Presentación Técnica 2011

Transcripción

1 Presentación Técnica 2011

2 Celdas Catalíticas Imporex para Optimizar la Combustión

3 Introducción

4 La combustión es la reacción química de oxidación del combustible con desprendimiento de calor y por su complejidad, en la práctica, una combustión perfecta no es alcanzable. Las reacciones de combustión son de gran utilidad en la industria, sin embargo, su complejidad propicia ineficiencias que se incrementan con la mala calidad del combustible y la tecnología empleada en el diseño de los equipos. La combustión incompleta representa para la industria un desperdicio de combustible que ocasiona problemas de operación y graves daños al medio ambiente. Las Celdas Catalíticas permiten quemar bien todo el combustible con lo que se elimina el desperdicio y se disminuye la emisión de gases contaminantes a la atmósfera.

5 Los combustibles obtenidos de la destilación fraccionada del petróleo se clasifican por su estado en gaseosos y líquidos y sus características estructurales dependen del rango de temperatura al que destilan. Los problemas de operación y contaminación ocasionados con el quemado de los combustibles, son problemas derivados de sus características estructurales. Algunas características de los combustibles son: contenido de humedad, densidad, viscosidad, poder calorífico, punto de inflamación, contenido de azufre y cenizas. La más importante de estas características es el poder calorífico, que es la cantidad de energía calorífica que es capaz de entregar un combustible al ser quemado.

6 CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES DE LAS FRACCIONES DEL PETRÓLEO S 1 a 5% N, Vanadio, etc. Asfáltenos Aromáticos Distribución por estructura Nafteno-aromáticos Naftenos Parafinas C 5 C 7 C 10 C 14 C 20 C 40 Gas Gasolina Ligera Gasolina Primaria C Keroseno C Diesel C Destilados de Vacío C Residuo de Vacío

7 Los hidrocarburos contenidos en los combustibles se queman mediante una compleja red de rutas de combustión en la que interviene una gran cantidad de reacciones intermedias. La complejidad de las reacciones propicia que la combustión no se complete dando lugar a fracciones denominadas inquemados. La cantidad de inquemados varía con el tipo y calidad del combustible, el diseño y estado físico de los quemadores, las técnicas de atomización y la tecnología empleada en el diseño y construcción de los hornos y calderas. Aunado a lo anterior e independientemente de esto, hay que señalar que a pesar de los avances tecnológicos para mejorar la combustión, existe todavía una cantidad de combustible que no se quema bien. Los inquemados son hidrocarburos en estado gaseoso en diferentes etapas de combustión, monóxido de carbono y partículas con alto contenido de carbón.

8 Los inquemados además de representar un desperdicio de combustible, causan problemas de contaminación ambiental y son los principales responsables de los problemas de operación que limitan la disponibilidad de los equipos. Los hidrocarburos gaseosos en diferentes etapas de combustión, salen mezclados con los gases de combustión y en la atmósfera son precursores de la formación del ozono. El monóxido de carbono y las partículas con alto contenido de carbón salen por las chimeneas como humo. La complejidad de las reacciones de combustión, se puede apreciar al analizar la reacción del gas natural con el oxígeno del aire al formar dióxido de carbono.

9 CH 4 + 2(O N 2 ) CO 2 + 2H N 2 + calor La combustión del gas natural, el más ligero de los hidrocarburos, da origen a más de 250 reacciones intermedias antes de la formación del dióxido de carbono. El gas natural considerado un combustible limpio y fácil de quemar también produce inquemados tales como hidrocarburos en diferentes etapas de combustión, monóxido de carbono y hollín. El combustible que no se quema equivale al 2-3 % del total.

10 RUTAS DE COMBUSTIÓN DEL GAS NATURAL CH3 O METANO CH2 O CH4 CH3 CH O CO ETANO C2H5 ETILENO C2H 6 C2H4 O C2H3 O CO C2H4 C2H3 ACETILENO CH2 CARBONO OXÍGENO C2H2 C2H2 O CO HIDRÓGENO C2H

11 El diagrama muestra la compleja red de rutas de combustión por medio de la cual se queman los hidrocarburos y en la que interviene una gran cantidad de reacciones elementales. Este diagrama de flujo, relativamente sencillo, muestra las transformaciones más importantes que tienen lugar en el curso global del mecanismo de reacción de la combustión de los hidrocarburos más pequeños, el metano y el etano componentes principales del gas natural. Se omiten en el diagrama los productos finales de la combustión CO 2 y H 2 O y las reacciones adicionales del acetileno y de los intermedios hidrocarbonados, algunos de los cuales conducen a la formación de hidrocarburos más largos y de partículas de residuos sólidos.

12 En el caso de los combustibles líquidos la combustión es más compleja y por lo mismo la eficiencia disminuye. La complejidad de la combustión y la cantidad de inquemados es mayor entre más pesado es el combustible. En México los combustibles con mayor uso en la industria, son el gas natural, diesel y los que se elaboran a partir de los aceites residuales de la refinación del petróleo. Los combustibles industriales se elaboran a partir del combustóleo, que es el residuo de la torre de destilación al vacío, adicionándole diferentes cantidades de gasóleo o diesel para disminuir la viscosidad. GAS NATURAL El gas natural esta constituido por metano con proporciones variables de etano, propano y butano. El poder calorífico del gas natural es de 8,500 Kcal/m 3. La cantidad de combustible que no se quema equivale al 3-4%.

13 DIESEL El diesel es la fracción de hidrocarburos de C 15 a C 23 que destila en el rango de temperatura de 230 a 350 C y esta compuesto por hidrocarburos parafínicos, nafténicos, nafteno aromáticos y aromáticos. Los hidrocarburos parafínicos están compuestos por parafinas de cadena lineal y ramificadas y constituyen aproximadamente el 30% del combustible. La fracción nafténica representa el 35% del combustible y esta compuesta por ciclo alcanos y olefinas. Los nafteno aromáticos son hidrocarburos cíclicos ramificados y constituyen aproximadamente el 10% del combustible. La fracción aromática representa el 25% del combustible y son compuestos de uno y dos anillos bencénicos con ramificaciones saturadas lineales principalmente.

14 ESPECIFICACIONES DEL DIESEL INDUSTRIAL Peso Específico a 20/4 C (g/cm 3 ) Densidad API a 60/60 F 34.4 Temperatura de inflamación ( C) Temperatura de congelación ( C) 52 Min. -10 Azufre (% en peso) Agua y Sedimentos (% en volumen) Cenizas ( % en peso ) 0.05 Máx Máx. Índice de Cetano 55.0 Poder Calorífico (Kcal/Kg) 10,483 Destilación ( C) TIE % destila a % destila a % destila a 330 TFE 350 Viscosidad Saybolt Universal (seg.)

15 Las reacciones de combustión en el caso del diesel se hacen más complejas que las del gas natural y la gasolina por la cantidad de hidrocarburos aromáticos que contiene, que constituyen el 25% del combustible. El combustible que no se quema representa el 4-8% del total y sale por la chimenea como hidrocarburos gaseosos que solo pueden cuantificarse con un cromatógrafo de gases o analizadores de gases de combustión equipados con sensores que los detecten. La emisión de humo y hollín al quemar diesel es importante y para disimularla se emplean excesos de aire que afectan en forma negativa la eficiencia térmica. En el diagrama se ilustra desde el punto de vista físico como se desarrolla la combustión del diesel.

16 COMBUSTIÓN DEL DIESEL DIESEL GOTAS EVAPORACIÓN VOLÁTILES COMBUSTIÓN VOLÁTILES GASES DE COMBUSTIÓN E HIDROCARBUROS HOLLÍN

17 La reacción química de la combustión del diesel produce una gran cantidad de compuestos. C 21 H S (O N 2 ) 19.9 CO CO C 4 H SO NO NO O N H 2 O C Las emisiones de esta reacción representativa de la combustión del diesel en una caldera se encuentran dentro de norma ya que el exceso de aire es del 30%, y la emisión de monóxido de carbono es de 85 ppm. En la reacción se estimo la cantidad de combustible no quemado equivalente al 5% y que sale a la atmósfera mezclado con los gases de combustión como hidrocarburos gaseosos

18 La fracción del combustible que no se quema es la de los hidrocarburos aromáticos debido a que estos compuestos requieren para quemarse bien, de una energía mayor de la que reciben en el horno o en la cámara de combustión. Los hidrocarburos gaseosos pasan desapercibidos porque se mezclan con los gases producto de la combustión y su existencia solo se confirma con con un cromatógrafo de gases o analizadores de gases de combustión equipados con sensores que los detecten. En la tabla mostrada a continuación se comparó la composición de los gases de combustión de la reacción estimando diferentes cantidades de combustible sin quemar y se puede observar que los analizadores de gases convencionales no detectan los hidrocarburos sin quemar. El porcentaje de dióxido de carbono reportado por los analizadores, es prácticamente igual y por lo tanto la eficiencia térmica es siempre la misma.

19 COMPOSICIÓN GASES DE COMBUSTIÓN CARACTERÍSTICAS DE LA REACCIÓN DEL DIESEL G A S E S D E C O M B U S T I Ó N EXCESO DE OXÍGENO % COMB. SIN QUEMAR % MOLES DE AIRE Kg AIRE POR Kg COMB. DIÓXIDO DE CARBONO % MONÓXIDO DE CARBONO ppm HIDRO CAR BUROS ppm DIÓXIDO DE AZUFRE ppm ÓXIDOS DE NITRÓGENO ppm , , , ,

20 COMBUSTIBLES INDUSTRIALES Los combustibles industriales se elaboran a partir del residuo de vacío de la destilación del petróleo, al que se le adicionan diferentes cantidades de diesel o gasóleos, para reducir la viscosidad y el contenido de azufre y se conocen como Fuel Oil, Bunker o Combustóleo El combustible industrial de mayor uso en México es el combustóleo que puede encontrarse como combustóleo pesado y ligero y está compuesto por cuatro fracciones de hidrocarburos: saturados, aromáticos, asfaltenos y resinas. La cantidad de combustible que no se quema bien representa el 5-12% del total y son las fracciones de los asfaltenos y resinas que salen por la chimenea como hidrocarburos gaseosos, que como ya se comentó, se cuantifican con una cromatografía de gases o con analizadores de gases de combustión equipados con sensores que los detecten. La emisión de contaminantes a la atmósfera al quemar combustóleo o combustibles industriales es considerable.

21 COMBUSTÓLEO El combustóleo es un aceite residual y por lo tanto es una mezcla muy compleja de hidrocarburos, identificándose entre ellos cuatro grandes fracciones: saturados, aromáticos, asfáltenos y resinas. La fracción saturada constituye aproximadamente el 30% del combustóleo y está compuesta principalmente de parafinas de cadena lineal pero también están presentes en menores concentraciones ciclo alcanos, olefinas y parafinas ramificadas. La fracción aromática constituye el 28% y contiene compuestos de uno y dos anillos bencénicos con ramificaciones saturadas lineales principalmente. Los asfáltenos representan el 13 % del combustóleo y son principalmente porfirinas y sistemas de anillos aromáticos poli nucleares condensados con cadenas alquílicas. Las resinas son compuestos que van de 250 a 500 unidades de masa o mayores.

22 ESPECIFICACIONES DEL COMBUSTÓLEO NOMBRE DE LA PROPIEDAD CARACTERÍSTICAS AGUA POR DESTILACIÓN (%) AGUA Y SEDIMENTO POR CENTRIFUGACIÓN (%) 0.55 AROMÁTICOS (% EN PESO) ASFÁLTENOS (% EN PESO) AZUFRE (% EN PESO) CALCIO (ppm) 19.2 CARBÓN CONRADSON (% EN PESO) CARBONO (% EN PESO) CENIZAS (% EN PESO) DENSIDAD 20/4 C (gr/ml) FIERRO (ppm) 7.7 GRAVEDAD ESPECÍFICA (API) HIDRÓGENO (% EN PESO) MAGNESIO (ppm) 4.3 NIQUEL (ppm) 13.3 NITRÓGENO (% EN PESO) PODER CALORÍFICO (Kcal/Kg) 10,130 POLAR POLI AROMÁTICOS (% EN PESO) SATURADOS (% EN PESO) SODIO (ppm) 30.6 TEMPERATURA DE INFLAMACIÓN ( C) 95 VANADIO (ppm) VISCOSIDAD 50 C (SSF) VISCOSIDAD 60 C (SSF) VISCOSIDAD 82.2 C (SSF)

23 Los asfáltenos y las resinas son las fracciones más difíciles de quemar y en conjunto contienen las dos terceras partes del total del azufre del combustóleo. La fracción asfalténica aporta la totalidad del vanadio y junto con las resinas el total de nitrógeno. Existe una estrecha relación entre el contenido de asfáltenos y el residuo carbonoso obtenido de la pirólisis del combustóleo y una relación igualmente estrecha guarda el contenido de asfáltenos y el carbón Conradson. Lo anterior quiere decir que a mayor contenido de asfáltenos se tiene una fuerte propensión a la formación de inquemados y residuo carbonoso.

24 FORMACIÓN DE RESIDUO CARBONOSO RESIDUO CARBONOSO EN LA PIRÓLISIS DEL COMBUSTÓLEO 60 RESIDUO (% EN PESO) CONTENIDO DE ASFÁLTENOS (% EN PESO)

25 Las reacciones de combustión en el caso del combustóleo, se hacen mucho más complejas por la gran variedad de compuestos de alto peso molecular que contiene. La cantidad de combustible que no se quema es del 5-12% y sale por la chimenea como hidrocarburos gaseosos que solo pueden cuantificarse con una cromatografía de gases o con analizadores de gases de combustión equipados con sensores que los detecten. La emisión de humos y partículas al quemar combustóleo es ostensible y para disimularla se emplean considerables excesos de aire, que como ya se comentó, afectan en forma negativa la eficiencia térmica. En el diagrama se ilustra desde el punto de vista físico como se desarrolla la combustión del combustóleo.

26 COMBUSTIÓN DEL COMBUSTÓLEO COMBUSTÓLEO GOTAS EVAPORACIÓN LÍQUIDO NO VOLÁTIL VOLÁTILES CRAQUEO VOLÁTILES RESIDUO CARBONOSO COMBUSTIÓN VOLÁTILES COMBUSTIÓN DEL RESIDUO COQUE CENIZAS GASES DE COMBUSTIÓN E HIDROCARBUROS HOLLÍN

27 La reacción química de la combustión del combustóleo produce una gran cantidad de compuestos. C45H S N (O N2 ) CO CO C4H SO SO NO NO O N H2O C Esta reacción típica de combustóleo en una caldera esta dentro de norma ya que el exceso de aire es del 30%, el monóxido de carbono son 100 ppm y la emisión de partículas es de 300 mg/m 3. La emisión de trióxido de azufre es de 15 ppm y los NO x 200 ppm. La cantidad de combustible que se estimó no se quema es del 5% y sale a la atmósfera mezclado con los gases de combustión como hidrocarburos gaseosos.

28 En ésta reacción la fracción del combustible que no se quema es la de los hidrocarburos de alto peso molecular, compuestos muy estables que requieren para quemarse de una energía mayor de la que reciben en el horno o en la cámara de combustión. Los hidrocarburos gaseosos pasan desapercibidos porque se mezclan con los gases producto de la combustión y su existencia solo se confirma con una cromatografía de gases o con analizadores de gases de combustión equipados con sensores que los detecten. En la tabla que sigue se comparó la composición de los gases de combustión de la reacción estimando diferentes cantidades de combustible sin quemar, y en ella se puede apreciar que los analizadores de gases convencionales no detectan los hidrocarburos. El porcentaje de dióxido de carbono reportado por los analizadores es prácticamente igual y por lo tanto la eficiencia térmica es siempre la misma.

29 COMPOSICIÓN GASES DE COMBUSTIÓN CARACTERÍSTICAS DE LA REACCIÓN DE COMBUSTÓLEO G A S E S D E C O M B U S T I Ó N EXCESO DE OXÍGENO % COMB. SIN QUEMAR % MOLES DE AIRE Kg AIRE POR Kg COMB. DIÓXIDO DE CARBONO % MONÓXIDO DE CARBONO ppm HIDRO CAR BUROS ppm ÓXIDOS DE AZUFRE ppm ÓXIDOS DE NITRÓGENO ppm , , ,600 1, ,381 2, ,377 2, ,628 2,

30 Problemática por el uso de Combustibles Industriales

31 La combustión del combustóleo y de los combustibles industriales en general, es muy complicada por la gran variedad de compuestos de alto peso molecular que contiene y por la viscosidad del mismo. Es necesario agregar diluyentes para reducir la viscosidad y atomizarlo, pero aún así la cantidad de combustible que no se quema y sale como inquemados es equivalente al 5-12 %. Los inquemados causan problemas de contaminación ambiental y son los principales responsables de los problemas de operación que limitan la disponibilidad de los equipos. Problemas de contaminación ambiental: Los hidrocarburos gaseosos sin quemar salen por la chimenea radicalizados y en la atmósfera son precursores del ozono. Las partículas salen como humo y producen compuestos tóxicos que afectan las vías respiratorias de los humanos.

32 La combustión de los combustibles industriales también causa contaminación por lluvia ácida provocada por la combustión del azufre. Problemas de operación: Una parte del dióxido de azufre formado en la combustión reacciona a trióxido por la acción del pentóxido de vanadio. El ácido sulfúrico formado con la humedad de los gases de combustión es el responsable de los problemas de corrosión. El pentóxido de vanadio formado al reaccionar el vanadio del combustóleo es el causante de la corrosión en caliente. Para elevar el punto de fusión del pentóxido de vanadio se utilizan aditivos, pero una mala calidad de los mismos ensucia los equipos. El carbón Conradson no se quema bien y produce un residuo carbonoso en forma de amalgama resinosa que se adhiere a los tubos de los equipos ensuciándolos. El residuo se acumula en forma progresiva dificultando la transferencia de calor.

33 Contaminación ambiental El equipo se ensucia y disminuye la eficiencia térmica

34 El proceso de ensuciamiento ocasiona paros extraordinarios para limpieza de equipo. Decremento de la Producción por ensuciamiento y por paros para limpieza de equipo. Producción Meses

35 Para disminuir la corrosión en caliente se usan aditivos que elevan el punto de fusión del pentóxido de vanadio. Una mala calidad de los aditivos ensucia los equipos.

36 Solución

37 La solución de los problemas ocasionados por una mala combustión son las Celdas Catalíticas Imporex. Las Celdas Catalíticas Imporex sirven para optimizar la combustión de todos los combustibles. Las Celdas Catalíticas Imporex proporcionan al combustible y al oxigeno del aire de combustión, una energía de activación que modifica los niveles energéticos de los enlaces haciéndolos más reactivos. Con las Celdas Catalíticas Imporex se queman bien todos los hidrocarburos y se elimina el desperdicio. La acción de las Celdas Catalíticas Imporex permite quemar el 99% del combustible y los hidrocarburos reaccionan con el oxígeno del aire para formar directamente dióxido de carbono y agua

38 La combustión del 99% del combustible elimina los inquemados y abate drásticamente los problemas de operación y contaminación causados por una mala combustión. La optimización de la combustión reduce de manera considerable e inmediata la emisión de humos, hidrocarburos gaseosos y partículas. La combustión del 99% del combustible elimina en el caso del diesel la formación de hollín y en el caso de los combustibles industriales los hidrocarburos de alto peso molecular, se queman sin formar residuo carbonoso. La eliminación del hollín y del residuo carbonoso mantiene los equipos limpios. La optimización de la combustión y la limpieza del equipo que incrementa la eficiencia térmica, disminuyen el consumo de combustible: en el caso del gas natural se reduce en promedio el 3 %, en el diesel el 4 % y en los combustibles industriales el 5 %.

39 Reducción de emisiones a la atmósfera Limpieza de equipo

40 Celdas Catalíticas Imporex para optimizar la combustión Las Celdas Catalíticas Imporex para activar el combustible son tubos que contienen en su interior diversos catalizadores de gran actividad química que al reaccionar entre si generan un campo magnético. El combustible al estar en contacto indirecto con el campo magnético recibe una energía de activación que modifica los niveles energéticos de los enlaces de los hidrocarburos. La activación del combustible provoca que la reacción con el oxígeno del aire de combustión, también activado, sea rápida y directa produciéndose bióxido de carbono y agua sin pasar por las etapas de formación de los productos intermedios. Las Celdas Catalíticas Imporex se instalan en la línea de llenado de los Tanques de almacenamiento de combustible.

41 Las Celdas Catalíticas Imporex para el combustible se instalan en la línea de alimentación de los tanques de día.

42 Las Celdas Catalíticas Imporex para el combustible se instalan en la línea de alimentación de los tanques de día.

43 El oxígeno del aire de combustión se activa con Celdas Catalíticas Imporex que se instalan en las entradas del aire de combustión.

44 El oxígeno del aire de combustión se activa con Celdas Catalíticas que se instalan en las entradas del aire de combustión.

45 El oxígeno del aire de combustión se activa con Celdas Catalíticas Imporex que se instalan en las entradas de aire de combustión de los quemadores.

46 Beneficios

47 BENEFICIOS DEL USO DE LAS CELDAS CATALÍTICAS IMPOREX DISMINUCIÓN EMISIONES A LA ATMÓSFERA AL QUEMAR BIEN EL COMBUSTIBLE DISMINUCIÓN CONSUMO DE COMBUSTIBLE LIMPIEZA DE EQUIPO DISMINUCIÓN DE MANTENIMIENTO MAYOR DISPONIBILIDAD DE EQUIPO