Uso de crudo Maya despuntado como combustible alterno

Tendencias tecnológicas
Uso de crudo Maya despuntado como
combustible alterno al combustóleo
Víctor M. Salinas B., Antonio Diego M. y Jesús Porcayo C.
El combustóleo mexicano se caracteriza por su
alta viscosidad y elevados contenidos de azufre
y vanadio. Esta particularidad determina una
problemática característica en los generadores
de vapor que utilizan este combustible.
A
proximadamente el 70% de la energía eléctrica
que se produce en México proviene de la combustión de hidrocarburos como el combustóleo,
gas natural y diesel; siendo el primero el principal combustible utilizado. El combustóleo es el residuo que se obtiene al final del proceso de refinación del petróleo crudo
en las refinerías de Pemex. Este residuo es acondicionado
con mezclas de fracciones ligeras de otros hidrocarburos
para su manejo y combustión en los generadores de vapor
de la Comisión Federal de Electricidad.
El combustóleo mexicano se caracteriza por su alta
viscosidad y elevados contenidos de azufre y vanadio. Esta
particularidad determina una problemática característica
en los generadores de vapor que utilizan este combustible. Particularmente, se han identificado problemas relacionados con los procesos de combustión, de corrosión
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de materiales utilizados en zonas de alta y baja temperatura, de contaminación por emisión de gases y partículas
suspendidas, al igual que alteraciones del patrón de flujo
térmico en los generadores de vapor entre otros.
Nuestro país produce tres tipos de petróleo crudo:
Olmeca, Istmo y Maya. La diferencia entre estos crudos
estriba en su densidad y el contenido de azufre. El crudo
Olmeca y el Istmo están clasificados como superligero y
ligero, respectivamente; mientras que el crudo Maya está
clasificado como un crudo pesado, con una densidad
de 1.0 a 0.92 g/cm3 y un contenido mínimo de azufre
de 3.3 %.
Con el propósito de incorporar un mayor valor
agregado al crudo Maya, Pemex ha buscado alternativas
de procesamiento a este producto. Una de estas alternativas es la de procesar el crudo Maya en la planta despuntadora del complejo petroquímico la Cangrejera, Veracruz,
con capacidad de producción de 200 mil barriles por día y
producir un crudo parcialmente procesado (crudo Maya
despuntado). Este producto se propone como un combustible alterno para ser suministrado a los usuarios que
tradicionalmente han utilizado combustóleo en sus generadores de vapor.
El crudo Maya despuntado tiene algunas propiedades físicas y químicas diferentes a las del combustóleo,
obsérvese la Tabla 1. En ésta se muestran los valores comparativos entre algunas propiedades fisicoquímicas y el
análisis químico elemental de una muestra de crudo Maya
despuntado y los valores obtenidos de una muestra de
combustóleo. En la Tabla 2 se incluye el análisis químico
cuantitativo de algunos metales en el combustóleo y en el
crudo Maya despuntado.
Como puede apreciarse en las Tablas 1 y 2, existen
algunas diferencias en las propiedades físicas del crudo
Maya despuntado respecto al combustóleo, principalmente en la viscosidad y temperatura de inflamación. Estas
diferencias podrían imponer requerimientos adicionales
en el sistema de almacenamiento y manejo de este combustible.
También es posible que el proceso de combustión
Boletín IIE, mayo-junio del 2001
Tabla 1. Análisis y propiedades fisicoquímicas de un combustóleo y del crudo
Maya despuntado.
Determinación
Combustóleo
Poder calorífico bruto cal/g
Poder calorífico neto cal/g
Azufre % en peso
Carbón conradson % peso
Cenizas % peso
Gravedad específica @ 60/60 oF
Tensión superficial @ 60 oC. Dinas/cm
Carbono % peso
Hidrógeno % peso
Nitrógeno % peso
Oxígeno % peso
Viscosidad s.s.f. @ 50 oF
Insolubles en NC5 % peso
Temperatura de inflamación p.m. OC
Agua por destilación % vol.
Agua y sedimento % vol.
10157
9599
3.39
16.0
0.065
0.9990
30.9
84.81
10.93
0.20
0.21
502
14.12
102
0.4
0.45
Crudo Maya
despuntado
10203
9632
3.71
12.57
0.050
0.9550
29.5
84.33
11.18
0.36
0.37
93
15.19
35
0.1
0.50
Tabla 2. Análisis químico cuantitativo de algunos metales en un combustóleo y en el crudo Maya despuntado.
Elemento
Combustóleo
Cantidad (PPM)
Crudo Maya despuntado
Cantidad (PPM)
Vanadio
Níquel
Sodio
Fierro
Cobre
290
32.9
10.1
4.9
0.7
240
35.6
7.3
4.6
12.4
sea afectado y se produzcan modificaciones a los patrones de flujo de calor en
el horno de los generadores de vapor o modificar las emisiones de gases y
partículas al medio ambiente.
Por otra parte, el crudo Maya despuntado al igual que el combustóleo
contienen cantidades significativas de elementos como sodio, azufre, vanadio.
La combinación de estos elementos podría modificar la corrosividad de las
cenizas que se depositan sobre los materiales que componen las tuberías de las
distintas secciones de los generadores de vapor y crear situaciones de un mayor desgaste por corrosión de los materiales.
Para que los propietarios de los generadores de vapor puedan utilizar
de manera confiable de este combustible alterno, se requiere:
Nuestro país produce tres tipos
de petróleo crudo: Olmeca,
Istmo y Maya. La diferencia
entre estos crudos estriba en su
densidad y el contenido de
azufre. El crudo Olmeca y el
Istmo están clasificados como
superligero y ligero,
respectivamente; mientras que
el crudo Maya esta clasificado
como un crudo pesado.
• Determinar los efectos de su
utilización en los generadores
de vapor.
• Identificar las medidas preventivas para evitar o minimizar los
efectos adversos.
En este aspecto, la Gerencia de
Procesos Térmicos del IIE está llevando a cabo una serie de pruebas experimentales y análisis, con el propósito
de tener elementos técnicos que permitan evaluar y generar alternativas
para determinar la posibilidad de utilizar este combustible alterno de manera segura y confiable.
A continuación se describen
brevemente las pruebas experimentales que se están realizando, la mayoría de ellas se llevan a cabo en el horno piloto de combustión del IIE, así
como algunos parámetros que se determinan en cada prueba.
Pruebas de combustión
Las pruebas de combustión tienen
como finalidad conocer la eficiencia
de la combustión del combustible alterno, así como la cantidad y tipo de
emisiones contaminantes producidas.
En estas pruebas se cuantifica la cantidad de CO, NOx , SO2 SO3; al igual
que las partículas suspendidas totales,
tamaño, morfología y pH de las par-
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Tendencias tecnológicas
nes se utiliza una sonda de calor incidente y un pirómetro de succión refrigerado con agua. Ambos equipos se introducen en los distintos puertos del horno experimental.
Las pruebas de combustión
tienen como finalidad conocer
la eficiencia de la combustión
del combustible alterno, así
como la cantidad y tipo de
emisiones contaminantes
producidas.
Pruebas de estabilidad del combustible
El propósito de estas pruebas es simular las condiciones de almacenamiento a
las que estaría sometido el combustible en los tanques de almacenamiento y
determinar los cambios en las propiedades fisicoquímicas del mismo.
El envejecimiento se simula en el laboratorio a una temperatura típica
de almacenamiento por períodos de tiempo de hasta 45 días. Transcurrido el
período de tiempo especificado se llevan a cabo las determinaciones que se
especifican en las Tablas 1 y 2.
También se llevan a cabo estudios de reología en las muestras envejecidas, esto con el propósito de inferir las condiciones de transporte y manejo
del combustible a través de tuberías y bombas. La Figura 1 muestra el efecto
que tiene el envejecimiento de un combustóleo y del crudo Maya despuntado
sobre la viscosidad de cada uno de los combustibles.
Las muestras envejecidas son sometidas a análisis termogravimétricos
en atmósferas de oxígeno y aire. Estos análisis permiten determinar el perfil
de oxidación del combustible y así poder inferir las características de su combustión para las condiciones en que se lleva a cabo la determinación. A manera de ilustración, en la Figura 2 se muestra el tipo de información que se
obtiene de éstos análisis. En esta figura se muestra el perfil de oxidación de un
combustóleo y del crudo Maya despuntado en una atmósfera de oxígeno.
tículas emitidas, también el carbono
no quemado. Todas estas determinaciones se llevan a cabo con distintas
proporciones de oxígeno en exceso en
los gases de combustión.
Medición de propiedades
radiantes de flama
En estas pruebas se realizan mediciones del calor total en el horno de combustión y de la temperatura bajo distintas condiciones de combustión.
Para llevar a cabo estas determinacio-
Figura 1. Comparación del efecto del tiempo de envejecimiento sobre la viscosidad de un combustóleo y del crudo Maya despuntado a una temperatura de 60 ° C.
TEMPERATURA 60 C, 3.0 RPM
800
C OMBUSTOLEO TIPICO
700
C RUDO MAYA DESPUNTADO
VISCOSIDAD [Cp ]
600
500
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
30
TIEMPO DE ENVEJEC IMIENTO [ DIAS]
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35
40
45
50
Figura 2. Termogramas obtenidos de una muestra de
crudo Maya despuntado y de un combustóleo típico, ambos
sin envejecer en una atmósfera de oxígeno extra seco y una
velocidad de calentamiento de la muestra de 10° C/min.
Boletín IIE, mayo-junio del 2001
Con el propósito de incorporar un mayor valor
agregado al crudo Maya, Pemex ha buscado
alternativas de procesamiento a este producto.
Una de estas alternativas es la de procesar el
crudo Maya en la planta despuntadora del
complejo petroquímico la Cangrejera, Veracruz.
Figura 3. Efecto de la temperatura de metal de un acero
inoxidable en la velocidad de desgaste por corrosión en
un ambiente corrosivo de cenizas de combustóleo.
900
8
7
800
CORROSION [ mm/año ]
700
5
600
4
TEMPERATURA
3
500
TEMPERATURA DE METAL [°C]
6
2
CORROSION
400
1
0
300
7-8-00 7 -8-00 7-8-00 7-8-00 7-8-00 7-8-00 7-8-00 7-8-00 7-8-00 7-8-00 8-8-00 8-8-00 8-8-00 8-8-00 8 -8-00 8-8-00 8-8-00 8-8-00 8-8-00
0:00 2:24 4 :48 7:12 9:36 12:00 14:24 16 :48 19:12 21:36 0:00 2:24
4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 1 6:48 19:12
TIEMPO [ fecha-hora]
Pruebas de corrosión
Tienen como propósito realizar un análisis comparativo
entre el combustóleo y el crudo Maya despuntado. Este
análisis es sobre el desgaste por corrosión de los materiales más frecuentemente utilizados, tanto en las secciones
que componen los sobrecalentadores y recalentadores,
como en la sección de baja temperatura de los generadores de vapor.
La evaluación del efecto de la corrosión a alta temperatura, al igual que el efecto de la corrosión por condensación de ácido sulfúrico en los precalentadores de aire
de los generadores de vapor, se lleva a cabo mediante la
utilización de técnicas electroquímicas. La aplicación de
técnicas electroquímicas para el monitoreo en línea de la
corrosión a alta temperatura es una nueva tecnología que
permite conocer en tiempo real el proceso de degradación por corrosión de los materiales. La utilización de
esta tecnología se realiza a través de sondas especialmente
diseñadas para este propósito.
Los sistemas de supervisión de la corrosión en tiempo real son sistemas cuyo desarrollo es específico para una
aplicación industrial determinada. Los resultados mostrados en trabajos de carácter internacional sobre el tema de
monitoreo de la corrosión en línea, señalan las ventajas
de estos sistemas en comparación con las técnicas tradicionales de pérdida de peso para el monitoreo del desgaste por corrosión de los materiales.
La técnica de pérdida de peso, aunque es muy útil
para estudiar el comportamiento de materiales en ambientes corrosivos, requiere tiempos prolongados de exposición del material al medio corrosivo y no permite asociar
de manera directa y en tiempo real el efecto de las variables del proceso (temperatura, presión, flujo, etc.) a la velocidad de desgaste o al tipo de corrosión (corrosión general o corrosión localizada) que se está llevando a cabo.
Tampoco es capaz de detectar el momento en que el desgaste por corrosión está fuera de los límites permitidos.
Las pruebas de corrosión que se llevan a cabo en la cámara de combustión del IIE tienen una duración de 500 horas, tiempo que no sería suficiente para evaluar la resistencia a la corrosión de los materiales si se utilizara la
técnica de pérdida de peso.
El diseño de las sondas de corrosión que se utilizan
hace posible controlar la temperatura del material que está
siendo evaluado. Esto permite realizar una evaluación del
material en un intervalo amplio de temperatura del metal. Como un ejemplo de la sensibilidad de esta técnica al
cambio de una variable del proceso, en este caso la temperatura del metal, la Figura 3 muestra el comportamiento
de un acero inoxidable en un ambiente corrosivo de cenizas de combustóleo, evaluado en la zona donde los gases
de combustión tienen una temperatura de 850 a 900°C.
Modelado de diseños típicos de
generadores de vapor
El propósito de la modelación es cuantificar el efecto que
tendrían las propiedades radiantes de la flama –producida
por el crudo Maya despuntado- sobre la temperatura de
gases y de los elementos metálicos que componen los sobrecalentadores y recalentadores. En la modelación matemática de los diseños típicos de generadores de vapor se
utilizan modelos propios desarrollados en el IIE, así como
códigos comerciales como el Steam Master, Steam Pro de
Termoflow y un código computacional para dinámica de
fluidos (CFD).
Con las temperaturas de metal obtenidas en la
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Tendencias tecnológicas
modelación y los datos de velocidad de desgaste por corrosión obtenidos en las pruebas experimentales, se evalúan las distintas alternativas que permitan una operación
confiable de los intercambiadores de calor de alta temperatura; tales como la utilización de recubrimientos metálicos en los tubos, el rediseño del intercambiador de calor
y el uso de materiales alternos en los tubos.
Víctor Manuel Salinas Bravo
Ingeniero Metalúrgico por la Escuela Superior de Ingeniería Química
e Industrias Extractivas del IPN (1975); cursó la maestría en Ciencias
de la Corrosión e Ingeniería en la Universidad de Manchester en Inglaterra (1988), institución en donde también hizo su doctorado en 1991.
Ingresó al IIE en 1980 al entonces Departamento de Combustibles
Fósiles y desde 1998 es investigador de la Gerencia de Procesos Térmicos. Incesantemente ha dirigido tesis de licenciatura e impartido cursos
sobre su campo de trabajo.
Autor de diversos artículos publicados en medios nacionales y extranjeros; es también miembro del Sistema Nacional de Investigadores
desde 1996.
vsalinas@iie.org.mx
Antonio Diego Marín
Ingeniero mecánico por la Universidad de Guadalajara, realizó estudios
de maestría y doctorado, en la especialidad de combustión y control de la
contaminación ambiental, en la Universidad de Sheffield, Inglaterra.
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Instituto de Investigaciones Eléctricas
Ingresó al IIE en 1980, fue coordinador de la especialidad de combustión (1993-2000), de la Gerencia de Procesos Térmicos. Ha sido
responsable de diversos proyectos realizados por esta gerencia, para la
evaluación de aditivos y emulsiones, para empresas nacionales y extranjeras. Ha sido asesor de la empresas Central Soya y Clean Fuel
Technology, de Estados Unidos, en la combustión de emulsiones. Es
miembro del American Flame Research Committee y del International
Flame Research Foundation.
adiego@iie.org.mx
Jesús Porcayo C.
Ingeniero industrial químico (1983) egresado del Instituto Tecnológico de Zacatepec, maestro en Ciencias en Bioingeniería por el
CINVESTAV-IPN (1986) y doctor en Ciencias Químicas por la Facultad de Química de la UNAM (1998).
Ingresó al IIE en 1986 al Departamento de Combustibles Fósiles.
Su campo de investigación ha sido la protección contra la corrosión a
alta temperatura por medio de recubrimientos metálicos, y el análisis
químico y termoquímico de sales fundidas.
Recibió el premio a la mejor tesis doctoral otorgado por la Academia Nacional de Ingeniería A.C., y recientemente la Medalla de Plata
Alfonso Caso otorgada por el Consejo Universitario de la UNAM por
su brillante desempeño en sus estudios de doctorado y por ser el graduado más distinguido de la Facultad de Química en 1998. Actualmente es miembro del Sistema Nacional de Investigadores.
jporcayo@iie.org.mx