Programa de Postgrado: Especialización en Industria Petroquímica Trabajo Final para optar al Certificado de Especialista en Industria Petroquímica Título del Trabajo: Estado del arte de las tecnologías GTL y su aplicabilidad en Bolivia Autor: Jorge A. Velasco Director: Ing. Miguel de Santiago Mesa Examinadora: Ing. Manuel Díaz Ing. Francisco Ghersini Dr. Alfredo Friedlander Ing. Andrzej Tolloczko Fecha: 10/12/2014
Contenido Resumen... 4 Parte 1: Aspectos importantes de la tecnología Gas to Liquids... 6 1.1. Introducción... 6 1.2. El gas natural y las tecnologías GTL... 6 1.3. La tecnología Gas to Liquids (GTL)... 7 1.4. Generación de Gas de Síntesis a partir de gas natural... 8 1.4.1. Materias Primas: Gas Natural... 8 1.4.2. Unidad de Generación de Gas de Síntesis: SGU... 9 1.4.2.1. Purificación de la Alimentación... 9 1.4.2.2. Pre-Reformado... 11 1.4.2.3. Reformado... 11 1.4.2.3.1. Steam reforming: SR... 13 1.4.2.3.2. Oxidación Parcial: POX... 13 1.4.2.3.3. Autothermal Reforming: ATR... 14 1.4.2.3.4. Rutas alternativas o en desarrollo... 14 1.4.3. Unidad de Separación de Aire: ASU... 15 1.5. Síntesis de Fischer-Tropsch... 16 1.5.1. Reactores y Tipos de procesos Fischer Tropsch... 16 1.5.2. Catalizadores Fischer-Tropsch... 18 1.5.2.1. Catalizadores Fischer-Tropsch basados en hierro... 19 1.5.2.2. Catalizadores Fischer-Tropsch basados en cobalto... 19 1.5.3. Distribución de Anderson-Schulz-Flory: ASF... 20 1.5.4. Selectividad en la Síntesis de Fischer-Tropsch y su relación con las condiciones de operación... 21 1.5.5. El Gas Loop en la síntesis de Fischer-Tropsch... 21 1.5.5.1. Configuraciones del Gas Loop... 22 1.5.5.2. Recuperación del crudo sintético... 23 1.5.5.2.1. Recuperación del crudo HTFT... 23 1.5.5.2.2. Recuperación del crudo LTFT... 24 1.6. Mejoramiento y Refinación de productos... 25 1.6.1. Diferencias entre Mejoramiento y Refinación... 25 1.6.2. Producción de químicos frente producción de combustibles... 26 1.6.3. Crudo de petróleo comparado con el crudo sintético... 27 1.6.4. Refinación de productos HTFT... 28 1.6.4.1. Hidrocarburos C 3... 28 1.6.4.2. Hidrocarburos C 4... 28 1.6.4.3. Hidrocarburos C 5... 29 1
1.6.4.4. Hidrocarburos C 6... 29 1.6.4.5. Hidrocarburos C 7... 29 1.6.4.6. Hidrocarburos C 8... 30 1.6.4.7. Hidrocarburos C 9 C 10... 30 1.6.4.8. Hidrocarburos C 11 C 22... 30 1.6.4.9. Hidrocarburos más pesados que C 22... 30 1.6.5. Refinación de productos LTFT... 31 1.6.5.1. Hidrocraqueo... 32 1.6.5.2. Hidrotratamiento... 34 1.6.5.3. Dewaxing/hidroisomerización... 35 1.6.6. Opciones de procesamiento de productos LTFT y HTFT para producir diesel... 35 1.6.6.1. Triángulo Densidad Cetano Rendimiento... 36 1.6.6.2. Selección de tecnología... 36 1.6.6.3 Refinación de crudo sintético HTFT a diesel... 37 1.6.6.4. Refinación de crudo sintético LTFT a diesel... 38 Parte 2: Información de plantas comerciales y licenciantes de tecnología... 42 2.1. Introducción... 42 2.2. Instalaciones de Shell: Bintulu y Pearl... 43 2.2.1. Bintulu GTL en Malasia... 43 2.2.1.1. Descripción breve de los procesos en la Planta Bintulu GTL... 43 2.2.1.1.1. Generación de gas de síntesis... 43 2.2.1.1.2. Síntesis de Fischer-Tropsch... 44 2.2.1.1.3. Refinación/mejoramiento de productos... 44 2.2.2. Pearl GTL en Qatar... 45 2.3. Instalaciones con tecnología Fischer-Tropsch de Sasol: Oryx y Escravos... 46 2.3.1. Oryx GTL en Qatar... 46 2.3.1.1. Descripción breve de los procesos en la Planta Oryx GTL... 47 2.3.1.1.1. Generación de gas de síntesis... 47 2.3.1.1.2. Síntesis de Fischer-Tropsch... 48 2.3.1.1.3. Refinación/mejoramiento de productos... 49 2.3.2. Escravos GTL en Nigeria... 50 2.4. Otros licenciantes de tecnologías... 50 2.4.1. Syntroleum Corporation... 50 2.4.2. ExxonMobil... 51 2.4.3. ConocoPhillips... 51 2.5. Proyectos GTL a pequeña escala... 51 2.5.1. Compact GTL... 51 2.5.2. Velocys (Oxford Catalysts Group PLC)... 52 2.6. Otras empresas en el ámbito GTL... 52 2
2.7. Nuevos Proyectos GTL... 53 Parte 3: Consideraciones económicas de la tecnología GTL: Caso Bolivia... 54 3.1. La industria de hidrocarburos en Bolivia... 54 3.2. Economía de los Proyectos GTL... 55 3.3. Costos de Inversión... 56 3.3.1. Factores importantes para la determinación de los costos de inversión... 57 3.3.2. Determinación de costos de inversión: Caso Bolivia... 58 3.4. Costos de Operación... 59 3.5. Análisis preliminar de rentabilidad... 61 3.5.1. Resultados del análisis preliminar de rentabilidad... 63 3.6. Consideraciones adicionales para una planta GTL en Bolivia... 65 3.6.1. Densidad mínima de especificación de diesel... 65 3.6.2. Posibilidad de blending de los productos GTL... 65 3.6.3. Posibilidad de integración con una refinería de crudo convencional... 66 3.6.4. Mercado apropiado para las Naftas... 66 3.6.5. Mercado apropiado para el GLP... 66 3.6.6. Agua y otros productos químicos... 67 3.6.7. Posibilidad de exportación de los productos GTL... 67 3.6.8. Disponibilidad de materia prima... 67 3.6.9. Eficiencia de carbón y eficiencia térmica... 68 Referencias... 70 3
Resumen Descripción del Estudio El gas natural desempeña roles muy importantes en nuestra sociedad moderna, tanto como fuente de energía y como materia prima para varios productos petroquímicos. La abundancia de gas natural convencional y no convencional, sumado a la subida en los precios del petróleo y sus derivados, se han convertido en un motor importante para la utilización y desarrollo de tecnologías para dar valor agregado al gas natural; una de estas, es la tecnología Gas to Liquids (GTL). Esta tecnología hace posible la producción de combustibles sintéticos (GLP, naftas, diesel, etc.) y/o compuestos químicos (olefinas, alcoholes, etc.) a partir de gas natural por medio de una serie de procesos químicos y físicos. Las plantas comerciales en Sudáfrica (utilizando carbón como materia prima, en lugar de gas natural) y la reciente puesta en marcha de grandes plantas GTL en Qatar (Oryx de 34000 bpd y Pearl de 140000 bpd de capacidad) demostraron la viabilidad técnica y económica de este tipo de proyectos. Actualmente, tras la experiencia obtenida por las empresas inversionistas, licenciantes de tecnología y contratistas, existen varios proyectos GTL tanto en construcción como en etapa de evaluación en diferentes países del mundo. La literatura relacionada con la tecnología GTL, así como la experiencia comercial, es moderadamente reciente. La descripción y conocimiento de variables importantes en cada una de las etapas de la tecnología GTL nos puede dar un panorama apropiado de la importancia y magnitud de este tipo de industria. El conocimiento del proceso puede hacer posible conocer e identificar las limitaciones de las tecnologías actuales en relación a la calidad y cantidad de los productos finales. Por otro lado, en el caso de Bolivia, la demanda local de diesel es insatisfecha y por lo tanto es necesario importar más del 50% del diesel que se consume en el país. Sin embargo, como en Bolivia el precio de los combustibles es bastante bajo (basado en un precio de crudo congelado ), la importación de diesel y posterior venta a precio local (subvención) genera al Estado pérdidas cuantiosas (alrededor de US$ 1000 millones por año). A partir de lo mencionado, el presente documento pretende proporcionar un panorama de la industria GTL y su potencial aplicación en Bolivia. De este modo, en la Parte 1, se realiza la descripción de los principales procesos involucrados en la tecnología GTL, haciendo especial énfasis en las condiciones de operación y características de los equipos y reactores y características de los productos GTL. La información y características de las plantas comerciales GTL y licenciantes de tecnología se muestran en la Parte 2. Finalmente, en la Parte 3, se describe brevemente la situación de la industria de hidrocarburos en Bolivia relacionada con la implementación de una planta GTL; asimismo, se calculan los costos de inversión y operación para una planta GTL en Bolivia y se realiza un análisis de sensibilidad tomado el tiempo de repago y el retorno de las inversiones como indicadores. También, se mencionan algunos aspectos importantes de la tecnología GTL relacionados con el ámbito boliviano. Acerca de los resultados De forma muy general, el proceso global GTL involucra tres etapas: generación de gas de síntesis (hidrógeno y monóxido de carbono), conversión del gas de síntesis a un crudo 4
sintético a través de la síntesis de Fischer-Tropsch, y finalmente el mejoramiento y/o refinación del crudo sintético a productos finales, los cuales son denominados ultralimpios. El tipo de procesos a ser aplicados dependen fuertemente del tipo de producto final deseado, y afecta principalmente a las etapas de la síntesis de Fischer-Tropsch y el mejoramiento/refinación del crudo sintético. Es así que, para una planta GTL enfocada a la producción de diesel, se utilizará el proceso Fischer-Tropsch a baja temperatura (LTFT) y un proceso de mejoramiento/refinación de crudo sintético basado en hidrocraqueo. Para la generación de gas de síntesis se pueden aplicar tecnologías basadas en: reformado autotérmico y/o oxidación parcial de gas natural. Una planta de este tipo sería capaz de producir alrededor de 75% (fracción en volumen) de diesel, un 20% de naftas, y un 3-5% de GLP. Esto es, una planta GTL de 17000 bpd de capacidad produciría alrededor de 13000 bpd de diesel, y una de 34000 bpd cerca de 26000 bpd de este combustible. A nivel mundial, los licenciantes de tecnología para procesos GTL son varios; sin embargo, la experiencia comercial destaca a la holandesa Shell (para las tres etapas del proceso GTL), y la sudafricana Sasol (para la síntesis de Fischer-Tropsch), esta última trabaja en forma conjunta con la danesa Haldor-Topsøe (generación de gas de síntesis) y con la estadounidense ChevronTexaco (mejoramiento/refinación). Los resultados de análisis económico en el caso Bolivia indican que el costo de inversión aproximado de una planta GTL en Bolivia de 17000 bpd de capacidad es de entre US$ 983 a 3762 millones, y de una planta de 34000 bpd de entre US$ 1755 a 6720 millones. Una planta de una capacidad moderada (p.ej. 34000 bpd) presenta una rentabilidad económica más favorable. Sin embargo, si los costos de inversión de una planta GTL son elevados, es necesario que los precios de venta de productos GTL (diesel, naftas, etc.) sean moderadamente altos; si para este costo de inversión alto, los precios de venta de los productos GTL son bajos (aprox. menor a 170 US$/bbl ó 7.4 Bs/litro), el proyecto parecería no tener un atractivo económico, aún si los precios de gas natural son bajos (p.ej. unos 2.0 US$/MMbtu). Por otro lado, costos de inversión bajos pueden soportar precios bajos de venta de productos GTL (incluso tan bajos como 86 US$/bbl ó 3.7 Bs/litro) siempre y cuando el precio de la materia prima sea también bajo (menor a 4.0 ó mejor a 3.0 US$/MMbtu). Con precios de producto suficientemente altos (mayores a 200 US$/bbl ó 8.7 Bs/litro) prácticamente todas las opciones evaluadas (respecto a costo de inversión y precio de materia prima) parecen ser económicamente atractivas. Otras consideraciones importantes acerca de la implementación de una planta GTL en Bolivia están relacionadas con: la densidad del diesel GTL (la cual es ligeramente menor a las especificaciones bolivianas), posibilidad de blending o mezcla de los combustibles GTL con combustibles provenientes de refinerías de petróleo, mercado apropiado para el GLP y naftas GTL, producción de agua y otros productos químicos en la planta GTL, posibilidad de exportación de los productos GTL para obtener un precio de venta mayor y hacer más rentable la planta, posibilidad de exportación de electricidad generada en la planta, disponibilidad de materias primas en Bolivia (una planta GTL de 34000 bpd requeriría la producción de 9.5 MMm3/día de gas natural y para 25 años cerca de 3.0 TCF de reservas de gas natural). 5