El gran avance tecnológico al que se enfrenta el mundo actual y en particular nuestro país, sobre todo por la posición tan privilegiada que ocupa en la producción de petróleo, hace cada día más imperiosa la necesidad de investigar y desarrollar nuevas tecnologías para la exploración, extracción, refinación petroquímica y cuidado del medio ambiente.
La característica que priva dentro de cualquier disciplina de la ciencia y la tecnología, consiste en que un determinado proceso en la industria petrolera es óptimo en tanto no se desarrolle otro mejor, y que día con día debemos de preocuparnos aún más por el deterioro de nuestro medio ambiente, lo cual obliga a que se tengan que investigar y desarrollar nuevas tecnologías de proceso que contribuyan a un ambiente limpio, saludable y menos contaminante.
De acuerdo con un estudio reciente, realizado por el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP), en los próximos 25 años México seguirá dependiendo de los hidrocarburos fósiles, por lo que la industria petrolera se mantendrá como la principal fuente de suministro de energía en nuestro país. La extracción total de petróleo crudo pasará de 3 a 4.1 millones de barriles por día (mbd) del año 2000 a 2025. La capacidad de refinación inducirá un crecimiento modesto en la producción de destilados intermedios (2.1 por ciento anual). La producción de combustóleo disminuirá de alrededor de 474 mbd en 2000 a 259 mbd en 2025.
La demanda de combustibles derivados de hidrocarburos crecerá a una tasa media anual de alrededor de 2 por ciento en los próximos 25 años. La del gas licuado registrará un crecimiento modesto de 2.3 por ciento, pues se prevé el reemplazo parcial de este combustible por el gas natural. Asimismo, la demanda de combustóleo por parte de ciertos sectores industriales, como el eléctrico, tenderá a ser sustituida por un combustible menos contaminante: el gas natural, el cual será utilizado con mayor frecuencia debido a ser menos contaminante y porque ayuda a disminuir las emisiones de gas invernadero (CO2). Se pronostica que la normativa ambiental será mucho más estricta que la actual.
Para 2025, se calcula que la población será de 127 millones de personas, lo cual obliga a que cada habitante tenga que consumir más energía obtenida del combustible fósil. El análisis del escenario de la Prospectiva de la Investigación y el Desarrollo Tecnológico del sector petrolero al año 2025, considera que el consumo total de energía realizado para un escenario restrictivo representará entre 75 a 87 por ciento del total consumido en el escenario optimista. El factor principal que genera el menor consumo de energía se atribuye fundamentalmente al desempeño que tendrían los sectores industrial y de transporte, toda vez que el residencial representará un margen menor de cambio en su consumo.
Por otro lado, será importante contar con un ambiente limpio y saludable. Los principales objetivos de la visión del medio ambiente al año 2025 para la industria petrolera son los siguientes:
a) Monitorear, caracterizar y analizar las emisiones y descargas de contaminantes al aire, agua y suelo.
b) Prevenir y controlar las emisiones y descargas de contaminantes al aire, agua y suelo.
c) Pronosticar, evaluar, remediar y mitigar daños en los ámbitos local, regional y global.
d) Evaluar y reformular combustibles.
e) Promover el uso eficiente de la energía.
f) Determinar y aplicar acciones para el desarrollo sustentable.
g) Establecer políticas, normas y regulaciones ambientales.
México se halla entre los 15 países más importantes en emisiones de gases invernadero. En 1990, contribuyó con 2 por ciento de las emisiones globales de CO2 al producir 4.1 toneladas por persona.
En el ejercicio de visión para la industria de la refinación a 2025, particularmente para el año 2005, se pretende que el mencionado sector pudiera empezar a tener la capacidad de procesar en sus plantas diversos tipos de crudo, entre ellos el pesado Maya. Esto provocará una producción en exceso de residuales de los procesos de fondo de barril, como el coque o los hidrocarburos líquidos, que requerirán de instalaciones especiales para su aplicación como combustibles. También será necesario encontrar soluciones para su manejo, subsistiendo opciones como la coquizadora, la reductora de viscosidad y la hidrodesintegración. Se suman a estos métodos la gasificación para generar un gas de síntesis.
El presente trabajo tiene como objetivo dar a conocer la tecnología de gasificación para la industria de refinación y la petroquímica, cuya viabilidad permitirá que en el futuro México cuente con plantas de gasificación, que obtendrán un gas de síntesis que pueda ser utilizado para la elaboración de productos petroquímicos, para la celda de combustible, para generación de energía eléctrica o bien, como combustible. Asimismo, la gasificación impulsará el uso de combustibles gaseosos, y evitará al mismo tiempo el deterioro de nuestro medio ambiente.
Escenario
En lo que se refiere a la demanda, producción e importación de gas natural en México, para los próximos 25 años (por sus características de no contaminar al medio ambiente) se espera que éste sea empleado de manera intensiva en la economía. En un escenario optimista, su demanda crecerá a una tasa anual de alrededor de 6 por ciento en los próximos 25 años, por lo que la demanda existente de 3.8 mpcd tenderá a duplicarse en los 10 años siguientes y multiplicarse por 4.7 al año 2025, llegando a una demanda total de 17,342 mpcd, que incluye la extracción gas asociado y no asociado de 4,766 y 3,100 mpcd respectivamente y de una importación de 11,128 mpcd.
De preservarse la tendencia en el consumo de gas natural en los sectores eléctrico e industrial, éstos demandarán 84 por ciento del total de gas consumido en nuestro país en 2025.
Por lo anterior, para satisfacer el nivel de demanda de gas se requerirá hacer importantes esfuerzos en exploración, fundamentalmente en la extracción de gas no asociado y la importación de gas natural podría ser subsanada mediante la incorporación de la tecnología de gasificación, para producir un gas sintético natural (Syngas) y así compensar el déficit de los 11,128 mpcd.
Descripción del proceso
La gasificación constituye el punto de partida para que esta tecnología compita y brinde la posibilidad de que la reutilización de los fondos de barril, el coque compita con el petróleo y el gas en usos energéticos y como materia prima para la industria petroquímica.
La gasificación consiste en un proceso de degradación del fondo de barril o del coque en forma directa que se transforma a combustibles gaseosos por reacción del vapor de agua, oxígeno, dióxido de carbono e hidrógeno. El producto de la gasificación es una mezcla de hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, metano e impurezas.
Características deseables del coque para llevar a cabo el proceso de gasificación:
Un coque con alto contenido de humedad afectará el rendimiento térmico del gasificador y si la humedad es alta, se deberá hacer un secado previo de éste.
El contenido de material volátil desempeña un papel muy importante en la zona de desvolatilización de un lecho móvil, ya que en ella se transforma en alquitranes, aceites y gases.
El alto porcentaje de cenizas no favorece la utilización del coque en este proceso, ya que afecta el rendimiento térmico del gasificador.
El contenido de azufre no es muy significativo. El azufre se transforma en ácido sulfhídrico, el cual se puede eliminar.
Agentes gasificantes
El agente gasificante empleado puede ser aire, oxígeno, vapor de agua o hidrógeno para obtener diferentes mezclas de gas de síntesis, que a su vez pueden tener diferentes usos. El propósito del vapor de agua es gastar todo lo que sea posible, la energía exotérmica de la reacción entre el mismo vapor y el oxígeno para abastecer la reacción endotérmica entre el carbón y el vapor.
Si en el proceso de gasificación se utiliza aire y vapor de agua, el gas obtenido es de bajo poder calorífico 5. MJ/m3 (150 BTU/ft3), compuesto principalmente de 50 por ciento de nitrógeno. Este gas puede mezclarse con gas natural para utilizarse como combustible o bien como un intermediario en la producción de formaldehído o amoniaco.
Utilizando oxígeno y vapor de agua, el gas obtenido tiene un poder calorífico medio 10.8–18.8 MJ/m3 (292–506 BTU/ft3) con un contenido de 3 por ciento de nitrógeno, combustible para diferentes sectores de consumo producción de electricidad mediante el ciclo combinado, pudiendo ser transportado por medio de gasoductos.
Si se utiliza hidrógeno y vapor de agua, el gas obtenido es de alto poder calorífico, con 6 por ciento de metano para producir el gas natural sustituto (Syngas), el cual se puede convertir en un gas de alto poder calorífico 32.6–37.6 MJ/m3 (876–1010 BTU/ft3), similar al gas natural, de acuerdo a las siguientes reacciones:
C + H2 – CO + H2 Gasificación (1)
CO + H2O – CO + H2 Reacción de sustitución de gas y agua controlada (2)
C + CO2 – 2CO Reacción de Boudouard (3)
A presiones muy altas, el hidrógeno de las reacciones (1) y (2), hidrogena parte del carbón formando metano.
C + 2H2 – CH4
CO + 3H2 – CH4 + H2O
El gas así producido se conocía originalmente como gas natural sintético y actualmente se le conoce como gas natural sustituto. El azufre y el dióxido de carbono deben eliminarse antes de llevar a cabo el proceso de metanación. La presión de operación en el gasificador, dependiendo del proceso, puede ser desde la atmosférica hasta más de 6.9 MPa (1000 lb/pulg2) y la temperatura puede variar desde 800 (1472) hasta 1650ºC (3002ºF). Una presión más alta y una temperatura más baja dan como resultado una mayor cantidad de metano.
Se muestran los diferentes gasificadores de acuerdo con el tipo de lecho, así como las ventajas y desventajas y la tecnología.
La composición química en volumen de los gases obtenidos de los tres procesos.
La gasificación es una de las tecnologías más eficientes e inocua al medio ambiente, que dentro de las acciones para lograr que se cuente con plantas de gasificación en nuestro país es concretando alianzas con licenciadores propios de esta tecnología, que también permitirá enormes posibilidades de mejora en el futuro. El gas natural sintético obtenido (Syngas), se purificaría y se obtendría hidrógeno que sería útil para la industria de petroquímica o bien para usarlo en la celda de combustible. Otro camino es el ciclo combinado con gasificación integrada (IGCC).
Ciclo combinado de gasificación integrada de carbón (IGCC)
El IGCC se basa en una tecnología del insumo, con un gasificador de carbón que se usa en lugar del comburente tradicional, el cual trabaja junto a la turbina de gas. El sistema resultante es la configuración de un ciclo combinado de gasificación integrada de alto rendimiento y bajos niveles de contaminación.
La investigación y los desarrollos tecnológicos más notables en el campo de la gasificación, se están concentrando en la limpieza de la mezcla de gases combustibles y en métodos de separación de gases. En el primer caso, la meta es llegar a tener emisiones contaminantes cercanas a cero, reduciendo simultáneamente los costos de capital del sistema de gasificación, se requiere hidrógeno puro para la celda de combustible o gas limpio para la conversión de gas sintético. En el segundo caso, una de las metas es desarrollar membranas capaces de separar oxígeno del aire para suministrarlo al gasificador. Esto traería una reducción notable en el costo, comparado con el de separación criogénica. Otro aspecto sería el desarrollo de membranas para separar el hidrógeno de la mezcla de gases combustibles, aunado a la tecnología de los hidratos de CO2 en la concentración de CO2 como un primer paso para su secuestro.
Con estos desarrollos, el Departamento de Energía de Estados Unidos prevé que para el año 2008 se cuente con unidades IGCC comerciales con eficiencias de más de 52 por ciento, emisiones contaminantes cercanas a cero y con la capacidad de concentrar el CO2 para su posible secuestro. El costo de estas unidades se espera que sea menor a 1,000 dólares por kilovatio instalado. Esto hará competitiva la tecnología IGCC con la del ciclo combinado con gas natural sintético.
Proyectos a escala
Los costos aproximados de proyectos a escala, para una planta de gasificación de carbón y para los casos en el que se puede tener una idea de la producción de Syngas, las características son las siguientes:
Para gasificar 5,000 toneladas por día de coque de petróleo, se requerirían 2 trenes para la producción del agente gasificante, 4 trenes de gasificación, 3 trenes de turbinas de gas y vapor, 5 trenes de calderas de recuperación de calor y un tren de purificación para el hidrógeno (figura 4).
Conclusiones
En el corto plazo, el sector petrolero deberá encontrar esquemas para aprovechar los fondos de barril, manteniendo el concepto de coquización, así como el excedente de coque dentro de las refinerías, seguido de la gasificación para producir el hidrógeno y la oxidación parcial de monóxido de carbono. Al mismo tiempo, la implantación de la tecnología del ciclo combinado con gasificación integrada (IGCC), evitará el deterioro del medio ambiente al contar con tecnología para reducir las emisiones contaminantes cercanas a cero y al separar, reciclar y secuestrar dióxido de carbono. Por el lado de la dependencia del exterior, esta tecnología subsanaría el estar sujetos a la compra de gas natural seco.
