fuera de servicio.


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Selle hermticamente las filtraciones de aire en la cmara de combustin, o en la seccin deconveccin.

El gas de combustin puede usarse para precalentar el aire de combustin, para calentar losflujos del proceso (debe haber una proteccin adecuada contra las fugas de aceite en el gas decombustin) y para generar vapor. Obsrvese que algunas veces la instalacin de los equiposde precalentamiento presentan consecuencias inesperadas. Por ejemplo, el uso de aireprecalentado tender a producir niveles ms elevados de emisiones dexido de nitrgeno y en realidad la transferencia de calor de la zona de conveccin podra

disminuir. El efecto de utilizar aire precalentado puede predecirse, empleando modelos desimulacin de calentadores.

Al instalar el equipo de recuperacin del calor en los ductos de gas de combustin es necesariomantener la temperatura del gas de combustin lo suficientemente elevada a la salida de lachimenea para que la pluma se eleve y para que no se produzca una condensacin de gascido.

Se debe optimizar el uso del vapor de tal modo que la cantidad venteada sea reducida a unmnimo. La apropiada divisin de bombas elctricas y de las turbinas de vapor constituye uncomponente crtico del mejoramiento de la eficiencia del sistema.

Deben reducirse las fugas de vapor innecesarias de las trampas de vapor. El uso de venas de

calentamiento devapor y de serpentines de calentamiento de vapor deben ser cortados cuando no seanrequeridos. El consumo devapor del despojador (stripper) debe calentarse para asegurarse que los productos no se estndespojando en exceso.

Se debe inspeccionar el equipo elctrico para determinar dnde deben hacerse las mejoras. Encaso necesario, se deben instalar motores nuevos o rebobinados.

Adems de los gases de combustin, generados en los calentadores y calderas, las refinerascon plantas de hidrgeno producirn dixido de carbono. Este puede recuperarse y venderse aotras industrias, cuando lascondiciones econmicas lo hagan posible.

La tecnologa existente elimina el dixido de carbono del gas de combustin en un absorbedorutilizando un solvente. Posteriormente, el solvente es despojado en un regenerador despojadory reciclado. El dixido decarbono es secado utilizando trietilen glicol y comprimido para el transporte por oleoducto. Lasinstalacionesrequeridas son razonablemente complejas y se justificaran econmicamente slo encalentadores y calderassumamente grandes y en donde exista un mercado cercano, tal como un proyecto derecuperacin mejorado deaceite pesado.

El sistema de quemado de gases es una parte vital de la operacin de una refinera, puestoque proporciona elmedio para aliviar el exceso de presin de una manera segura, pese a que existe cierto daoambiental debido a laemisin de dixido de carbono, xidos de azufre, xidos de nitrgeno y si la combustin no escompleta, demonxido de carbono y de partculas.

El Artculo 43 del RPAAH establece que el sistema de quemado de gases se haga bajocondiciones controladas sin presencia de grandes emisiones de humo. Las concentraciones delos contaminantes en los lmites de las instalaciones no debe exceder los niveles especificadosen el Cuadro 5.2.


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Esta seccin resume un programa para controlar y reducir la quema de gases y por lo tanto,reducir tanto las emisiones como los costos de energa.

6.2.1 Diseo del Sistema de Antorcha

Un diseo apropiado del sistema de quemado de gases es absolutamente necesario paraoperar de manera segura la refinera. Este puede ser un procedimiento sumamente complejo,por ende, una descripcin al respecto no est dentro del alcance de esta gua. Se supone enesta gua que la cabeza de la antorcha est apropiadamente

dimensionada. Sin embargo, la hidrulica del sistema de antorcha deber ser revisada si larefinera:

v tiene una ampliacin de la carga,

v presenta incremento del nmero de unidades de operacin,

v posee ms conexiones en la cabeza de la antorcha,

v empieza el procesamiento de diferentes cargas,

v hay instaladas dos antorchas y se alterna el flujo de la antorcha durante la puesta fuera deservicio

del sistema de antorcha.

6.2.2 Eficiencias del Sistema de Quemado de Gases

La eficiencia de combustin del sistema de quemado de gases es una medida para ladestruccin de hidrocarburos.En condiciones estables la mayora de sistemas lograr 98% o ms. Ver Cuadro 6.1. Encondiciones inestables de la flama se generar eficiencias significativamente bajas y la emisinde hidrocarburos, monxido de carbono y de partculas. Ntese que la antorcha humeantepuede lograr an una buena destruccin de los hidrocarburos.

Debern mantenerse las siguientes condiciones para asegurar una flama estable:

q Emisiones visibles que no excedan 5 minutos dentro de un perodo de 2 horas.

q Una flama que est presente en todo momento.

q La presencia de una flama piloto para controlar la deteccin de una flama.

q El valor calorfico neto del gas debe ser al menos de 11,2 MJ/Nm para antorchasauxiliadas con vapor o aire y para antorchas no auxiliadas de por lo menos 7,45 MJ/Nm.

Si el valor calorfico neto o bajo del gas de antorcha est por debajo del mnimo especificado, elgas tendr que sercomplementado con gas natural o con gas combustible de la refinera.

6.2.3 Medidores de Gas de Antorcha

Un clculo razonablemente exacto del flujo de la antorcha es el punto de partida de cualquierprograma de control del sistema de quemado de gas.

Existen muchos tipos de medidores. Debido a la severidad del servicio de antorcha - caudalesmuy bajos a muy elevados, temperaturas muy fras a muy calientes, una amplia variedad degases, gases cidos corrosivos, partculados, etc. -la precisin de los medidores disminuye confrecuencia. En muchos casos, el medidor dejar defuncionar. Se discutirn brevemente tres tecnologas bsicas: dilucin de annubars,resistencias trmicas y ultrasnicos.


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Un annubar tiene un tubo con un hueco para la presin esttica y varias aberturas para lapresin de impacto en la cara del sensor hacia el flujo . Por tanto, reemplaza una serie delecturas del tubo PITOT con una medida. Es ms resistente que este ltimo equipo, pero puedean taparse. Estos se pueden instalar con accesorios que permitan retirarlos sin afectar elproceso para el mantenimiento. La precisin es muy buena, pero decae a bajos caudales.

Las resistencias trmicas trabajan bajo el principio de que la resistencia elctrica es unafuncin de la temperatura y que el gas que fluye sobre un elemento sensor lo enfriar ycambiar la resistividad. La medicin de este cambio y el conocimiento de las propiedades

trmicas del gas permitir calcular la velocidad de flujo del gas.

Existen por lo menos dos versiones del medidor que emplea el principio de resistencia trmica.Una de ellas utiliza una resistencia calentada a una temperatura constante sin fludo. A medidaque el gas fluye sobre sta y enfra la resistencia, la corriente es consumida volviendo el sensora la temperatura de referencia. A mayor corriente,mayor fluido de gas. Cuando se ensucia el sensor, la conductividad calorfica se modifica y dacomo resultado lecturas falsas. La otra versin utiliza una temperatura diferencial entre dossensores, que estn en su mximo nivel sin fluido. Esto elimina en gran parte el problema deensuciamiento debido a que ambos sensores se afectaran por igual, en la mayora de loscasos.

Las resistencias trmicas enfrentan muchos otros problemas. Los flujos bajos son difciles de

detectar de manera exacta. La humedad en el gas de antorcha causar grandes inexactitudes:el efecto de enfriamiento por evaporacin conlleva a una lectura muy falsa. Los sensoresindividuales se ven afectados por las fluctuaciones enla temperatura del gas de antorcha. (Se han presentado casos en los que este tipo de medidorpresent problemas cuando el gas de la antorcha contena considerables cantidades denitrgeno).

Se requiere de una gran cantidad de mantenimiento para las resistencias trmicas. El sensores calibrado a una composicin de gas, pero las condiciones ampliamente variables -dehidrgeno a hidrocarburos relativamente pesados- que se encuentran tpicamente en lneas deantorcha significa que las propiedades trmicas del gas estncambiando constantemente. Por lo tanto, es necesario instalar un analizador de densidad yusar sus lecturas para ajustar la velocidad de flujo estimado.

Estos densmetros frecuentemente se taponan, haciendo que los clculos del sistema dequemado de gases seaninexactos. La alternativa es tomar muestras de la antorcha y aplicar correcciones manuales alas lecturas del sensor.

Las resistencias trmicas pueden brindar resultados exactos, si es que los problemas antesmencionados son resueltos.

Los medidores ultrasnicos se basan en el principio que la velocidad snica en un gas varacon el peso molecular.Se instalan dos sensores con transductores en la cabeza de la antorcha y se enva una sealelectrnica entre ellos.La velocidad de la seal y la medida del efecto Doppler determinan el peso molecular del gas yla velocidad delgas, respectivamente. Esto significa que no se requiere ningn densmetro y el ensuciamiento,a menos que seaextremadamente pesado, no es supuestamente un factor. (Los lquidos y los slidos en lostransductores puedencausar una atenuacin de la seal que deriva en una oscilacin sumamente rpida del flujo.Esto es rectificadomediante una limpieza del sensor).


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La instalacin de un medidor ultrasnico, se debe hacer con mucha precisin. Se debeninstalar los dos sensores a una distancia de separacin pre-determinada, basndose en lacomposicin

del gas, y stas deben estar en ngulos calculados, de tal modo que la seal pueda serreflejada adecuadamente. Obsrvese que si la composicin de gas de antorcha vara desde unalto contenido de hidrgeno a un alto contenido de hidrocarburo, especifique el caso de altocontenido de hidrgeno: la disminucin en la exactitud es mucho menor que la situacininversa.

Las temperaturas altas de gas de antorcha pueden daar el cristal piezoelctrico en eltransductor, provocando una desconexin. El resultado sera una indicacin de un flujo muyalto. Por esta razn, se recomienda que se retiren los sensores de la lnea de antorcha durantelos perodos de alto flujo de vapor, como durante una parada de planta.

Mientras que los medidores ultrasnicos pueden medir el peso molecular del gas de antorcha,no puede distinguir entre los gases - nitrgeno, vapor, hidrgeno e hidrocarburos. Enconsecuencia, es necesario tomar frecuentes muestras de gas de antorcha, para sustraer lacantidad de materiales inertes.

Los medidores ultrasnicos son los ms costosos, pero debido a que no necesitan de undensmetro, el costo global es comparable a la tecnologa de la resistencia trmica.

6.2.4 Control del Gas de Antorcha

Es recomendable que la refinera establezca un programa de control del gas de antorcha comoun componente vital de un programa de control del sistema de quemado de gases.

La medicin exacta del gas de antorcha demuestra muy frecuentemente un hecho: El caudalreal es considerablemente mayor que el calculado originalmente. La experiencia hademostrado que un flujo de gas tan alto como 60 metros cbicos de aceite combustibleequivalente/da, quizs no sea evidente.

Existen dos tipos de patrones de quemado de gases. El de quemado de gases "de fondo"consiste en un flujo de gas relativamente constante, de bajo caudal que resulta de la salida del

gas combustible en exceso, pequeas fugas de vlvulas de alivio de presin, etc. El quemado"casual" resulta de los estados de emergencia operacionales yest caracterizado por flujos muy elevados. Tambin es irregular en su duracin y en suocurrencia.

La figura 6.1 proporciona una indicacin de las velocidades de flujo tpicas que puedenesperarse de las refineras que tienen un control razonable de su sistema de quemado degases. El grfico asume que no se ha instalado ningn equipo de recuperacin de gas deantorcha.

La refinera deber tomar muestras regulares de gas de antorcha para preparar los clculosexactos de las emisiones de gases y para calibrar los medidores. Los anlisis tambin puedenproporcionar indicaciones de la fuente de los gases.

El medidor de gases antorcha deber ser revisado regularmente para verificar su exactitud .Esto puede hacerse mediante el uso de un trazador, un gas diluyente o de un tubo transversalPitot (ver seccin previa).

La refinera deber observar las tendencias de quemado de gases y calcular la cantidad gas defondo de la misma.Principalmente es de esta categora de quemado de gases que se puede obtener la mayorparte de los beneficios de un programa de control.


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El gas, combustible en exceso, es algunas veces quemado en la antorcha. Se deber hacer unbalance del combustible de toda la refinera y si es posible de cada unidad. Se requiere lalectura simultnea del sistema de quemado de gases, el gas combustible producido en larefinera, el gas natural comprado, el aceite combustiblelquido, etc.

La refinera deber hacer el intento de determinar la cantidad de gases quemados -especialmente del quemado de gases de fondo - unidad por unidad, si es posible. A mayorcantidad de medidores en el sistema de la antorcha, ser ms fcil realizar el proceso. Una

manera de hacerlo es registrar los valores de gas quemado y las correspondientes cargas porunidades durante perodos en que no hay emergencias operacionales. Una regresin linealproporciona estimados de los factores por metro cbico de carga para cada unidad. Lasunidades que parecen ser las principales fuentes del sistema de quemado de gases sedebern estudiar ms

profundamente para identificar desde dnde se liberan los gases que van a la antorcha.

Cada vez que haya emergencias operacionales que conduzcan al proceso de quemado degases, deber registrarse la cantidad de gas perdido. Esto no solamente incluirperturbaciones mayores tales como la cada de un compresor o de una unidad que es puestafuera de servicio para recibir mantenimiento, sino tambin problemas menores, talescomo el pase de una vlvula de alivio. Esta informacin sirve para dos fines: permite que el

quemado de gases de fondo sea estimada con mayor exactitud y proporcione indicaciones deposibles magnitudes de ciertos eventos que podran ser tiles al tratar de analizar lastendencias de quemado de gases. Por ejemplo, la puesta en marcha deuna refinera podra resultar en el quemado de gases de varios cientos de toneladas o ms. Elflujo que pasa a travs de una vlvula de alivio puede ser tan elevado como diez toneladas porda.

6.2.5 Un Programa de Control del Sistema de Quemado de Gases - Operacional

Pueden lograrse reducciones significativas de quemado de gases con una inversin mnima decapital y empleando tcnicas operacionales.

Los pasos esbozados en la ltima seccin proporcionarn una base razonablemente exacta

con la cual se establecer un programa de control del sistema de quemado de gases. Losresultados del quemado de gases realdebern ser comparados con los valores esperados. Cualquier

incremento deber iniciar una investigacin. Existirn cuatro categoras: cambios enoperaciones (poner o sacar de servicio una unidad), emergencias mayores, escapes leves ydescargas hacia

la antorcha, y un incremento en la cantidad de quemado de fondo.

Las dos primeras categoras son obvias. La fuente de los gases es evidente y se debernrealizar intentos para minimizar la prdida. De ser necesario o posible, cambiar losprocedimientos de operacin aplicables para reducir oeliminar el problema.

Las dos ltimas categoras - fugas menores/descargas e incrementos de gases de fondo sonlos ms difciles de identificar y de corregir. En realidad, no existe una diferencia en estasltimas categoras, slo es cuestin de cantidad.

Cuando se identifica un incremento en el quemado de gases y se desconoce la fuente,establezca los siguientes pasos:

q Revisar los registros de funcionamiento de todas las unidades conectadas a laantorcha en cuestin y discutir la situacin con el personal de operacin. Ellos pueden estar altanto de informacin que no ha sido suficientemente difundida.


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q Sacar muestras del gas de antorcha para ver si existen compuestos especficos deciertas unidades (por ejemplo, hidrgeno de un reformador cataltico).

q Comparar la cantidad adicional de quemado de gases con anteriores ejemplosconocidos de descargas.

q Revisar la forma de la llama de la antorcha. Como ejemplos, un patrn de dientes desierra rpidos puede indicar la vibracin de una vlvula de alivio, un patrn similar pero, por un

perodo de tiempo mayor, puede indicar un aumento de lquidos livianos o gas en un recipienteque es descargado en la antorcha, a travs de una vlvula de control de presin.

q Ntese que cuando se observan patrones de quemado de gases inusuales, se deberrevisar el medidor de antorcha por cualquier falla.

q Si los procedimientos antes descritos no pudiesen indicar con precisin la fuente, sernecesario revisar fsicamente cada conexin a la cabeza de la antorcha. Esto se puede hacerde varias formas: toma de temperaturas (instrumental o manual) de la lnea, anlisis devibracin, estetoscopios.

q Reducir el quemado de gases utilizando medidas apropiadas.

La reduccin de los gases de fondo es lo ms difcil de lograr, debido a que sta es usualmenteprovocada por una serie de pequeas fugas/descargas. De modo individual, ellosprobablemente presentan las mismas tendencias que las fugas/descargas menores, pero lasuperposicin de las mismas tiende a producir una indicacin pareja y suave.

El problema puede atacarse en dos frentes. El proceso de revisin de todas las conexiones a laantorcha (flare) puede hacerse y todos los escapes, sin contar el tamao, pueden repararse.Las vlvulas de control de presin y las vlvulas de purga debern ser revisadas paradeterminar si el rango decalibracin de la vlvula es muy grande o la accin de la vlvula es inadecuada (por ejemplo, lavlvula se abre rpidamente). La lnea de venteo del analizador y del sello del compresorpueden conectarse a recipientes de proceso. Las vlvulas de alivio podran ser equipadas condiscos de ruptura.

El segundo mtodo es realizar un estudio de ingeniera de cada fuente del sistema dequemado de gases. En lo posible, las condiciones de operacin y los procedimientos debernmodificarse para reducir la posibilidad de escapes. Al mismo tiempo, no debe ponerse enpeligro la seguridad de la planta.

La operacin de las unidades deber ser revisada para ver si la produccin global de gaspuede ser reducida. Se debe considerar en estos casos el aspecto econmico y laconservacin de la calidad del producto. Esto puede conducir a operaciones menos severas,cambio de catalizadores, incremento de la presin, disminucin de latemperatura, etc. Una causa comn del quemado de gases es la prdida de la capacidad deenfriamiento durante el verano. Obviamente cualquier modificacin en la operacin debe ser unbalance viable de mejoras ambientales, aspectos econmicos y calidad del producto.

Si una fuente de quemado de fondo es el exceso de la produccin de gas, ste puede serenviado al suministro del gas de combustible, asumiendo que cualquier otro combustible sepuede retirar. Opciones obvias son combustibles lquidos (podran usarse como alimentacinen un proceso de conversin o vendido en alguna parte) o combustibles comprados. Laprimera opcin reducira las emisiones de dixido de carbono, xidos de nitrgeno y xidos deazufre, la segunda opcin reducira el costo global de energa de la refinera.

El programa de control esbozado anteriormente puede reducir las prdidas del sistema dequemado de gases en 30% a 50%. Sin embargo, para hacerlo efectivo, debe tener el apoyocompleto de los altos directivos de la


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refinera. Las rdenes de trabajo para reparar el equipo que funcione inadecuadamente debentener prioridad.

Se recomienda formar un grupo de trabajo ad-hoc para manejar este proyecto. Este grupodebe reunirse regularmente con la gerencia. Todas las rdenes de trabajo y los proyectosdeben ser documentados y el estado de avance actualizado en estas reuniones. Cuando eltrabajo no ha sido realizado o completado, se debern revisar lasprioridades.

6.2.6 Un Programa de Control del Sistema de Quemado de Gases - Instalaciones

A fin de mantener la seguridad de la planta y de eliminar los problemas operativos, el personalde operaciones necesita conocer la fuente de gases inmediatamente. Esto puede ser difcilalgunas veces si una multitud de unidades estn conectadas a la antorcha.

Se debe instalar y enfocar una cmara de filmacin en la punta de la antorcha y la imagendebe ser transmitida a la sala de control. Si esto no fuese posible o deseado, la antorcha sedebe ver directamente desde la sala de control.

En las refineras se pueden instalar sensores de flujo en las lneas hacia la antorcha de lasunidades crticas.Idealmente pueden utilizarse medidores precisos de flujo, tales como los que estn en la lnea

de la antorcha (flare), pero el aspecto econmico probablemente indicar lo contrario. Unaalternativa, pero an muy costosa sera la de usar un medidor de resistencia trmica, aunquesin dispositivos de correccin de densidad, presin ytemperatura. Mediante el uso de las condiciones promedio, slo es posible un clculoaproximado del flujo, pero an as nos indicar todava la fuente de gases y su duracin. Consuficientes lecturas diarias este arreglo permitira calcular la cantidad de gases de fondo decada unidad. La suma de las lecturas tambin proporcionaran una verificacin aproximada delmedidor de la antorcha.

Los interruptores trmicos y otros tipos de solenoides de flujo indicarn la fuente de gases yque la magnitud est por encima del punto establecido del interruptor. Por otro lado, los costosson considerablemente menores.

El quemado de gases de las unidades que excede una cierta magnitud activarn las alarmasen la sala de control.Tambin puede ser ventajoso instalar alarmas en las unidades mismas. Debido al nivel deruido dentro de las unidades, una alarma de luz intermitente puede ser ms til que una alarmade sonido.

El gas de antorcha puede ser recuperado y reciclado al sistema de gas combustible o se puedequemar en uncogenerador para proporcionar energa elctrica.

Estas opciones son costosas para instalar, pero los ahorros en los costos de energa puedenser sustanciales. Sedeber hacer una evaluacin econmica de dicho proyecto.

Al disear dicho sistema se debern tomar en cuenta los siguientes puntos:

v La cantidad de gas que puede recuperarse es esencialmente de los gases de fondo.Los gases casuales son usualmente muy irregulares y de tal magnitud que un compresor

nopuede manejar la amplia variedad de flujos.

v Se deber necesitar el gas combustible. Algunas veces el quemado de gases que seproduce en la antorcha no coincide con el momento en que se necesita el combustible.


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v Los compresores pueden ser reciprocantes, pese a que existe un creciente uso decompresores de tornillo sin fin. Los repuestos de piezas crticas del equipo debernmantenerse en inventario ( si la empresa tiene ms de una instalacin de ese tipo ocompresor, un almacn central de repuestos sera lo apropiado ) de tal modo que el

tiempoperdido en reparaciones sea minimizado.

v La instalacin del equipo no debe de ninguna manera perjudicar el fin verdadero del

sistema de antorcha: el alivio seguro de la presin dentro de las unidades de operacin.

Un flujo de gas, que exceda de la capacidad del compresor, debe ser capaz de fluir sinimpedimentos hacia la antorcha.

v Se deben tomar precauciones, a fin de prevenir el ingreso de oxgeno dentro delsistema

de la antorcha.

v Se debe instalar un analizador de oxgeno y alarma/accin en el sistema derecuperacin.

v Cantidades significativas de hidrgeno en el gas de antorcha provocar temperaturas

elevadas de compresin que pueden causar un funcionamiento irregular del compresor.Esto se puede evitar inyectando gas natural en la succin para elevar el peso molecular

delgas.

v Se requieren equipos para remover los compuestos corrosivos y erosivos del gas deantorcha, tales como recipientes de separacin, lavadores, metalurgia adecuada, etc.

La cogeneracin es un proceso en el cual el gas es quemado en una turbina para producirelectricidad y los gasesde combustin pasan a travs de un generador de vapor que produce ya sea vapor par el usode la planta oalimentacin a una turbina de vapor para generacin elctrica. La figura 6.2 muestra un

proyecto de cogeneracininstalado en una refinera.

La electricidad generada puede ser utilizada en el sitio o transferida al sistema de redes de unservicio elctricolocal.

Asimismo, debern instalarse sistemas de control adecuados para reducir las emisiones dexidos de nitrgeno,monxido de carbono, etc. Ver captulos posteriores para informacin adicional sobretecnologas de reduccin.

Las precauciones que se aplican a la instalacin de un proyecto de recuperacin de gas deantorcha tambin seaplican en el caso de las instalaciones de cogeneracin. La integridad del sistema de antorchano debe serdeteriorado y las instalaciones de cogeneracin deben ser protegidas de los elementoserosivos y corrosivos delgas de antorcha.

Una tendencia comn es considerar las instalaciones de recuperacin de gas de la antorchacomo el programa decontrol de gases a ser quemados. La instalacin de un sistema de recuperacin no debeconllevar a la disminucin


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del programa de control operacional descrito en la seccin anterior. Estas instalaciones nopueden manejar todo elgas que va hacia la antorcha, ni estar funcionando permanentemente. En consecuencia, esmejor establecer lasmedidas para, en primer lugar, reducir la cantidad de gas que va hacia la antorcha en vez deconfiar en un sistemaque capture el gas despus que stos han sido liberados del proceso.

Desde el punto de vista de la refinera, el gas invernadero ms importante despus del dixido

de carbono es elmetano.

Las fuentes principales de las emisiones de metano dentro de una refinera son las emisionesfugitivas. Otrasfuentes posibles son el tratamiento de agua residual y, si es el caso, los rellenos de tierra.Pueden emitirsecantidades menores de metano como resultado de la evaporacin de tanques de almacenaje yla combustinincompleta durante el quemado de gases en la antorcha. En el presente documento se tratanestos temas, conexcepcin del de tratamiento de aguas residuales y de rellenos de tierra, que han sido incluidosen la Gua

Ambiental para el Manejo de los Desechos de Refineras de Petrleo.

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Cuadro 6.1

Eficiencia de Combustin de Antorchas y de quemadores de antorcha.

Figura 6.1

Informacin compilada por Gulf Canad de Diversa Fuentes

Figura 6.2

Oil & Gas Journal; Cogen Facilitys First Year a Success at Unocal; artculo elaborado por R.Walloch; 13 de juniode 1988.

7.0 OZONO A NIVEL DE TIERRA

Exceptuando algunos casos menores, las refineras no emanan ozono. Este es un agentecontaminador secundarioformado por la reaccin fotoqumica entre los xidos de nitrgeno (NOx) y los compuestosorgnicos voltiles(VOCs) en presencia de la luz solar. El problema se acenta ms an en climas clidos.

Debido a las grandes distancias potenciales que pueden recorrer los precursores de ozono(COVs y NOx),


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cualquier estrategia efectiva de reduccin de ozono debe tener un alcance de nivel regional oan nacional einternacional. Obviamente las acciones que la refinera ponga en prctica sern slo una parteque contribuya a lasolucin del problema.

Se recomienda que las refineras adopten las medidas para reducir las emisiones tanto dexidos de nitrgenocomo hidrocarburos voltiles. En cualquier caso, estos compuestos constituyen una amenaza

para el medioambiente y la salud. En los dos captulos siguientes se discuten los mtodos de control.

Algunas veces se utiliza el ozono como biocida en las torres de enfriamiento y como oxidantepara la destruccindel fenol en los tratadores de aguas residuales. Esto se produce mediante el paso de aire secoa travs de uncampo elctrico.

La refinera deber inspeccionar regularmente las instalaciones de generacin y transferenciade ozono paraasegurarse de que no ocurran fugas.

Tambin deber establecer programas de control para garantizar que la estimacin de lasemisiones de losprecursores de ozono sea lo ms exacta posible.

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8.0 OXIDOS DE NITROGENO

Los xidos de nitrgeno se forman cuando las sustancias son quemadas. Los compuestos denitrgeno en elcombustible y el nitrgeno del aire de combustin proporcionan las fuentes. Algunos veces sonreferidos como NOxdel combustible y NOx termales, respectivamente. Los equipo de refinera que han sido

identificados como fuentesprincipales de desprendimientos de xido de nitrgeno son los calentadores/calderos,regeneradores FCCU y loscalderos a carbn.

La generacin de NOx del combustible es una funcin del contenido de nitrgeno delcombustible , exceso de aire yde la particin entre el aire de combustin secundario y primario. El NOx termal es regulado porla disponibilidadde oxgeno, la temperatura, la presin y el tiempo de residencia. El diseo de equipo y lascaractersticas delcombustible determinan qu tipo de NOx ser el que prevalece. Por lo tanto, ste tambindetermina qu factores

deben ser controlados para reducir las emisiones de NOx.

De modo general, mientras ms liviano es el combustible menos sern las emisiones de NOx,manteniendo el restode condiciones iguales. Sin embargo, una excepcin a esto, son los combustibles ricos enhidrgeno. Lasconcentraciones elevadas del hidrgeno resultan en temperaturas de llama elevadas.

Las emisiones de xido de nitrgeno son tpicamente controladas en la fuente de combustin (el quemador ) o en lasalida del calentador ( el gas de combustin ). Tericamente una tercera opcin sera la dedesnitrogenar elcombustible pero sera extremadamente caro, pues implicara el hidrotratamiento severo de los

residuos. Ms an,slo el NOx del combustible se reducira por esta opcin.

Las tecnologas de combustin incluyen los quemadores de bajo NOx, aire de combustin poretapas y larecirculacin de gas de combustin. Los tratamientos de gas de combustin cada vez mspopulares son lasreducciones catalticas selectivas y no selectivas (RCS y RCNS, respectivamente).

Esta seccin delinear cada uno de estos procesos en trminos generales y proporcionarejemplos de procesoscatalticos. El desarrollo de tecnologas tambin es mencionado.

Los quemadores de bajo NOx ayudan a reducir el NOx del combustible y el termal mediante ladisminucin de lastemperaturas de llama y las concentraciones de oxgeno. Los quemadores

con bajo exceso de aire estn diseados para operar a niveles de exceso de oxigeno de 0.5%-1.5%. Ellos puedenalcanzar una reduccin del 10% al 25% en NOx y mejorar las eficiencias de combustin. Sinembargo, ellos sonms efectivos en los calentadores con quemador individual, ya que el control de aire es msdifcil en unidades conmltiples quemadores. Ellos no son tan efectivos cuando el aire de combustin es suministradopor tiro natural.


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Estas concentraciones de oxgeno tan bajas pueden resultar en emisiones mayores demonxido de carbono. Laspruebas han demostrado que a nivel de exceso de oxigeno del 4%, los niveles de monxido decarbono eranesencialmente nulos con un porcentaje de exceso de oxgeno del 2%, 40ppmv.

La inyeccin de vapor con el combustible ayudar a reducir el NOx. Se logra un enfriamientode la llama, pero elmayor efecto parece ser que el vapor se disocia en oxgeno e hidrgeno, y por ello incrementa

la concentracin delos agentes reductores. Esta tcnica es usada muy frecuentemente con las turbinas de gas.Los quemadores de airepor etapas inyectan todo el combustible en la boquilla, pero slo una cantidad sub-estequiomtrica de aire primariode combustin . El combustible se quema parcialmente y el nitrgeno forma el amonaco, elcianuro de hidrgeno yel xido de nitrgeno, los cuales son reducidos subsecuentemente a nitrgeno elemental. Lamxima temperaturade llama es menor por la combustin incompleta y la mezcla de los productos de combustinen el quemador,adems reducen la temperatura y la concentracin de oxgeno. El aire secundario es agregadopara completar la

combustin. Estas unidades son poco costosas y son utilizadas a menudo en calderos eincineradores. Se hanobtenido eficiencias de la reduccin de NOx de 40% a 65%. La principal desventaja de losquemadores de aire poretapas es que las llamas son ms prolongadas y ms anchas que en los quemadoresconvencionales. Esto puederesultar en un impacto de la llama en los tubos del caldero y en tensiones termales.

Los quemadores de combustible por etapas utilizan el principio contrario. Todo el aire esinyectado en el quemador,pero slo una parte del combustible. La combustin es reducida, y conduce a temperaturasms bajas y a ms bajosniveles de NOx. El combustible restante es inyectado en la zona secundaria. Ah, los productos

de la combustinincompleta (zona primaria) disminuyen la temperatura mxima de la llama. Adicionalmente, laconcentracin deoxgeno es reducida en ese punto. Los quemadores de combustible por etapas proporcionanuna mejor reduccin delos niveles de NOx que los quemadores de aire por etapas (hasta 50% - 70% versus 40% -65%) y la llama es mscorta.

Los costos de remodelacin dependern de la cantidad de modificaciones requeridas, talescomo los quemadores,refractarios, controles adicionales, etc.

La Combustin de aire por etapas utiliza el mismo principio que el quemador de aire poretapas, excepto que el airesecundario es inyectado dentro de la cmara de combustin. Por lo

tanto, los quemadores operan en una regin rica en combustible y la cmara de combustin enuna regindeficiente de combustible. Esto puede lograrse instalando entradas de inyeccin de aire porencima de la fila dequemadores (aire sobre el fuego), utilizando la fila superior de quemadores como entradas deinyeccin de aire(esto es, sin combustible), seleccionando algunos quemadores para operar con mucho aire yotros con mucho


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combustible (quemado sesgado).

Las reducciones de NOx del 60% al 70% son posibles en las unidades con gas combustible,del 40% al 50% concombustible petrleo y carbn. Las dimensiones de la cmara de combustin y/o del nmerode quemadorespueden hacer que los costos de remodelacin sean algo elevados.

La recirculacin del gas de combustin implica la recirculacin de una parte del gas de

combustin a la gargantadel quemador. Esto disminuye la mxima temperatura de llama. A mayor cantidad derecirculacin, menorproduccin de NOx. Sin embargo, la estabilidad de la llama y el rendimiento termal tambindeclinarn. Losporcentajes de reciclaje estn usualmente limitados a un 15% para el gas combustible y de10% al 12% para elpetrleo destilado. Es una tcnica extremadamente efectiva para reducir el NOx termal (hasta70% - 80%) demodo que es usualmente instalado en unidades que queman petrleo-diesel y gas. Lasunidades que quemancarbn o combustibles residuales (Pet.Ind. 5,6 o 500) tienden a generar NOx de combustible yla recirculacin de

gas de combustin slo puede alcanzar mejoras marginales en la reduccin de NOx total(hasta 10%).

Los costos operativos y de capital para esta tecnologa pueden resultar algo elevados,especialmente para lasremodelaciones. El calentador debe usar tiro forzado. Otros factores que deben considerarseson los ductosadicionales, los ventiladores, el espacio disponible y la instrumentacin.

La reduccin no cataltica selectiva utiliza el amonaco o reactivo de rea para combinarse conel NOx y formaruna sal de amonaco intermedia, que se descompone en nitrgeno elemental y agua. Lainyeccin es hecha en la

cmara de combustin o en el conducto de gas de combustin. Se requieren temperaturasptimas altas: de 870 a950 C para el amonaco y de 540 a 1040 C para la rea (Ntese que el proceso De NOx de laEXXON puedeoperar a temperaturas ms elevadas). A temperaturas ms altas el amonaco/rea reaccionapreferencialmente conel oxgeno para formar xido ntico. A temperaturas ms bajas el porcentaje de reaccin baja ycantidadescrecientes de amonaco escapan por la chimenea.

El sulfato de amonio y el bisulfato se forman cuando el amonaco reacciona con el trixido deazufre. El bisulfatopuede contaminar y corroer el equipo de recuperacin del calor. Cualquier cloruro existente enel combustiblereaccionar con el amonaco para formar el cloruro de amonio, que provoca una pluma openacho de chimeneavisible.

Cada vez aumentan ms las investigaciones de la eficiencia de inyeccin de rea, ya que esms fcil de manejarque el amonaco. Actualmente se est estudiando un proceso de doble fase que emplea reaen la primera fase ymetanol en la segunda.


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La reduccin selectiva no cataltica, comparada con los controles anteriormente mencionados,esconsiderablemente ms cara.

La reduccin cataltica selectiva utiliza el mismo principio, con un catalizador para disminuir latemperaturarequerida. Las temperaturas de funcionamiento dependen del catalizador seleccionado, peroestn en la escala de200 a 500 C. Por encima de la temperatura ptima, el amonaco se oxida a NOx, nitrato de

amonio o nitrito deamonio. El catalizador es colocado frecuentemente antes del economizador .

Los catalizadores son fabricados como pelets, panales, argollas y placas con cuchillasparalelas. Las composicionesfluctan desde las zeolitas y cermicas hasta los xidos metlicos (titanio, vanadio y platino). Elxido de titanio ylos catalizadores zeolticos han sido desarrollados para resistir el envenenamiento por dixidode azufre. Sinembargo, el cido clorhdrico, los metales alcalinos y el arsnico pueden daar el catalizador.

Las partculas pueden ser extradas mediante el lavado con agua o con el soplado de holln(deshollinador). En

servicios con alto contenido de polvos se prefieren arreglos con catalizadores de flujo paralelo.

Los catalizadores de panal tienden a presentar cadas de presin ms elevadas que el tipo decatalizador de placas,pero su rea de superficie mayor significa un volumen ms pequeo, en caso de que el espaciosea un problema.

La reduccin cataltica selectiva es un mtodo extremadamente efectivo para reducir el NOx.Sin embargo, estambin uno de los ms caros. Los costos pueden variar considerablemente y son especficospara cada lugar. Losprincipales componentes del costo son el catalizador y la intrumentacin de control. Los costosoperativos son

tambin elevados.

La Figura 8.1 muestra ejemplos de tecnologas antes mencionadas. El Cuadro 8.1 resume laseficiencias, los costosrelativos y las aplicaciones de dichas tecnologas.

La seleccin de un quemador adecuado y el diseo de calentador son sumamente importantespara la reduccin delNOx.

El cambio del combustible a uno ms pesado, por razones de ndole econmico, slo debenser permitidas en reasque cumplan consistentemente con especificaciones ambientales de xidos de nitrgeno.

Algunas mejoras en las emisiones de NOx pueden lograrse a travs de una atencin estricta alos procedimientosde combustin adecuados. Las medidas de exceso de aire deben ser realizadasfrecuentemente en todos loscalentadores (en caso de no ser controlado automticamente) y todos los calentadoresdebern alcanzar un excesode aire lo ms bajo posible sin causar desequilibrio en la llama o niveles elevados de emisionesde monxido decarbono.

Al elegir una tecnologa de reduccin de NOx es necesario preguntarse lo siguiente:


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q El combustible favorece la generacin de NOx del combustible o NOx termal? El gasy

los combustibles destilados favorecen el NOx termal, el carbn y el combustible depetrleo pesado producen mayormente NOx del combustible. La recirculacin no afecta

alNOx de combustible. Los quemadores de bajo NOx son ms efectivos cuando se quemagas. Para las plantas que queman petrleo la reduccin selectiva parece necesaria.

q El calentador tiene tiro natural o forzado? Los quemadores de bajo NOx y larecirculacin de gas de combustin requieren un sistema de tiro forzado.

q Qu espacio est disponible para el remodelado? Esto es especialmente importantepara el proceso de reduccin cataltica selectiva, para la recirculacin de gas decombustin y, en menor escala, para la reduccin cataltica no selectiva.

q Pueden diversos calentadores emplear una tecnologa comn? La reduccin catalticaselectiva podr ser instalada en un ducto de gas de combustin comn. Es ms difcil

con lareduccin cataltica no selectiva, debido al rango de temperatura ms estrecha, pero an

esposible.

q Los perfiles de temperatura del gas de combustin existentes permiten por smismos una fcil instalacin de la reduccin no cataltica y cataltica selectiva? Lapresencia (o ausencia) de los calderos con calor residual de gas de combustin y de loseconomizadores pueden hacer que la colocacin de las tecnologas de reduccin

selectivasean ms difciles.

Un amplio estudio de la industria de refinera petrolera de hervidores y calentadores decubrique ningunatecnologa podra lograr los objetivos de los desprendimientos de NOx en muchos de los casos.El costo deeficiencia de cada tecnologa necesita ser determinado y utilizando esa idea como criterio de

seleccin, sucesivastecnologas sern agregadas hasta llegar a superar el objetivo propuesto con el NOx.

Los regeneradores de la unidad de craqueo cataltico han sido identificados como la mayorfuente de NOx dentrode una refinera aparte de las unidades de combustin de combustibles.

La reduccin cataltica selectiva y la no cataltica son dos opciones. La eleccin de latecnologa determinara laubicacin de la unidad.

La reduccin no cataltica selectiva sera apropiada despus de un caldero CO. Para lasFCCUs no equipados concalderos CO, la rea sera un mejor aditivo que el amonaco para tener mejores rangos detemperatura deoperacin. (Las temperaturas ptimas para la inyeccin de amonaco estn por encima de loslmites metalrgicosde la mayora de regeneradores).

La reduccin cataltica selectiva debe instalarse despus de un caldero recuperador de calor(caldereta).

Los fabricantes de estas tecnologas deben aconsejar respecto de los niveles de temperatura yde presin paraestos procesos y catalizadores.


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Las pruebas han demostrado que los niveles de emisiones de NOx sern afectados por el usode promotores decombustin de CO. La regeneracin sin promotores de combustin tiende a producir NO2 ,mientras que conpromotores de combustin de CO se produce ms NO.

Pruebas en un FCCU demostraron una cada significativa de las emisiones de NOx cuandoiban, desde la

combustin sin promotor, al quemado completo de CO. (Ntese que ninguna informacin fueregistrada para lacombustin parcial). Otra FCCU en la misma refinera demostr un incremento de NOx al pasardel quemadoparcial al quemado completo de CO. Esto se atribuy a que la fase diluida se hace mscaliente y lasconcentraciones de CO son prcticamente nulas en el modo de quemado completo de CO . (Elmonxido decarbono reacciona con NO y NO2 y forma el nitrgeno o el xido ntrico ms el dixido decarbono. Debido a queen el quemado completo el CO resulta en muy bajos niveles y el CO2 muy altos, el principio deLe Chatelierestablece que la reaccin ser forzada en sentido contrario para producir NOx). Ntese que no

existe informacinrelacionada al quemado de CO sin promotor.

Referencias

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Franklin, N.; Position Paper - Air Contaminants Issue; resumen de los diferentes problemas ymtodos parareducir las emisiones; Calgary; 20 de Junio de 1990

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John Zink Company; NOx Control in Fired Heaters; documento por R. Martin, W. Johnson;presentado en elEncuentro Nacional de Invierno del Instituto Americano de Ingenieros Qumicos; Tulsa,Oklahoma; del 11 al 14 deMarzo de 1984

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Mitsubishi Heavy Industries America; Japanese Experience with SCR; documento por T.Koyanagi, A. Morii;Houston, Texas; sin fecha

Padgett Process Services Ltda.; A Study to Assess the Available Technology and AssociatedCosts of ReducingNOx Emissions from the Canadian Petroleum Refining Industry; informe preparado para elInstituto Canadiensede Productos Petroleros ; Toronto; 21 de Setiembre de 1990

Cuadro 8.1

Quemical Engineering; Limpiando los Desprendimientos de NOx; artculo por R. Mclnnes, M.Van Wormer;


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Setiembre de 1990

Figura 8.1

John Zink Company; Control del NOx en Calentadores de Fuego; documento preparado por R.Martin, W.Johnson; presentado en el Winter Meeting of the American Institute of Chemical Engineers;Tulsa, Oklahoma; del11 al 14 de Marzo de 1984.


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9.0 HIDROCARBUROS (VOC, TOXICOS)

El trmino "hidrocarburos orgnicos voltiles" (VOC) hace referencia a todos los hidrocarburoscon presiones devapor verdaderas mayores de 0,035 bars y con frecuencia excluyendo al metano. En estaseccin de la gua no sehace esta distincin. Se considera a todos los hidrocarburos en el aire.

Las emisiones fugitivas son liberaciones no controladas o involuntarias de hidrocarburos.Comprenden fugas atravs de vstagos de vlvula, bridas, sellos de compresores y bombas, acoplamientos, puntosde muestreo,vlvulas de alivio (que desfogan hacia la atmsfera), enfriadores de aire y torres enfriadorasdonde la fuga dehidrocarburos dentro de los intercambiadores es venteada. La lista tambin abarca laevaporacin deembalses/pozas y las instalaciones de tratamiento de agua residual. Sin embargo, estedocumento slo abordar lascategoras iniciales: fugas del equipo de procesamiento.

Cada parte individual del equipo de procesamiento, llamada tambin componente tienefiltraciones a una velocidadmuy lenta. El problema radica en la cantidad de componentes involucrados. Incluso en unasimple refinera habrcientos, sino miles, de vlvulas, bridas, sellos, etc. Consideradas en forma total, las emisionesfugitivas puedenalcanzar una cifra significativa. Se ha calculado que un 40-50% de las emisiones dehidrocarburos de las refinerasson emisiones fugitivas provenientes de equipos de procesamiento. Dichas fugas se producirncomo consecuenciade un mantenimiento malo o tardo, un inadecuado material de empaque para las sustancias ycondicionesrespectivas, y el uso y desgaste general de los equipos.

En las emisiones fugitivas se encuentra una amplia variedad de hidrocarburos voltiles. En elCuadro 9.1encontrar algunas composiciones tpicas.

9.1.1 Programa Regulador Tpico de Emisiones Fugitivas

Los gobiernos de pases desarrollados estn ejerciendo una mayor presin sobre la industriade la refinacin depetrleo con el fin de reducir estas prdidas. Se ha calculado que el impacto de emisionesfugitivas es 10-40 vecesmayor que el impacto causado por una cantidad igual de emisiones provenientes de unachimenea.

Es recomendable que voluntariamente las refineras implementen un programa de control deemisiones fugitivas.Este programa incluye procedimientos de participacin intensiva de personal, particularmenteal comienzo. Losbeneficios de este programa son el mejoramiento de la

seguridad de la planta, menores riesgos a la salud por exposicin a productos qumicos txicosy la conservacin del valor delos productos que no se pierden.

9.1.2 Nmero de Componentes


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El primer elemento de un programa de control consiste en determinar el nmero decomponentes. Esto puederealizarse de diversas formas, dependiendo del grado deseado de exactitud. Puede hacerse unconteo preciso delas bombas y compresores a partir de las listas de equipos o de los registros de mantenimiento,

junto con los tiposde sellos empleados.

Llegar a un estimado de la cantidad de vlvulas, bridas, drenajes, etc. es difcil y exige muchotiempo. Aparte de lasuposicin, el mtodo menos preciso, pero ms rpido consiste en determinar estos valorespara unidadesseleccionadas dentro de la refinera y multiplicarlos por la cantidad de unidades.

El procedimiento ms exacto consiste en realizar el conteo de los componentes de cada unidaddentro de larefinera. De ser posible, se podran utilizar planos de construccin, siempre y cuando no estndesactualizados.

Se recomienda que esta informacin se registre por computadora. Los componentes debernclasificarse segn el

tipo, el fabricante, las dimensiones y la metalurgia/temperatura/presin de su servicio. Porejemplo: las vlvulasdebern clasificarse segn el tipo (de compuerta, de bola, de macho, etc.), adems de losdetalles acerca de losvstagos de vlvula (ascendente, no ascendente, etc.) y del empaque. Deber llevarse unregistro de losantecedentes de mantenimiento. Debern registrarse las composiciones tpicas de vapor.

Al crearse una base de datos electrnica, la refinera podr controlar qu tipo de equipos sonms apropiados paradeterminados servicios de refinera.

9.1.3 Factores de Emisin

La determinacin de la cantidad de hidrocarburos que escapa como emisiones fugitivas de uncomponente es unproblema constante. Obviamente, a medida que el componente se desgasta, la proporcin vaen aumento. Estaseccin no trata acerca de las pruebas de rutina. Existe una variedad de factores que puedenutilizarse paracalcular la proporcin de prdidas fugitivas. Estos se analizan en orden de complejidad yexactitud terica.

La eleccin del factor ejercer influencia sobre el estimado final. Existe la opinin generalizadaque la cantidad deemisiones calculadas con los mtodos actuales son sobreestimadas.

Un conjunto de factores, que a menudo se observa en la literatura, son los valores de SOCMI(Industria deFabricacin de Productos Qumicos Orgnicos Sintticos), originalmente desarrollados

en tres refineras de petrleo. La industria petrolera de Estados Unidos ha producido otroconjunto anlogo.Dependiendo del tipo de componente y del servicio de hidrocarburos, estos factores puedenoscilar de 20% a325% de los niveles de SOCMI correspondientes. Un estudio de compuestos qumicosespecficos determin que


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la medicin directa daba resultados de un orden de magnitud inferior a la de los valores deSOCMI. Esto noimplica que un conjunto sea ms exacto que otro, sino ilustra la necesidad de emplear factoresapropiados.

Los factores mencionados en el prrafo anterior se basan en una combinacin promedio de lascondiciones de cadacomponente. Se considera que una determinada porcin de los componentes presentan fuga.Las primeras leyes y

la determinacin de los factores consideraban que 10,000 ppmv en el aire circundante, medidopor un detector,constitua una fuga. Asumiendo que se escoja el factor apropiado, las emisiones generalespara ese tipo decomponente son el factor por el nmero de componentes.

Una mejora en ese mtodo radica en emplear factores de fuga/no-fuga. Para este mtodo, ascomo para lossubsiguientes, es necesario contar con datos de control para cada componente en la forma delectura del detectorde hidrocarburos. A los componentes que presentan fuga (con mediciones mayores de 10,000ppmv) se les asignaun factor y a los que no presentan fuga se les asigna otro.

Una etapa adicional consiste en la utilizacin de factores de emisin estratificados. En estaopcin, la categora queno presenta fuga se divide en dos subcategoras: 0-1000 ppmv y 1001-10,000 ppmv.

El Cuadro 9.2 proporciona factores para calcular las emisiones fugitivas. Estos slo son valorestpicos. Existenalgunas deficiencias que an no han sido tratadas. No existe registro de las dimensiones de losequipos, lascondiciones fsicas (presin, temperatura y material), ni de la edad del componente. Asimismo,a los componentesque no presentan fuga se les asigna una proporcin de emisin definida, al margen del hechode que en muchos

casos no emiten ninguna sustancia, por ej.: la vlvula de alivio equipada con discos de ruptura.

En donde estn disponibles, se recomienda la utilizacin de factores especficos al lugar.

El trabajo se inici relacionando la lectura del detector de control con la velocidad de liberacin.A continuacin, losvalores se someten a regresin lineal para

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Guia Amb Pa El Manejo de Emisiones Gaseosas de Refinerias de Petroleo

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