niveles y composiciÓn de emisiones de quema ......
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Centro de Estudos do Ambiente e do Mar
ENERGIA Y CALIDAD DEL AIRE URBANO
NIVELES Y COMPOSICIÓN DE EMISIONES DE QUEMA DE BIOMASA RESIDENCIAL
CESAM Centro de Estudos do Ambiente e do Mar
BIOMASA RESIDENCIAL
CÉLIA ALVESCÉLIA ALVES(([email protected]@ua.pt))
Madrid, 18 Sept. 2013
MOTIVACIÓN
Estimaciones de la contribuición de distintas
fuentes de emisión han indicado que, en invierno, el humo de la biomasa puede
representar hasta el 80% de la materia orgánica
del PM2.5 en muchas regiones europeas (e.g. Gelencsér et al., 2008).
Una encuesta nacional llevada a cabo en
2010 reveló que, en promedio, el 37% de la
población portuguesa utiliza la combustión residencial de leña para calefacción.
43%
Chimeneas
abiertas
44%
Chimeneas
cerradasPM 11.0
30% de las
emisiones de todos
Combustión residential en Portugal2 Mton/año
7%
Caldera o estufa de
pellets
6%
Otrossistemas
PM2.5 11.0
kton/año
emisiones de todos
los sectores de
actividad
CO2 1.7
Mton/año
3.2% de las
emisiones de
combustión de
combustibles fósiles
PAH 9
ton/año
6.5% de las
emisiones de todos
los sectores de
actividad
(Gonçalves et al., 2012)
OBJETIVOS
Para mejorar los inventarios de emisiones y estimar con precisión la
contribución de la quema de biomasa para los niveles de contaminación atmosférica es necesario el uso de perfiles de emisión, que deben reflejar
las características de los biocombustibles y equipos de combustión
utilizados en cada región
Obtener, por primera vez, factores de emisión y la composición del aerosol
resultante de la combustión de maderas representativas de la realidad
portuguesa
Termocouple T6
Sample Gas (SG) / Pressure
Warm water (out)
Combustion flue gasesCold water (in)
Sa
mp
le G
as (S
G) / P
ress
ure
Heated sampling line (190ºC)
G
H
Termocouple T6
Sample Gas (SG) / Pressure
Warm water (out)
Combustion flue gasesCold water (in)
N2
Zero Gas (ZG)
L
UCD0
J
I
045
000
UCD1
SG
Sam
ple
Ga
s (S
G) / P
ressure
K
CO2
O2
HC
Q
O
P
N
Heated sampling line (190ºC)
G
Ice B
ath
ZG
Ice B
ath
SGSG
MTermocouple T5
F
H
Termocouple T6
Sample Gas (SG) / Pressure
Warm water (out)
Combustion flue gasesCold water (in)
G
H
I
Sam
ple
Gas (S
G) / P
ressur e
Termocouple T4
Termocouple T3A
R – Unidade de comando electrónico (UCE1)S – Ordenador para comando del sistema y adquisición de datos
I, J, K – Unidades de comando y distribuición degas (UCD0, UCD1, UCD2)L – Bomba de muestreo de gasM – Unidad de condensación para la eliminaciónde humedadN, O, P, Q – Analizadores de gases automáticos
(THC, CO2, O2, CO) • 0.2 m diámetro int.
• 3.3 m altura
Muestreo para quantificación de emisiones de chymeneas
A – Cámara de combustión
B – Rejilla de cenizas
C – Célula de carga (sensor de peso)
D – Medidor de flujo de aire
E – Aislamiento térmico del conducto
F – Conducto de extracción de humos
G – Sonda de muestreo de gas
refrigerada por agua
H – Conducto de muestreo calentado
I, J, K – Unidades de comando y
distribuición de gas (UCD0, UCD1,
Temperature
S
N2
Zero Gas (ZG)
L
UCD0
J
I
Pressure
045
000
UCD1
SG
Sa
mp
le G
as (S
G) / P
ress
ure
UCE1
CO
R
UCD2
K
CO2
O2
HC
Q
O
P
N
Ice
Bath
ZG
Condensed material
Ice
Bath
SGSG
MTermocouple T5
Termocouple T4
Termocouple T3
Termocouple T2
D
A
C Air
B
F
E
Termocouple T1
Temperature
S
PressureUCE1
CO
R
UCD2
K Q
Condensed
material
Termocouple T4
Termocouple T3
Termocouple T2
D
A
C Air
B
E
Termocouple T1
Termocouple T5
Termocouple T4
F
E
N2
Zero Gas (ZG)
L
UCD0
J
I
Pressure
045
000
UCD1
SG
UCE1
CO
R
UCD2
K
CO2
O2
HC
Q
O
P
N
Ice B
ath
ZG
Condensed material
Ice B
ath
SGSG
M
Temperature
S
PressureUCE1
R
Termocouple T3
Termocouple T2
D
A
C Air
B
Termocouple T1
E – Aislamiento térmico del conductoF – Conducto de extracción de humosG – Sonda de muestreo de gas refrigerada por aguaH – Conducto de muestreo calentado
A - EsfufaB - Rejilla de cenizasC - Célula de carga (sensor de peso)D - Medidor de flujo de aire
distribuición de gas (UCD0, UCD1,
UCD2)
L – Bomba de muestreo de gas
M – Unidad de condensasión para
eliminación de humedad
N, O, P, Q – Analizadores automáticos de
gases (THC, CO2, O2, CO)
R – Unidad de comando electrónico
(UCE1)
S – Ordenador para comando del
sistema y adquisición de datos
Línea de puntos – Circuito eléctrico,
Línea constinua – Circuito neumático
Termocouple T6
Sample Gas (SG) / Pressure
Warm water (out)
Cold water (in)
Temperature
S
N2
Zero Gas (ZG)
L
UCD0
J
I
Pressure
045
000
UCD1
SG
Sa
mple
Ga
s (S
G) / P
r ess
ure
UCE1
CO
R
UCD2
K
CO2
O2
HC
Q
O
P
N
Heated sampling line (190ºC)
G
Ice B
ath
ZG
Condensed
material
Ice B
ath
SGSG
MTermocouple T5
Termocouple T4
Termocouple T3
Termocouple T2
D
A
C Air
B
F
E
H
Termocouple T1
Atm
osph
eric
air
Com
bustion f
lue g
ase
s
Z
Elect r oni c f lo w sam pl er
Y
TECORA
Thermocouple T8
XT CR PM Air Inlet
T
Thermocouple T7
Pre
ssu
re (P
1)
W
UPASSIVE CAVIT Y AEROSOL SPECTROM ETER PROBE
Dilution air
Dilution air
V
T - Túnel de dilución
U - Sonda de distribución de tamaños de aerosoles (PCASP-X)
V - Sistema Venturi
W - Tubo de Pitot
X - Muestreo de PM10 o PM2.5 (TECORA)
Y - Sistema de control y adquisición de datos (PM10/PM2.5)
Z - Ventilador
Muestreo de emisiones de chymeneas
Atm
osph
eric
air
Z
Electronic flow sampler
Y
TECORA
Thermocouple T8
XTCR PM Air Inlet
T
Thermocouple T7
Pre
ssu
re (P
1)
W
UPASSIVE CAVITY AEROSOL SPECTROMETER PROBE
Dilution air
Dilution air
V
Eucalipto(Eucalyptus globulus)
Pino(Pinus pinaster)
Biocombustibles quemados
Alcornoque(Quercus suber )
Acacia(Acacia longifolia)
Olivo(Olea europea)
Quejido(Quercus faginea)
Biocombustibles quemados
(Olea europea)
Encina(Quercus ilex rotundifolia)
Briquetas
Resultados para quemas residenciales
Factores de emisión (g PM2.5/kg leña, base seca)
20
25
30
35Chimenea abierta
Chimenea cerrada de hierro fundido
0
5
10
15
Resultados para quemas residenciales
Factores de emisión (mg de partículas emitidas por MJ de combustible)
600
800
1000
1200
0
200
400
600
Chimenea
abierta
Chimenea
cerrada de
hierro fundido
Estufa
certificada
Dispositivos de combustión
Factores de emisión reportados ReferenciaRango
aproximado
(mg MJ-1)
Datos para
inventario
(mg MJ-1)Chimeneas abiertas 160 - 910 800 Karvosenoja et al. (2008)
Calderas modernas para astillas de madera o
troncos
5 - 450 5-450Nussbaumer et al. (2008)
20 - 25 Jokiniemi et al. (2008)
30-100 Sternhufvud et al. (2004)
Estufas y calderas de pellets 3-50 30 Karvosenoja et al. (2008)
10 - 50 Nussbaumer et al. (2008)
20 Jokiniemi et al. (2008)
30 Sternhufvud et al. (2004)
pellets de miscanto 8
Schmidl et al. (2011)
pellets de triticale 120
carga máxima 8-11
puesta en marcha 8-34
mal funcionamiento 3-21
pellets de madera 16-31 Kistler el al. (2012)
Chimeneas/estufas verticales
6 kW , 4 tipos de lenhas portuguesas 114 Gonçalves et al. (2010)
6 kW, 10 kW, lenhas y briquetas austriacas 83 Schmidl et al. (2011)
8 kW ,12 tipos de leña del centro de Europa 20-222Kistler el al. (2012)
8 kW , briquetas de madera 32
Dispositivos de combustiónFactores de emisión reportados
ReferenciaRango aproximado
(mg MJ-1)
Datos para inventario
(mg MJ-1)Chimeneas abiertas 160 - 447 Nussbaumer et al. (2008)
860 - 910
Estufas de leña tradicionales 50 - 2100 700 Karvosenoja et al. (2008)
94 - 650 Nussbaumer et al. (2008)
50 - 1932 Nussbaumer et al. (2008)
100 Jokiniemi et al. (2008)
150 - 2100 Sternhufvud et al. (2004)
Otros hornos tradicionales, incluyendo
estufas de mampostería y saunas
30 - 140 140 Karvosenoja et al. (2008)
30 - 100 Jokiniemi et al. (2008)
Calderas convencionales para troncos
de madera
con acumulador 50 - 2000 700 Karvosenoja et al. (2008)
300 - 2000 Nussbaumer et al. (2008)
1300 Jokiniemi et al. (2008)
300-900 Sternhufvud et al. (2004)
sin acumulador 50 - 250 80 Karvosenoja et al. (2008)
50 - 300 Nussbaumer et al. (2008)
95 Sternhufvud et al. (2004)
Algunos países europeos, sobre todo nórdicos y alpinos, han estipulado LÍMITES DE EMISIÓN para partículas. Por ejemplo, Austria:
En la actualidad
60 mg/MJEn 2015
25-35 mg/MJ
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E+06
1.E+07
1.E+08
t
t+15min
t+30min
t+45min
dN
/dlo
g (
Dp
) cm
-3
Tamaños de las partículas de quema
PM>10 PM2.5-10 PM2.5
1.E-01
0.1 1 10 100
Diámetro (µm)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
2
4
6
8
10
12
PM>10 PM2.5-10 PM2.5
%
g P
M/k
g b
ioc
om
bu
stib
le
Factor de emisión
% de la masa total de partículas
Quema de pino en una estufa
tradicional de hierro fundido
Contenido inorgánico de las partículas
Equipo BiocombustiblesIones solubles en agua
(% de masa de PM2.5)
Metales
(% de masa de PM2.5)
Chimenea
abierta
Pino 1.8 0.39
Acacia 11 2.5
Encina 0.75 0.54
Eucalipto 2.9 0.84
Olivo 0.98 1.0
Alcornoque 0.64 0.51
Quejido 1.9 1.3Quejido 1.9 1.3
Briquetas 2.7 0.60
Chimenea
cerrada
Pino 1.7 0.18
Acacia 14 2.0
Encina 1.8 0.61
Eucalipto 3.2 1.4
Olivo 1.4 1.5
Alcornoque 0.53 0.39
Quejido 1.6 1.3
Briquetas 9.1 2.2
Contenido carbonoso de las partículas
Olivo
Alcornoque
Quejido
Briquetas
Carbono orgánico Carbono elemental
Pino
Acacia
Encina
Eucalipto
Olivo
Alkanes0.24%
Alkenes0.010%
PAHs1.5%
Phenolic compounds
2.6%
Alcohols0.022%
Acids44%
Sugars48%
Other Compounds
4.3%
PinoChimenea abierta
Alkanes2%
Alkenes1%
PAHs13% Phenolic
compounds1%
Alcohols2%
Acids60%
Sugars18%
Other Compounds
3%
PinoEstufa de eco-diseño
Composición orgánica de las partículas
Alkanes3%
Alkenes0%
PAHs2%
Phenolic compounds
5%
Alcohols9%
Acids31%
Sugars47%
Other Compounds
3%
EucaliptoEstufa de eco-diseño
certificada
Alkanes0.21%
Alkenes0.032% PAHs
0.43% Phenolic compounds
13%
Alcohols2.4%
Acids14%
Sugars65%
Other Compounds
5.2%
EucaliptoChimenea abierta
Chimenea abierta 60%Estufa de eco-diseñocertificada
Propiedades físico-químicas
Carbono orgánico Hollín Cenizas inorgánicas
Combustión con déficit de aire
Combustión con llama Combustión completa
Partículas de humo resultantes de la quema de biomasa se pueden dividir en 3 clases principales con base en las propiedades físico-químicas y en las condiciones de combustión:
(Kocback, 2008) (Kocback, 2008) (Mavrocordatos et al., 2008)
Las emisiones de la vida real representan una mezcla de estas 3 clases.
Propiedades físico-químicas
Existen grandes diferencias entre las distintas clases de partículas con respecto a las propiedades físicas y químicas, que pueden afectar su toxicidad.
Carbono orgánico Hollín Cenizas inorgánicas
(Kocback, 2008)
Solubilidad
Tamaño de las partículas
Composicionquímica
50 - 600 nm 20 - 50 nm 50 - 125 nm
Depende delenvejecimiento
Compuestos orgánicos como los hidrocarburos
Insoluble Soluble
Carbono elemental y compuestos orgánicos
condensables
Sales alcalinas, e.g. KCl y K2SO4,
metales
¿Cómo varía la toxicidad con las condiciones de combustión?
Ensayos de citotoxicidad sobre líneas celulares de pulmón con diferentes tipos de partículas(partículas orgánicas, hollín, ceniza inorgánica)
Estufa de leña tradicional(unidad de hierro fundido con cámara de combustión pequeña y revestimiento cerámico fino)����
(Klippel y Nussbaumer, 2007)
����
Estufa moderna(gran cámara de combustión y revestimiento de cerámica grueso, cumpliendo los requisitos de eco-diseño suizos)
����
Estufa moderna con combustión en
2 etapas (gasificación y
oxidación consecutiva del gas en una cámara
de combustión separada con aire secundario)
Ensayos de toxicidad: diesel versus biomasa
En relación al hollín del diesel, se han detectado concentraciones significativamente más altas de hidrocarburos aromáticos policíclicos, así
como niveles mucho más altos de toxicidad y potencial carcinogénico (más aberraciones cromosómicas), en partículas y condensables procedentes de
la combustión incompleta de la madera.
(Klippel y Nussbaumer,
2007)
CONCLUSIONES
Las chimeneas y estufas tradicionales presentan mayores factores de
emisión de PM2.5, con un menor contenido de EC y de constituyentes
inorgánicos y un mayor contenido de materia orgánica, en
comparación con los observados en las emisiones de equipos
certificados de alta eficiencia.
Las mayores diferencias en los factores de emisión se deben más al tipo de equipo de combustión utilizado y menos al tipo de biomasa
quemada.
certificados de alta eficiencia.
Las emisiones de la combustión incompleta de la madera se componen
de partículas de hollín y sustancias orgánicas condensables, presentando concentraciones altas de hidrocarburos aromáticos
policíclicos y de otros compuestos con toxicidad y potencial
carcinogénico muy elevados.
La aplicación del proceso de certificación de los equipos de combustión
residencial y la adopción de límites de emisiones es urgente.