Dentro de los compromisos adquiridos por Colombia como suscriptor de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (UNFCCC por sus siglas en inglés), se encuentra el de remitir a la conferencia de las Partes los Inventarios Nacionales de Emisiones antropogénicas de todos los gases de efecto invernadero (GEI) no controlados por el protocolo de Montreal, empleando para su desarrollo la metodología planteada por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés).

Esta metodología clasifica las emisiones generadas por los sistemas de energía en dos categorías principales: emisiones por combustión y emisiones fugitivas. La primera de las categorías se refiere a aquellas emisiones, producto de la quema de los diversos combustibles como parte de actividades productivas (por ejemplo procesos industriales); la segunda categoría hace referencia a aquellas emisiones a la atmósfera que se generan a partir de la producción, procesamiento, transformación, transporte, almacenamiento y uso de los combustibles e incluye las emisiones por combustión únicamente cuando ésta no es fruto de una actividad productiva (por ejemplo la quema de gas en los pozos de extracción).

Con el fin de estimar las emisiones generadas por las diversas fuentes de combustión, la metodología IPCC sugiere la utilización de factores de emisión apropiados para cada caso. Los factores de emisión son herramientas que permiten estimar la cantidad de emisiones de un determinado contaminante, generada por la fuente en estudio. Varían no solamente de acuerdo con el tipo de combustible sino con la actividad en la que se aplique su proceso de combustión (e.g. generación de energía, procesos industriales, aplicaciones residenciales) y la tecnología utilizada para tal fin (e.g. calderas, hornos, estufas). En este sentido, existen factores de emisión por combustible, proceso y tecnología, de tal manera que en la medida en que se avanza en el grado de detalle, el factor de emisión resulta más exacto. Generalmente se expresan como el peso de contaminante emitido por unidad de peso, volumen, energía o actividad, dependiendo del nivel escogido. Así, un factor de emisión de monóxido de carbono para el gas natural igual a 18, corresponderá a 18 kg de CO generados por TJ (o sus unidades correspondientes) de gas natural alimentado en el proceso de combustión.

Debido a que la calidad de los combustibles y por lo tanto sus correspondientes factores de emisión varían de una localidad a otra en porcentajes representativos, la metodología IPCC sugiere que los inventarios nacionales sean preparados utilizando factores de emisión locales cuando sea posible. Con este fin, en el presente estudio se calculan los factores de emisión de los combustibles colombianos. Los cálculos se fundamentan en las bases teóricas suministradas por la estequiometría de cada uno de los combustibles, establecida a partir de su composición elemental, obteniéndose los factores de emisión para los combustibles líquidos, sólidos y gaseosos referidos en el Anexo 1.

2. MARCO TEÓRICO

2.1 Combustibles

Un combustible es una sustancia capaz de reaccionar con el oxígeno del aire con desprendimiento de energía térmica apta para producir trabajo mecánico. La mayoría de los combustibles pueden clasificarse dentro de una de estas tres categorías: sólidos (carbón mineral, carbón vegetal y madera entre otros), hidrocarburos líquidos (petróleo y algunos de sus derivados como la gasolina) o hidrocarburos gaseosos (gas natural, propano, entre otros).

Existen varias propiedades que caracterizan a los combustibles, dependiendo de su composición físico-química. Una de las más importantes para el proceso de combustión es el poder calorífico, cantidad que representa el calor desprendido debido a la combustión completa del combustible por unidad de masa (o volumen). El poder calorífico se denomina superior (HHV[a]) cuando el agua resultante de la combustión se asume líquida (condensada) en los productos de la combustión e inferior (LHV[b]) cuando el agua resultante de la combustión se supone en estado de vapor con los demás productos de la combustión.

Por lo tanto la diferencia entre el HHV y el LHV es igual por definición al calor de condensación del vapor de agua resultante de la combustión del combustible.

2.2 proceso de combustión

La combustión se define como el proceso de reacciones químicas de oxidación que desprenden calor. Para que se lleve a cabo se requiere además del combustible la presencia del comburente y la energía de activación. El comburente es el oxidante (contiene el Oxígeno) y la energía de activación es la cantidad de energía que hay que aportar a la mezcla de combustible y comburente para que se inicie la combustión.

Cuando se quema un combustible hidrocarburo, utilizando la cantidad exacta de Oxígeno, el Carbono y el Hidrógeno se oxidan produciendo únicamente dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O). Durante este proceso la masa de cada elemento permanece sin variación, situación que se conoce como combustión estequiométrica y que constituye la base de cualquier cálculo teórico. Por ejemplo, la combustión del metano (CH₄) está regida por la ecuación:

CH₄+ O₂à CO₂+ 2H₂O

En este caso 1 mole de CH₄ produce un mole de CO₂ y dos de H₂O, o lo que es lo mismo, 16 g de CH₄ reaccionan para producir 44 g de CO₂ y 36 g de H₂O (Ver Anexo 2).

Sin embargo, en la práctica se halla que no es posible obtener combustión completa, suministrando el aire teórico requerido. Así pues, es necesario alimentar aire en exceso a la reacción (factor lambda), dependiendo del tipo de combustible:

Para combustibles sólidos: 40 a 150% de exceso de aire (lambda 1,4 – 2,5)
Para combustibles líquidos: 25 a 60% de exceso de aire (lambda 1,25 – 1,6)
Para gases: 10 a 40% de exceso de aire (lambda 1,1 – 1,4).

En este caso se tiene una combustión completa con exceso de aire. En la medida en que se disponga de información acerca de la tecnología utilizada para llevar a cabo la combustión, se podrá alcanzar mayor precisión en el valor del factor lambda. Para especificar el equipo de combustión se han de aplicar criterios de selección relativos al combustible y en particular a la aplicación concreta. Una vez establecido el equipo requerido, para cada tipo de quemador se puede trazar una curva de exceso de aire en función de la carga o demanda de calor, que permita establecer con precisión el exceso de aire requerido.

Para el cálculo del aire requerido, del poder calorífico y del volumen de gas quemado el desarrollo de la metodología descrita a continuación, contempló la composición elemental de los combustibles sólidos y líquidos, es decir, porcentaje en peso de cada uno de sus elementos componentes (Carbono, Hidrógeno, Azufre, Cloro, Oxígeno, Flúor) y la composición en volumen de los combustibles gaseosos, es decir, porcentaje en volumen de cada uno de sus componentes (metano, propano, etc.).

Es importante tener en cuenta que el CO₂ es el más común de los gases de efecto invernadero y su mayor fuente la constituye la quema de los combustibles fósiles. Cuando estos combustibles se queman, gran parte del contenido de carbón se emite como CO₂y en menor proporción como CO, CH₄ y otros hidrocarburos que finalmente se oxidan a CO₂en un periodo de aproximadamente 10 años. En este hecho reside la importancia de contar con un método que permita el cálculo de las emisiones de este contaminante.

Sin embargo, la combustión real produce además de dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O) otros compuestos como ácido fluorhídrico (HF), ácido clorhídrico (HCl), óxidos de azufre (SO₂), cuya estequiometría se referirá en el siguiente capítulo y óxidos de nitrógeno (NO_x). En relación con éstos últimos hay que señalar que en la mayoría de los procesos de combustión el oxígeno se suministra como aire, que se considera compuesto de 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno. El nitrógeno reacciona efectivamente con el oxígeno mediante una serie de relaciones altamente dependientes de las condiciones de reacción, lo que hace difícil su predicción teórica.

Una vez establecidos los productos de la combustión y su concentración en el gas quemado es posible, mediante la definición de su poder calorífico, precisar los factores de emisión correspondientes.

2.3 Factores de Emisión

La Tabla 1 presenta los factores de emisión de carbono para los combustibles más comunes, sugeridos por la metodología IPCC y su equivalente como factores de emisión de CO₂, calculado a través de la relación estequiométrica.

Tabla 1. Factores de emisión de carbono y CO₂ por combustible (kg/GJ)

Combustible	Estado	Factor de emisión (kg C/GJ)^a	Factor de emisión (kg CO₂/GJ)^b
Carbón	Sólido	26.8	94.53
Crudo	Líquido	20	73.28
Diesel	Líquidos	20.2	74.01
Gasolina		18.9	69.25
Kerosene		19.5	71.45
Gas propano GLP	Gas	17.2	63.02
Natural gas		15.3	56.06

a. Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories: Reference Manual

IPCC. Bracknell, U.K.

b. Calculado a partir de la ecuación estequiométrica: C + O₂ à CO₂

3. METODOLOGÍA

El marco teórico definió el concepto de estequiometría, a partir del cual se desarrolla el análisis para cada combustible y que suministra la concentración de cada uno de los productos en los gases quemados. Esta información, junto con el poder calorífico calculado permite establecer los factores de emisión de CO₂, SO₂, HF y HCl según cada caso. La metodología que se describe a continuación se ilustra en la Figura 3.1 y solamente requiere por parte del usuario la escogencia del combustible a analizar y del lambda requerido según dicho combustible.

Por sus características se han agrupado los combustibles en dos categorías: una que incluye los líquidos y sólidos (Grupo 1) y otra que incluye los combustibles gaseosos (Grupo 2).

3.1 Concentración de los productos en los gases quemados

Dado que el análisis es puramente teórico, se asume una combustión completa, en cuyo caso los productos son únicamente CO₂ y H₂O, se asumen también reacciones completas del Azufre (S), Cloro (Cl₂) y Fluor (F₂), en aquellos combustibles que los contienen, de tal manera que los productos son: SO₂ , HCl y HF.

Las ecuaciones químicas que rigen las reacciones de combustión en el grupo 1 son:

C + O₂ à CO₂

2H₂+ O₂ à 2H₂O

S + O₂ à SO₂

H₂ + F₂ à 2HF

H₂ + Cl₂ à 2HCl.

Para el grupo 2 existe una ecuación general aplicable a los hidrocarburos gaseosos:

C_nH_m + (n + (m/4)) O₂ à nCO₂ + (m/2)H₂O

Conociendo la composición elemental de los combustibles pertenecientes al grupo 1, la composición en volumen de los combustibles del grupo 2 y las correspondientes ecuaciones estequiométricas, es posible calcular la cantidad de los productos obtenidos sobre una base dada de combustible (por ejemplo, 100 kg). Así, para el caso de un carbón compuesto por 80% de C. y 20% de H₂, tenemos:

Base de cálculo = 100 kg de Carbón

Cantidad de H₂ = 20 kg

Cantidad de C = 80 kg

Cantidad de CO₂

producida = 80 kg C*(44 kg CO₂ / 12 kg C)

= 293 kg CO₂/100 kg combustible

= 0,293 kg CO₂/ kg combustible.

3.1.1 Volumen de gases quemados

El cálculo de los productos unido al volumen de gases quemados permite determinar la concentración de los diferentes compuestos en los gases de salida. Para el cálculo de los gases quemados acudimos a las fórmulas sugeridas por Brandt [c] :

· Para sólidos y líquidos:

Volumen de gas quemado = 8.887*C + 3.3174*S + 20.9597*H - 2.6408*O + 0.7997*(N+Cl+F)

Los valores para C, H, etc. están dados en porcentaje en peso (kg/kg), el volumen se expresa en m³/kg de combustible.

· Para gases:

Volumen de gas quemado = N₂ + CO₂ + 1.8838*H₂ + 2.8000*CO + 6.6965*H₂S + 8.5538*CH₄ + 10.4048*C₂H₂ + 13.3974*C₂H₄ + 15.3340*C₂H₆ + 20.3218*C₃H₆ + 22.3114*C₃H₈ + 27.6078*C₄H₈ + 29.7424*(C₄H_10n + C₄H_10i)

en donde i y n hacen referencia a i-butano o isobutano ( CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ )y n-butano o butano normal ( CH(CH₃)₃).

Los valores de los gases corresponden a la composición volumétrica (m³/m³), el volumen se expresa en m³/m³ de combustible

De esta manera, continuando con el mismo ejemplo de un carbón compuesto por 80% de C. y 20% de H₂:

Volumen de gas quemado = 8.887*0.8 + 20.9597*0.2 = 11.3 m3/kg

Concentración de CO₂ en gases quemados = 0.293/11.3 = 0.259 kg/m³

3.1.2 Volumen de aire requerido

También es posible calcular el volumen de aire requerido que más adelante permitirá establecer el volumen real mediante la aplicación del factor lambda.

· Para sólidos y líquidos:

Volumen de aire requerido = 8.8996*C + 26.5139*H + 3.342*S - 3.3405*O

Los valores para C, H, etc. están dados en porcentaje en peso (kg/kg), el volumen se expresa en m³/kg de combustible.

· Para gases:

Volumen de aire requerido = 2.3830*H₂ + 2.3860*CO + 7.2251*H₂S + 9.5611*CH₄ + 11.9048*C₂H₂ + 14.4158*C₂H₄ + 16.8594*C₂H₆ + 21.8665*C₃H₆ + 24.3715*C₃H₈ + 29.7063*C₄H₈ + 32.3753*(C₄H_10i + C₄H_10n)

Los valores de los gases corresponden a la composición volumétrica (m³/m³), el volumen se expresa en m³/m³ de combustible

3.2 Cálculo de los poderes caloríficos

El último eslabón en la cadena de cálculos, antes de llegar al objetivo fundamental, que es el cálculo de los factores de emisión, lo constituye la determinación de los poderes caloríficos, también establecida mediante las relaciones sugeridas por Brandt ^c.

· Para sólidos y líquidos:

Poder calorífico superior (HHV) = 34.8*C + 93.8*H + 10.44*S + 6.28*N - 10.8*O + 2.5*(9*H)

Poder calorífico inferior (LHV)= 34.8*C + 93.8*H + 10.44*S + 6.28*N - 10.8*O - 2.5*W

en donde W es el contenido de agua. Si los valores para C, H, etc. están dados en porcentaje en peso (kg/kg), el poder calorífico se expresa en MJ/kg de combustible.

· Para gases:

Poder calorífico superior (HHV) =12.745 * H₂+ 39.819 * CH₄+ 70.293 * C₂H₆+ 63.429 * C₂H₄+ 58.473 * C₂H₂ + 101.234 * C₃H₈ + 93.576 * C₃H₆+ 134.128 * C₄H_10n + 133.256 * C₄H_10i + 125.919 * C₄H₈+ 12.633 * CO + 25.394 * H₂S

Poder calorífico inferior ( LVH )= 10.784 * H₂+ 23.413 * H₂S + 12.633 * CO + 35.885 * CH₄+ 56.494 * C₂H₂ + 59.476 * C₂H₄+ 64.349 * C₂H₆+ 87.578 * C₃H₆+ 93.213 * C₃H₈+ 117.771 * C₄H₈+ 123.883 * nC₄H₁₀+ 123.053 * iC₄H₁₀

Si los valores de los gases corresponden a la composición volumétrica (m³/m³), el volumen se expresa en MJ/m³ de combustible.

3.3 Cálculo de los factores de emisión

La relación que existe entre el poder calorífico del combustible y la concentración del producto analizado en los gases quemados, permite establecer el factor de emisión correspondiente. Para el ejemplo que estamos estudiando, dado que el poder calorífico del combustible es de 46,6 MJ/ kg y la concentración de CO₂ es de 0.259 kg/m³, el factor de emisión (FE) de CO₂ para el carbón (lambda = 1) sería:

FE (CO₂) = Volumen real [m³/kg combustible]* Concentración de CO₂ [kg CO₂/m³ gas quemado]* poder calorífico [MJ/kg combustible]

FE (CO₂) = 11.3 [m³/kg combustible]*0.259 [kg/m³gas quemado]*46.6 [MJ/kg combustible]

FE (CO₂) = 11.3 * 0.259 / 46.6

FE (CO₂) = 0.063 MJ/kg CO₂

Figura 1. Esquema de la metodología aplicada

4. MANUAL DEL USUARIO DE FECOC

Para el cálculo de los factores de emisión, se desarrolló e programa FECOC (Factores de Emisión de los Combustibles Colombianos). Una vez el usuario ingresa al, la primera pantalla lo guía hacia su interés específico. La orden de “comenzar” lo lleva al menú en el que se puede escoger el tipo de combustible a analizar según su estado sólido, líquido o gaseoso (ver Figura 2). También desde allí se pueden adicionar o modificar las bases de datos que contienen la composición elemental de los diferentes combustibles y que constituyen la base del programa.

Figura 2. Pantalla de Inicio

Una vez hecha la selección del tipo de combustible activando el botón apropiado, el usuario tiene acceso a la pantalla principal en la que se encuentra la ventanilla que permite escoger el combustible específico, bajo el título “tipo de combustible” y el lambda[d] correspondiente, ubicado bajo el título “volumen de gas quemado”. La definición de estas dos casillas (las únicas que el usuario debe alimentar) activa el sistema que finalmente suministra la composición porcentual en peso del combustible escogido, el poder calorífico, el volumen de gas quemado y el aire requerido, variables que a su vez permiten establecer los factores de emisión de CO₂, SO₂, HF y HCl en kg/TJ que se muestran bajo el título “Factores de emisión” en la misma pantalla. La Figura 3 ilustra la pantalla principal para el caso de los combustibles sólidos.

Figura 3. Pantalla principal para combustibles sólidos

Para efectos de comparación, el programa muestra los factores de emisión recopilados por el IPCC en su Manual de Referencia para combustibles similares. Se puede tener acceso a esta información de manera gráfica, activando el botón “Ver gráfico comparativo”.

Para los combustibles líquidos, la información a suministrar por parte del usuario es la misma que para el caso de los combustibles sólidos (combustible específico y lambda) y, dada la similitud de los cálculos, la presentación de los resultados es similar en los dos casos (Figura 4). Para los líquidos es posible acceder a la gráfica de las emisiones de CO₂ y SO₂ activando el botón “Ver gráfico”.

Figura 4. Pantalla principal para combustibles líquidos

Si el análisis se dirige hacia los combustibles gaseosos, aunque las casillas a alimentar permanecen sin alteración (combustible específico y lambda), el cuadro de presentación de los resultados difiere un poco en razón de la utilización de la composición en volumen para los cálculos, en lugar de la composición en peso utilizada para las otras opciones de combustibles. El sistema suministra la composición porcentual en volumen del combustible escogido, el poder calorífico, el volumen de gas quemado y el aire requerido, variables que a su vez permiten establecer los factores de emisión de CO₂ y SO₂en kg/TJ que se muestran bajo el título “Factores de emisión” en la misma pantalla (Figura 5). También en esta pantalla se pude acceder al gráfico comparativo antes mencionado.

Figura 5. Pantalla principal para combustibles gaseosos

4.1 Base de Datos

El programa cuenta con una base de datos que reúne la composición elemental de diversos combustibles (Anexo 1) y que puede ser modificada y/o ampliada si así lo estima conveniente el usuario[e]. Para tal efecto deberá dirigirse a la página de inicio y activar el botón “adicionar/editar”, dependiendo del tipo de combustible que se quiera modificar. También se puede llevar a cabo este proceso mediante la activación de la opción “adicionar/editar combustible”, ubicada al lado de la ventanilla “tipo de combustible” en las pantallas principales.

Una vez ubicado en la tabla correspondiente, el usuario podrá alimentar la información o modificar la existente y regresar a la pantalla principal (Figura 6).

Figura 6. Bases de datos para combustibles sólidos, líquidos y gaseosos

5. REFERENCIAS

· BMZ – GTZ . Software: Global Emission Model of Integrated Systems (GEMIS). Desarrollado por Öko Institute. Berlín. 2001

· Cerbe, G. Grundlagen der Gastechnick. München, Wien, 1981

· Culp, A. Principles of energy conversion. McGraw-Hill. U.S.A., 1979.

· Himmelblau, D. Principios y Cálculos Básicos de la Ingeniería Química. Ed. CECSA. México, 1986.

· Kern, D. Procesos de Transferencia de Calor. Ed. CECSA. México 1989.

· Rodríguez, H. y F. González. Opciones para la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero en Colombia. Editora Guadalupe. 2000. Bogotá – Colombia, 2000.

· Sánchez, E. y E. Uribe. Contaminación Industrial en Colombia. Departamento Nacional de Planeación - Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo. Bogotá, 1998.

6. ANEXO 1 - COMBUSTIBLES ANALIZADOS

· Bagazo

· Carbón Checua-Lenguazaque. Base seca libre de cenizas

· Carbón China

· Carbón del Cauca. El Hoyo-Limoncito. Base seca

· Carbón del Norte de Santander

· Carbón del Valle del Cauca. Golondrinas. Base seca

· Carbón genérico

· Carbón importado

· Carbón India

· Lignite generic

· Madera Genérico

· Diesel Generico

· Gasolina Generico

· Kerosene Generic

· Oil Crude

· Biogás central

· Coke Gas D

· Gas Domaci

· Gas Liquido D

· LPG propano

· Gas Natural A

· Gas Apiay

· Gas Payoa

· Gas El Centro

· Gas Huila

· Gas Guajira

· Gas Guepaje

· Gas Cusiana

· Gas Opón

· Gas Neiva 540

· Gas Montañuelo

· Gas Cerrito

· LNG Generic

· LPG Generic

· Natural Gas Generico

· Oil gas

7. ANEXO 2 - PESOS MOLECULARES

Pesos moleculares (g/mol)

8. ANEXO 3 - CD CON SOFTWARE FECOC

FECOC: Factores de Emisión de Combustibles Colombianos.

ULTIMA PAGINA DE ESTE INFORME

[a] Por sus siglas en inglés: Higher Heating Value

[b] Por sus siglas en inglés: Lower Heating Value

[c] Brandt, F. 2000. Brennstoffe und Verbrennungsrechnung. Ed. Vulkan. Verlag. Germany

[d] El rango que aparece para el lambda en la ventanilla correspondiente es el recomendado para este tipo de combustibles por el SEDIGAS 1990. Manual del gas y sus aplicaciones. Madrid, España.

[e] Para combustibles líquidos se ha empleado información genérica ya que la información sobre combustibles líquidos colombianos al nivel de desagregación requerido no está disponible. Información del Dr. Martín Mojíca del ICP en Piedecuesta, Santander.