Aproximadamente el 70% de la energía eléctrica

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1 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. Aproximadamente 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 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/cm 3 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 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 126 Instituto de Investigaciones Eléctricas

2 Boletín IIE, mayo-junio del 2001 Tabla 1. Análisis y propiedades fisicoquímicas de un combustóleo y del crudo Maya despuntado. Determinación Combustóleo Crudo Maya despuntado Poder calorífico bruto cal/g Poder calorífico neto cal/g Azufre % en peso Carbón conradson % peso Cenizas % peso Gravedad 60/60 o F Tensión 60 o C. Dinas/cm Carbono % peso Hidrógeno % peso Nitrógeno % peso Oxígeno % peso Viscosidad 50 o F Insolubles en NC 5 % peso Temperatura de inflamación p.m. O C Agua por destilación % vol Agua y sedimento % vol Tabla 2. Análisis químico cuantitativo de algunos metales en un combustóleo y en el crudo Maya despuntado. Elemento Combustóleo Crudo Maya despuntado Cantidad (PPM) Cantidad (PPM) Vanadio Níquel Sodio Fierro Cobre 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 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. 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: 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, NO x, SO 2 SO 3 ; al igual que las partículas suspendidas totales, tamaño, morfología y ph de las par- Instituto de Investigaciones Eléctricas 127

3 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. 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 determinaciones 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. 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. 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. 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. TEMPERATURA 60 C, 3.0 RPM COMBUSTOLEO TIPICO C RUDO MAYA DESPUNTADO 600 VISCOSIDAD [Cp ] TIEMPO DE ENVEJECIMIENTO [ DIAS] 128 Instituto de Investigaciones Eléctricas

4 Boletín IIE, mayo-junio del 2001 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 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 CORROSION [ mm/año ] :00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 TEMPERATURA 14:24 CORROSION 16:48 19:12 21:36 0:00 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 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. 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 1 6:48 19: TEMPERATURA DE METAL [ C] 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 Instituto de Investigaciones Eléctricas 129

5 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 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 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. Ingresó al IIE en 1980, fue coordinador de la especialidad de combustión ( ), 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 Actualmente es miembro del Sistema Nacional de Investigadores. jporcayo@iie.org.mx 130 Instituto de Investigaciones Eléctricas