Caso De Estudio Cemex 5c91b

CASO DE ESTUDIO El desarrollo socioeconómico del país, tiene relevancia en la producción de materiales para la construcción y en especial la del cemento, por la gran demanda nacional en el desarrollo de las poblaciones para satisfacer las necesidades esenciales de construcción. No obstante, el control de la emisión de partículas en los procesos industriales para la elaboración de materiales de construcción ha sido un problema al que se ha dado más importancia en la última parte del siglo XX. Este problema llevó a la creación de aparatos colectores de polvo y gases para controlar dicha emisión de partículas. Cementos Mexicanos (CEMEX) no es la excepción, al ser una empresa que ha tenido gran auge en la comercialización de material para construcción, siendo uno de los principales exponentes en este mercado a nivel nacional.

Sin embargo, la empresa cementera CEMEX ubicada en el estado de Monterrey, Nuevo León, se enfrenta a un problema de emisiones de material particulado, específicamente partículas finas (PM2.5) que son difíciles de capturar en equipos como Precipitadores electrostáticos en seco. Este problema se origina en los procesos de molienda de piedra y arcilla, así como los hornos donde se procesa la mezcla de piedra molida con químicos para obtener como producto final el cemento.

Anteriormente, la empresa se encontraba fuera de la ciudad, sin embargo, con el crecimiento urbano se comenzaron a poblar las áreas circundantes a la planta procesadora, conllevando a una generación potencial de enfermedades en los habitantes de dichas zonas y por su puesto el medio ambiente, provocando daños a la salud, tales como enfermedades respiratorias, del corazón, asmas, alergias, presión sanguínea, y en la afectación de los bienes materiales.

Además de

presentar un potencial peligro en las personas a padecer cáncer por exposición a estos contaminantes de manera prolongada.

En los últimos años, se han generado constantes quejas por parte de la comunidad vecina, que ha expresado su inconformidad e incomodidad a dependencias federales enfocadas a la protección del medio ambiente tales como la Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) y la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA) debido a la generación de emisiones de polvo y material particulado.

La empresa CEMEX, preocupada por esta situación, ha recurrido a solicitar los servicios de un grupo de especialistas en materia ambiental pertenecientes a la UTTAB para dar solución a este problema implementado un equipo de control capaz de tratar los efluentes de aire contaminados generados durante los procesos antes mencionados.

Se han establecido criterios que deben incluirse en la propuesta, como son la clasificación e identificación del equipo a considerar, las ventajas y desventajas que este equipo ofrece para la justificación de la implementación, las variables que definen al equipo y que se deben controlar durante la operación del mismo, así como el método para la evaluación de la eficiencia del equipo.

RESOLUCIÓN DEL CASO De acuerdo a la problemática presentada se recopilo información bibliográfica relacionado con las tecnologías que existen para el control de material particulado emitidas por fuentes fijas, posteriormente se realizó la selección de información para establecer el equipo de control más eficiente para la retención de partículas.

Para poder seleccionar el equipo de control se realizó un análisis detallado sobre el funcionamiento, las ventajas y desventajas así como también la eficiencia de los sistemas más utilizados para el control de material particulado. Optando como mejor opción el Filtro de Tela de Limpieza con Inyección de Aire Inverso, puesto que, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) por sus siglas en inglés, menciona en el capítulo 6 “Control de Materia Particulada” de su documento “Manual de Costos de Control de Contaminantes del Aire de la EPA”, que esta tecnología presenta un 99% de eficiencia en comparación con otros equipos colectores de partículas finas (PM2.5), atendiendo así eficazmente la problemática que actualmente enfrenta la empresa CEMEX.

Los especialistas han propuesto la implementación del equipo anteriormente mencionado para el tratamiento de las emisiones, teniendo en cuenta los cuatro criterios demandados por la empresa cementera:    

Clasificación del equipo de acuerdo a su función. Ventajas y desventajas Variables que lo definen Evaluación de la eficiencia

De acuerdo a ello, en seguida se desarrollará la propuesta para la implementación del Filtro de Tela de Limpieza con Inyección de Aire Inverso.

CLASIFICFICACIÓN E IDENTIFICACIÓN DEL EQUIPO DE CONTROL DE ACUERDO AL ÁREA DE APLICACIÓN

De acuerdo a la revisión y estudio del material bibliográfico encontrado, la clasificación del equipo de control se explica de acuerdo al área de aplicación, que en este caso es un proceso de elaboración de cemento. A los filtros de tela se les conoce frecuentemente como casas de bolsas porque la tela está configurada, por lo general, en bolsas cilíndricas. Las condiciones del proceso son factores importantes para la selección de la tela. Algunas telas, como las poli-olefinas de nylon, acrílicos y poliésteres, son útiles solamente a temperaturas relativamente bajas, de 95 a 150°C. Para flujos de gases a altas temperaturas, deben utilizarse telas más estables térmicamente, como fibra de vidrio, teflón o nomex.

En el funcionamiento del filtro de tela de limpieza con inyección de aire inverso, el gas pasa a través de una tela de tejido o de fieltro, y quedan recolectadas en la tela, por tamizado u otros mecanismos, las partículas contenidas en el gas. Los filtros de tela pueden presentar forma de hojas, cartuchos o bolsas, con un número de unidades individuales de filtros de tela encasillados en grupo. Las bolsas son el tipo más común de filtro de tela.

Las bolsas están abiertas en el fondo, cerradas en la parte superior y el gas fluye desde el interior hacia el exterior de las bolsas mientras el polvo es capturado en el interior. Sin embargo, algunos diseños de aíre invertido recolectan polvo sobre el exterior de las bolsas. En cualquiera de estos diseños, el lavado por aíre invertido se realiza forzando aíre limpio a través de los filtros en la dirección opuesta al flujo de gas polvoriento. El cambio en dirección del flujo de gas causa que la bolsa se pliegue y rompa la pasta del filtro. En la recolección de las pastas interiores, se permite que las bolsas se plieguen hasta cierto punto durante la limpieza por aíre invertido. Por lo general se evita que las bolsas se desplomen

por completo mediante algún tipo de soporte, tal como anillos cosidos dentro de las bolsas. El soporte permite que la pasta de polvo se desprenda de las bolsas y caiga dentro de la tolva. El desprendimiento de la pasta también es auxiliado por el flujo invertido del gas. Debido a que las telas afelpadas retienen el polvo mejor que las telas tejidas y por lo tanto, son más difíciles de limpiar, las felpas por lo general no son usadas en los sistemas de aíre invertido.

IDENTIFICACIÓN DE LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS Las ventajas y desventajas del equipo de control “Filtros de tela de limpieza con inyección de aire inverso” se dividió en 2 rubros, el primero describiendo las ventajas y desventajas que ofrece el equipo en general y en el segundo rubro comparándolo con otros equipos para el control de material particulado con el fin de justificar ante la empresa CEMEX la implementación y beneficios que se obtendrán a partir del uso del mismo. Ahora se muestra cada una de las ventajas y desventajas de acuerdo a lo antes explicado.

Ventajas y desventajas generales del equipo Ventajas 

Proporcionan altas eficiencias de recolección tanto para partículas gruesas

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como para las de tamaño fino. Son relativamente insensibles a las fluctuaciones de las condiciones de la

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corriente de gas. El aire de salida del filtro es bastante limpio y en muchos casos puede ser

  

recirculado dentro de la planta, para conservación de energía. El material retenido se recolecta en seco. Normalmente no presentan problemas de corrosión ni oxidación. Su utilización es relativamente simple.

Desventajas



Para temperaturas muy por encima de los 290 °C se requiere el uso de telas metálicas o de mineral refractario especial, lo que puede resultar muy



caro. Para ciertos tipos de polvos, se pueden requerir telas tratadas con objeto de reducir la percolación de los polvos o, en otros casos, para facilitar la remoción del polvo recolectado.



Determinadas concentraciones de algunas partículas en el colector, aproximadamente 50 g/m3, pueden representar un peligro de fuego o



explosión, si se produce accidentalmente una llama o una chispa. Los filtros de tela presentan elevados requisitos de mantenimiento, como



por ejemplo, el reemplazo periódico de las bolsas. La vida de la tela puede verse reducida a temperaturas elevadas y en presencia de constituyentes gaseosos o en forma de partículas, ácidos o



alcalinos. No pueden operar en ambientes húmedos, ya que los materiales higroscópicos, la condensación de humedad o los materiales adhesivos



espesos pueden causar costras o tapar la tela. Puede resultar necesaria la protección respiratoria del personal de mantenimiento durante el reemplazo de la tela.

Ventajas y desventajas en comparación con otros equipos de control Las ventajas y desventajas presentadas a continuación se realizaron en comparación con filtros de tela de limpieza con chorro de aire punzante, debido a que su funcionamiento y los parámetros de control son similares.

Ventajas



Proporcionan altas eficiencias de recolección tanto para partículas gruesas



como para las de tamaño fino. Son relativamente insensibles a las fluctuaciones en las condiciones de la



corriente de gas. El aire de salida del filtro es bastante limpio y en muchos casos puede ser

  

recirculado dentro de la planta, para conservación de energía. El material retenido se recolecta en seco. Normalmente, no presenta problemas de corrosión, ni oxidación. El proceso es relativamente simple.



Los filtros de tela limpiados por chorro pulsante pueden tratar flujos altos de



gas, con cargas grandes de partículas. Los filtros de tela limpiados por el método de chorro pulsante, pueden ser de menor tamaño que otros tipos de filtros de tela, para el tratamiento de la misma cantidad de gas y polvo.

Desventajas



Para temperaturas muy por encima de los 290 o C se requiere el uso de telas metálicas o de mineral refractario especial, lo que puede resultar muy



caro. Para ciertos tipos de polvos, se pueden requerir telas tratadas con objeto de reducir la percolación de los polvos o en otros casos, para facilitar la



remoción del polvo recolectado. Determinadas concentraciones de algunas partículas en el colector, aproximadamente 50 g/m3, pueden representar un peligro de fuego o



explosión, si se produce una llama o una chispa accidentalmente. Los filtros de tela presentan elevados requisitos de mantenimientos, como



por ejemplo, el reemplazo periódico de las bolsas. La vida de la tela puede verse reducida a temperaturas elevadas y en presencia de constituyentes gaseosos o en forma de partículas, ácidos o



alcalinos. No son adecuados para ambientes húmedos, ya que los materiales higroscópicos, la condensación de humedad o los materiales adhesivos



espesos pueden causar costras o tapar la tela. Puede resultar necesaria la protección respiratoria del personal de

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mantenimiento durante el reemplazo de la tela. En las unidades con chorro pulsante que utilizan velocidades muy altas del gas el polvo de las bolsas limpiadas puede ser arrastrado hacia otras bolsas.

IDENTIFICACIÓN DE LAS VARIABLES QUE LO DEFINEN De acuerdo a la problemática que se presenta en el caso de estudio de la planta procesadora de CEMEX, se identificaron las variables de control que se tienen que tomar en cuenta al momento de operar el equipo. Esto se realizó con base en las características de las partículas que son generadas en los procesos que se llevan a cabo al interior de esta compañía. Es necesario identificar las variables que definen a los filtros de tela, ya que de ellos depende que el equipo pueda operar en buenas condiciones. Las variables que se involucran en el proceso son:

  

Relación aire-tela Caída de presión Velocidad ascendente del flujo de gas

Relación aire-tela Esto debido a que la relación de aire-tela nos da un punto de partida para poder elegir un filtro de tela que soporte las cargas superficiales con las cuales sea diseñado el equipo, las temperaturas de la corriente de gas, etc. La relación aire-tela es difícil de estimar sin el conocimiento previo de algunas de las características de la materia partículada a ser filtrada. Sin embargo, existen métodos simplificados con algunas suposiciones hechas, que permiten un cálculo rápido. Existen factores en los sistemas que deben de tomarse en cuanta cuando se decide que tela utilizar, puesto que algunos factores pueden interferir en la eficiencia de colección del material particulado entre las más importantes están:

    

Temperatura Nivel de humedad Tamaño de partículas Químicos en el flujo del gas a filtrar Materiales abrasivos

Es por ello indispensable conocer el proceso y tipo de gas que se va a tratar. Caída de presión Cada sistema tiene sus propias especificaciones respecto de la presión máxima permisible para los filtros de aire. Cada filtro tiene una resistencia al paso del aire, conocida como caída de presión, dentro de la que puede operar. Es primordial asegurarse de que los niveles de presión que se ejercen sobre el sistema no rebase las especificaciones del mismo, ya que esto puede reducir el volumen de aire, lo cual puede traer consecuencias, como afectar la operación de tratamiento del aire en las telas u otros componentes del sistema. El filtro de tela de limpieza con inyección de aire inverso debe de remover la mayor parte de las partículas aerotransportadas y proveer un adecuado flujo del aire para mantener una operación satisfactoria del sistema.

VELOCIDAD ASCENDENTE DE FLUJO DE GAS Es sumamente importante llevar un control de la velocidad ascendente de flujo de gas, debido a que una elevación inesperada de este factor puede provocar que las partículas no se adhieran bien al filtro de tela. Existen tablas en las cuales se puede determinar la velocidad de flujo promedio por tipo de contaminante, dato que nos sirve al momento de diseñar un sistema de filtración de este tipo.

EXPLICACÓN DE LA EFICIENCIA DEL EQUIPO DE CONTROL Con base en las características del aire que se tratará en la planta, la eficiencia de remoción de partículas en el equipo de filtración se determinará por medio de la eficiencia de colección de la partícula como se detalla a continuación. La eficiencia para filtros de tela está dada por la cantidad de MP (materia particulada) que se retiene en el mismo, debido a que una buena remoción de contaminantes de los contaminantes presentes en el flujo de aire a tratar es significado del buen estado del filtro. La determinación de la eficiencia de colección de MP se basa en el porcentaje de masa entrante de MP que es quitada de la corriente del gas. La eficiencia de colección se calcula con la siguiente ecuación:

η=

MP c ∗100 MP e

Donde: η= Eficiencia de colección de partículas. (100%) MPc= razón de MP colectada. MPe= razón de MP entrante.

De igual manera, la eficiencia de colección puede calcularse también basada en las cargas másicas (o las concentraciones) de partículas en la entrada y la salida de la corriente de gas, debido a que el flujo volumétrico del aire, normalmente es

el mismo a la entrada y a la salida del dispositivo y se puede determinar mediante la siguiente ecuación: η=

Li−Le ∗100 Li

Donde: Li=carga másica o concentración de MP a la entradadel dispositivo .(

μg ) 3 m

Le =Carga m á sica o concentraci ó n de MP ala salida del dispo sitivo .(

μg ) m3

Caída de presión La distribución de tamaños de las partículas y la adhesividad son las propiedades más importantes de las partículas que afectan los procedimientos de diseño. Los tamaños menores de partículas pueden formar una plasta más densa, lo que aumenta la caída de presión. La caída de presión es un factor importante en la evaluación de la eficiencia del filtro de tela, ya que si se tiene una caída de presión muy alta, es probable que el tiempo de retención necesario para que las partículas de polvo se adhieran a la tela se desajuste al tiempo de retención para el cual fue diseñado el sistema. Esto se da cuando el filtro se encuentra saturado de materia particulada y por lo tanto, el tiempo de retención aumenta retrasando el proceso de limpieza en condiciones normales de operación Los filtros de tela estándares pueden ser utilizados para el servicio por presión o al vacío pero únicamente dentro de un rango de alrededor de ± 6.2 kPa (630

milímetros de columna de H2O aprox.). Debido a la construcción de lámina metálica del filtro, por lo general no son apropiados para servicios más severos. Sin embargo, para aplicaciones especiales, se pueden construir cajas para presiones altas.

La caída de presión puede ser calculada con la siguiente ecuación: 2

∆ P=S e V + K 2 Ci V t

En donde: ∆ P=¿ Caída de presión. (Pa)

S e =¿ Arrastre residual efectivo de la tela. (Pa/(m*min) V =¿ K 2=¿

Velocidad superficial o relación aire-tela. (m/min) Coeficiente de resistencia específica del polvo. (Pa/m*min)/Kg*m2)

Ci =¿ Concentración de polvo de entrada. (Kg/m3)

Velocidad ascendente del flujo de gas Su importancia consiste en la eficiencia de filtrado, si la velocidad ascendente es elevada, será más difícil la colección de partículas y por lo tanto menor la eficiencia de filtrado. La velocidad ascendente máxima recomendada para un gas dentro de un filtro con limpieza en línea, dependerá de dos factores importantes:



De la densidad propia del polvo que está siendo recolectado y que cuanto más ligero es éste, más baja será la velocidad ascendente para que pueda



precipitarse dicho material. Del tamaño de las partículas que están siendo recolectadas. Cuanto más bajas sean las partículas, más baja será la velocidad ascendente.

Se puede calcular la velocidad ascendente del gas de la siguiente forma:

V a=

Q 2 n∗π∗D Ac −( ) 4

En donde: Q= Caudal de gas que pasa a través del filtro. (m3/min) D= Diámetro de la bolsa filtrante. (m) n = Numero de bolsas filtrantes en el colector. A c =¿

Área del colector (largo * ancho). Área de filtración. (m2)

V a=¿

Velocidad ascendente del flujo de gas. (m/s)