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Análisis del Consumo de Coque de Petróleo en Algunos Sectores Industriales Consumption Analysis of Petroleum Coke in Some Industrial Segments

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Resumen Se analiza el consumo de coque de petróleo y el aumento de su producción en los últimos años. El procesamiento de los petróleos pesados genera menos fracciones leves y más fracciones pesadas, desequilibrando la matriz energética. Para
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  Análisis del Consumo de Coque de Petróleo en Algunos Sectores Industriales Santos   Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 2 - 2008    93  Análisis del Consumo de Coque de Petróleo en Algunos Sectores Industriales Aldo R. Santos 1 y Rogério J. Silva 2 (1) Universidad Santa Cecília, Departamento de Química, 11045-100 Santos, SP-Brasil (e-mail: rsantos@unisanta.br) (2) Universidad Federal de Itajubá, Instituto de Ingeniaría Mecánica, 37500-000 Itajubá, MG-Brasil (e-mail: rogeriojs@unifei.edu.br) Resumen Se analiza el consumo de coque de petróleo y el aumento de su producción en los últimos años. El procesamiento de los petróleos pesados genera menos fracciones leves y más fracciones pesadas, desequilibrando la matriz energética. Para retornar el equilibrio, la industria petrolífera opta por aumentar el número de unidades de craqueamiento, que consumen las fracciones pesadas y producen fracciones más livianas, generando como residuo el coque. Los diversos usos del coque generan contaminantes cuya emisión es regulada en distinta forma en distintos países. Se concluye que, cualquiera que sea la ruta a seguir para la utilización del coque de petróleo, los consumidores deberán considerar los patrones de emisión de contaminantes, principalmente de dióxido de azufre. Palabras-clave: procesamiento de petróleo, coque de petróleo, sector industrial, contaminantes Consumption Analysis of Petroleum Coke in Some Industrial Segments Abstract Petroleum coke consumption and the increase of its production during the recent years are analyzed. The processing of heavy oils produces less light fractions and more heavy fractions, unbalancing the energetic matrix. To balance this, the petroleum industry usually raises the number of coking units, which consumes the heavy fractions and produces lighter fractions, generating coke as residue. The different forms of using coke generate pollutants that are regulated and controlled in different forms by different countries. It is concluded that, independent of the form in which petroleum coke is consumed, the users should consider the amount of pollutants emitted, mainly sulfur dioxide. Keywords: petroleum processing, petcoke, desulphurization, industrial sector, polluting      Información Tecnológica Vol. 19(2), 93-101 (2008)  Análisis del Consumo de Coque de Petróleo en Algunos Sectores Industriales Santos   Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 2 - 2008    94 INTRODUCCIÓN El coque de petróleo es un subproducto de la industria de refinación de petróleo, el cual tiene alto poder calorífico y bajo precio. Debido a las cantidades cada vez mayores de petróleos pesados procesados, la producción de coque ha ido en aumento. La alta disponibilidad del coque de petróleo tornó este residuo atractivo para el sector industrial, principalmente para el sector de generación de energía eléctrica (Wang et al., 2004). En la medida en que los petróleos son más pesados, sus densidades en grado API van disminuyendo y su contenido de contaminantes, principalmente los compuestos sulfurados, tienden a aumentar. Esta tendencia queda evidenciada en los datos presentados en la Fig. 1, que consta de un estudio hecho en el petróleo procesado, en los EUA de cerca de 14.8 millones de barriles/día; el cual actualmente, dos tercios son importados de varias partes del mundo (EIA, 2007a). Fig.1: Evolución del grado API (1) y contenido de azufre (2) de las cargas procesadas por las refinerías de los EUA. Debido a la necesidad de producción de las fracciones más ligeras del petróleo, como naftas, gasolina, queroseno y diesel; las refinerías de petróleo fueron adaptándose, procesando petróleo más pesado para atender al mercado consumidor de productos ligeros y medianos. Así, junto con el craqueamiento catalítico fluido, que convierte gasóleos en gases y gasolina, el coquizado retardado fue tomando forma y ganando cada vez más importancia en las refinerías (ANP, 2007). Como el coque de petróleo es uno de los productos srcinarios del fondo del barril en el sistema de procesamiento de petróleo, este derivado tiene mayor o menor contenido de azufre en función del tipo de petróleo el cual se srcina. Así se pueden tener coques con altos y bajos contenidos de azufre (Salvador et al., 2003; Barros et al., 2003). En este trabajo, se pretende mostrar que los petróleos ofertados en el mercado internacional actual son más pesados, y por lo tanto, presentan mayor contenido de contaminantes, producen menos fracciones ligeras y generan mas fracciones pesadas de consumo limitado. Para consumir esas fracciones pesadas y generar más fracciones ligeras, los refinadores optaran por instalar más unidades de craqueamiento, que atienden a esas dos necesidades, pero generan coque de petróleo, que concentra en si los contaminantes del petróleo, limitando su uso industrial. La industria hormigonera, debido las condiciones operacionales, surge como un consumidor de alto potencial.   TIPOS DE PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE COQUE DE PETRÓLEO Según Speight (2004), la producción de coque puede ser hecha por medio de tres procesos distintos: el coquizado retardado, el coquizado en lecho fluidizado y el coquizado en lecho fluidizado, con gasificación.  Análisis del Consumo de Coque de Petróleo en Algunos Sectores Industriales Santos   Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 2 - 2008    95El coque srcinado de las fracciones más pesadas del petróleo, concentra las impurezas más densas, como metales y compuestos sulfurosos; el contenido de esos componentes depende directamente de la calidad del petróleo procesado. Así, se pueden tener coques en el mercado internacional con contenidos de azufre que varíen entre de 4.0 a 7.5 % en masa (Salvador et al., 2003). Los tres procesos de producción de coque de petróleo presentan diferentes configuraciones operacionales y de proceso, los cuales interfieren en la composición final del coque (Speight, 2004). En la   Tabla 1 presenta la composición de los coques producidos por los tres procesos, utilizando carga tradicional de residuo de vacío, pero srcinadas de petróleos diferentes (Furimsky, 2000; Salvador et al., 2003; Garcia, 2002). La tabla solamente muestra la relación H/C, ligada a las condiciones del proceso, puesto que las cargas no tienen el mismo srcen . Tabla   1:   Composición típica comparativa entre los tres procesos de coquizado. Proceso de Producción de Coque Composición (% en masa) Retardado Lecho fluidizado Lecho fluido con gasificación C 87.9 86.3 94.9 H 3.51 2.2 0.3 H/C 0.47 0.31 0.04 N 1.61 2.4 1.1 S 7.5 6.9 2.8 O - 0.9 0 Cenizas 0.33 1.3 1.0 d (g/cm 3 ) 2.00 0.80 0.96 PRODUCCIÓN MUNDIAL DE COQUE DE PETRÓLEO La producción mundial de coque de petróleo alcanzó los 81 Mt (millones de toneladas) en 2001, 83 Mt en 2002 (Dynamis, 2004) y llegando a 89 Mt en 2005 (EIA, 2007b). Estados Unidos de América es el mayor productor de coque de petróleo, con casi el 66% de la producción mundial. Cerca de 57% de la producción americana viene de la costa del Golfo de México (Texas y Louisiana), cerca de 35 refinerías producen coque de petróleo en cantidades apreciables (más de 1000 t/día). La Tabla 2 muestra la producción mundial de coque, considerando la participación porcentual por región productora de coque de petróleo (Dynamis, 2004). Tabla 2: Producción mundial de coque de petróleo. Regiones productoras Participación (%) Norteamérica 69.5 Sudamérica 9.1 Europa 8.5 Asia 6.9 Ex-URSS 5.0 África 0.5 Oceanía 0.5 Entre los países exportadores de coque de petróleo según Energy Publishing (2007), en los meses de enero y febrero de 2007, los Estados Unidos exportarán 2628882 y 1919634 toneladas respectivamente, valores que corresponden al 93.28% y 91.7% del total de las exportaciones al nivel mundial; el segundo país colocado en el listado de exportadores fue China, con 132821 y 131597 tonelada, representando 4.71 y 6.28% en los mismos meses. PRECIO DEL COQUE DE PETRÓLEO Varios factores influencian el precio de mercado del coque de petróleo. Cuando el precio internacional del carbón aumenta, la demanda por coque de petróleo también aumenta. En la visión de los analistas, el alza del precio internacional del carbón generalmente es lo que más influencia el alza del precio del coque de petróleo.  Análisis del Consumo de Coque de Petróleo en Algunos Sectores Industriales Santos   Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 2 - 2008    96 La Fig. 2 presenta la evolución, en US$/millón de BTU, del costo del coque de petróleo en comparación del costo del gas natural y del gas sintético producido por la gasificación del coque de petróleo (GCPA, 2005). La Tabla 3 presenta una comparación de precios (relativa a marzo de 2007) entre los coques producidos en la región del Golfo de los EUA y los producidos en Venezuela. En esta tabla, se observa que el contenido de azufre interfiere más en los precios que el HGI (Índice de Trituración Hardgrove) y que este tiene una tendencia alza de los precios a excepción de los producidos Costa Oeste de los EUA (Energy Publishing, 2007). Fig.: 2 Evolución del precio del coque de petróleo (3), del gas natural (1) y del gas sintético derivado del coque de petróleo (2) (GCPA, 2005). Tabla 3: Precios del coque de petróleo en función del contenido de azufre y dureza HGI. Origen Azufre (%)HGI Precio (US$/t) Tendencia4 – 5 <50 60.00 a 65.00 Estable 6 35 a 4550.00 a 52.00 Crecer Estados Unidos (Región del Golfo) yVenezuela 6 50 a 7053.00 a 56.00 Crecer 3 45 a 5060.00 a 63.00 Estable Estados Unidos (Costa Oeste) 4 + 45 a 5057.00 a 61.00 Crecer Tabla 4: Comparación relativa entre los precios del carbón y del coque de petróleo. U$ 0,01/MM BTU Intervalo (años) Carbón Coque de petróleo ene 97 a dic 97 120 89 dic 97 a nov 98 120 75 nov 98 a oct 99 118 68 oct 99 a sep 00 110 58 sep 00 a ago 01 108 70 ago 01 a jul 02 120 70  jul 02 a jun 03 118 52  jun 03 a may 04 120 70 may 04 a abr 05 135 110 abr 05 a may 06 155 140 may 06 a feb 07 160 165 La Tabla 4 presenta una comparación relativa entre los precios de coque de petróleo y del carbón (Energy Publishing, 2007). Se aprecia que el precio del coque de petróleo siempre estuvo por debajo   012345671994199619982000200220042006 Año    U   S   $   /   M   M    B   T   U 123  Análisis del Consumo de Coque de Petróleo en Algunos Sectores Industriales Santos   Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 2 - 2008    97del precio del carbón; no obstante, a partir de julio de 2004, la tasa de crecimiento de los precios del coque de petróleo llevó a este a valores cada vez más próximos del precio del carbón. En julio de 2006 y enero de 2007 el precio del coque de petróleo superó el precio del carbón; por eso, la selección entre el uso de carbón o del coque de petróleo es técnica y no económica. Por otro lado, la cantidad de coque de petróleo que una refinería produce tiene poco o nada que ver con el mercado. De hecho, las refinerías no deciden producir más coque de petróleo cuando el mercado crece o el precio sube. La única razón para que la producción de coque de petróleo aumente es cuando mayores cantidades de fracciones pesadas de petróleo son convertidas en fracciones mas ligeras, como combustible de aviación, que generan más residuos. En contrapartida, si una refinería está produciendo más fracciones pesadas, como aceite combustible, el proceso produce menos coque de petróleo. COQUE VERDE DE PETRÓLEO (CVP) Y COQUE DE PETRÓLEO CALCINADO (CPC) El coque obtenido directamente del proceso de coquizado retardado, es llamado de coque verde, debido al mayor contenido de componentes volátiles. En otra unidad operacional, el coque verde es sometido a un proceso llamado de calcinación, formando el llamado coque calcinado, cuyo contenido de volátiles es bastante reducido. En el proceso de calcinación del coque verde, los calores sensible y latente de la materia volátil son aprovechados en una caldera recuperadora de calor, que genera vapor de agua a nivel de presión adecuado para la utilización en otras unidades en la propia empresa o para ser vendido a empresas próximas a la unidad de calcinación de coque verde. Así, la producción de vapor de agua puede ser considerada como un material de consumo, obtenido indirectamente, de la producción de coque de petróleo. La Tabla 5 presenta la composición comparativa entre el coque verde y el coque calcinado grado ánodo, producido en Brasil por PETROCOQUE en Cubatão, São Paulo, srcinado de una mezcla de petróleos con bajo contenido de azufre (Hammond et al. 2005 ) . En esta tabla se observa una gran diferencia entre el contenido de materia volátil en el coque verde y en el coque calcinado. También muestra que el HGI del coque calcinado es mucho menor que el HGI del coque verde. Como el HGI es inversamente proporcional a la viabilidad de pulverización del coque, se concluye que el coque verde presenta mejores condiciones de ser pulverizado que el coque calcinado, lo que indica que el coque verde es mucho más interesante para ser usado como combustible en relación al coque calcinado, pues se gasta menos energía para moler. El mercado global de coque calcinado es altamente competitivo, participando varios países como: Canadá, Argentina, Brasil, Reino Unido, Alemania, Noruega, España, Sudáfrica, India, Indonesia, Japón, China y Rusia (Ellis y Paul, 2000). Tabla 5: Composición comparativa entre el coque verde y calcinado grado ánodo. Especificación Coque verde Coque calcinado (grado ánodo) Materia volátil (%) 9.0 a 10.5 0.08 a 0.15 Humedad (%) 8.0 a 14 0.2 a 0.4 Cenizas (%) 0.09 a 0.14 0.10 a 0.18 Azufre (%) 0.70 a 0.85 0.70 a 0.78 Vanadio (ppm) 180 a 230 200 a 250 Níquel (ppm) 180 a 200 200 a 220 Silica (ppm) 40 a 80 20 a 60 Hierro (ppm) 80 a 120 60 a 100 Sodio (ppm) 70 a 90 50 a 100 Calcio (ppm) 20 a 40 20 a 40 HGI 70 a 80 20 a 40
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