Orimulsión: Producción y tecnología (página 2)

5. Características de la orimulsión®

La Orimulsión es un combustible Venezolano, único en el mundo de acuerdo a su naturaleza, ya que se compone en una base acuosa que suspende un hidrocarburo que no es un subproducto de refinación, además luce, se maneja y se quema como un combustible pesado y homogeneo, sin embargo, como ya se vio anteriormente, consiste de pequeñas gotas de bitumen suspendidas en agua. Por otra parte, las propiedades de la Orimulsión le permiten ser manejada de manera similar a cualquier combustible líquido, no obstante, es un combustible cuestionado por su contenido de azufre y metales, además deposita cantidades considerables, con respecto a otros combustibles, de cenizas en los equipos de combustión, causando problemas de mantenimiento a estos.

Tabla 3. Características físico-químicas de la Orimulsión® 400.

6. Almacenamiento y manejo

Las experiencias favorables de los últimos siete años en las instalaciones de almacenamiento en el Terminal de Orimulsión® Jose (Venezuela), así como las de los clientes en Canadá, Japón, el Reino Unido, Dinamarca, Italia y China, han arrojado pruebas concluyentes de que Orimulsión® mantiene su estabilidad durante largos períodos de tiempo.

La experiencia obtenida desde 1990 por usuarios finales de Orimulsión® en sus sistemas de manejo y distribución, ha confirmado que las propiedades reológicas de Orimulsión® no se ven afectadas cuando es procesada a través de bombas de tornillo o centrífugas de baja velocidad. Igualmente, se ha probado que la estabilidad del producto no se ve afectada, en gran medida, por accesorios en los sistemas de manejo, tales como válvulas, codos, conexiones en "t", reducciones y expansiones en las tuberías.

Transporte:

• Vía marítima:

En relación con el transporte oceánico de Orimulsión®, hasta diciembre del año 2000, más de treinta y tres millones de toneladas han sido embarcadas en tanqueros de doble casco y menores de 15 años de construcción, cumpliendo con la política de transporte de Bitor, a los mercados de Estados Unidos, Japón, Canadá, Dinamarca, Portugal, Reino Unido, China e Italia, y sus resultados han arrojado que Orimulsión® no se ve afectada por la duración ni por las condiciones climáticas durante la travesía, siempre y cuando no se excedan ciertos límites en las condiciones de temperatura y en su manejo. Dicho transporte se realiza por la inyección de Orimulsión®, desde la monoboya hasta los Tanqueros. La monoboya cuenta con tres (3) mangueras flotantes que van conectadas con el Tanquero, para el Proceso de carga de Orimulsión®. Cabe destacar que la monoboya no solamente sirve para cargar los tanqueros, sino como punto de amarre de los mismos.

Los tanqueros son embarcaciones de doble casco que cargan 250 mil toneladas de Orimulsión®. Las operaciones de atraque y zarpado se pueden efectuar en condiciones ambientales severas, requiriendo menos asistencia de Remolcadores.

• Vía oriductos:

Consiste en el traslado de Orimulsión® a través de un sistema de tuberías de 36 pulgadas. Es técnicamente sencillo y económico a otros medios de transporte. Este traslado es de 305 Km. desde Morichal hasta el Terminal de Almacenamiento de Jose (Edo. Anzoátegui)

Variables para el manejo de Orimulsión®: En resumen, es posible utilizar instalaciones convencionales para manejar la Orimulsión®, teniendo en cuenta las siguientes variables:

• Temperatura:

La Orimulsión® debe ser almacenada y transportada a temperaturas dentro de un rango de 10 – 40 °C. Por encima de los 80 °C el fluido se acerca a la llamada zona de inversión de fases, en el cual el surfactante presenta menor efectividad, por lo que las pequeñas gotas de bitumen comienzan a coalescer, incrementado su tamaño. Igualmente, a temperaturas inferiores a los 10 °C, la viscosidad del producto aumenta a valores inaceptables para su manejo.

• Tasas de corte:

La tasa de corte por sí sola no daña el combustible Orimulsión®, sin embargo, las bombas, válvulas y demás accesorios deberían ser diseñados a fin de evitar tasas de corte excesivas a través de pequeñas aberturas. Elevadas tasas de corte disminuyen el tamaño de las gotas de bitumen, incrementando su área superficial. Cuando la cantidad de surfactante no es suficiente para cubrir este incremento de superficie, la emulsión sufre una peligrosa desestabilización, lo cual, en casos extremos, podría originar la ruptura de la misma. Asimismo, se deben evitar bombas con capacidades superiores a los 1800 rpm, afin de prevenir la reducción en el tamaño de las gotas y la ruptura de la emulsión.

• Caída de presión:

Al igual que con las tasas de corte, las caídas de presión a través de válvulas y accesorios similares deberían ser tales que no causen esfuerzos de corte excesivos en Orimulsión®. Se deben evitar abruptas caídas de presión, superiores a los 100 psi, con la finalidad de prevenir una disminución en el tamaño de gotas y la desestabilización de la Orimulsión®. Esto es extremadamente importante a través de válvulas, filtros o cambios en el diámetro de la tubería.

• Compatibilidad con otros combustibles:

La Orimulsión® no debe ser mezclada con otros combustibles líquidos de hidrocarburos en concentraciones mayores de 1%.

7. Aspectos Ambientales

La Orimulsión® es el combustibles de PDVSA para la generación de electricidad y otros usos industriales, se compara favorablemente con diversos combustibles fósiles en cuanto a su impacto ambiental, las plantas que emplean Orimulsión® cumplen con todos los requisitos de salud, seguridad y protección del medio ambiente en los países donde se encuentran. Es importante destacar además los siguientes aspectos:

• Salud:

Es improbable que la Orimulsión® cause daños a la piel como resultado contacto breve u ocasional, pero puede causar dermatitis si el contacto es repetido o prolongado, Es improbable que cause daños por inhalación a temperatura ambiente, pero los gases o vapores del combustible caliente puede causar irritación a la nariz y garganta.

• Seguridad:

La Orimulsión® es transportada y almacenada a temperatura ambiente, este combustible es no inflamable a temperatura ambiente.

• Toxicidad:

Se han realizado pruebas de toxicidad para evaluar los impactos ambientales que tendría un eventual derrame de Orimulsión®, se realizaron pruebas específicas tomando en consideración las especies marinas de los diversos mercados a los que se suministra Orimulsión® se comprobó que este combustible es similar o menos tóxico que el combustible pesado.

• Comportamiento de los derrames:

La Orimulsión® es despachada a bordo de tanqueros de doble casco. Se han realizado pruebas para contener y recuperar derrames de Orimulsión® tanto en el ámbito de terminal como en mar abierto, y se han elaborado planes de contingencia para manejar la posibilidad de un derrame, una de las técnicas que ha sido evaluada con éxito es el uso de una barrera flotante con una falda de nylon que se extiende unos 2 o 3 metro debajo de la superficie de un plano vertical, permitiendo recuperar el bitumen mediante el uso de bombas sumergibles. Además de lo antes discutido, La Orimulsión® 400 es más amigable con el ambiente que las formulaciones anteriores, no solo gracias al nuevo paquete de surfactantes, sino también a los niveles de emisiones que produce. La experiencia de la quema de la nueva formulación en la planta SK Power, ubicada en Asnaes Dinamarca, reporta una reducción de 10 al 15% en las emisiones de NOx, de 20 a 30% de CO y de 50 a 60% en los particulados. Minimiza la generación de compuestos contaminantes como los óxidos de nitrógeno y azufre. El contenido de níquel, compuesto considerado carcinógeno en la comunidad Económica Europea y sujeto a restricciones, detectado durante un estudio patrocinado por SK Power, es un 90% menor que el medido con la formulación anterior. Esto permite afirmar, sin lugar a dudas, que la Orimulsión® 400 es un combustible para generación de electricidad con un desempeño superior en las áreas de impacto ambiental.

8. Aplicaciones

La Orimulsión® puede ser quemada directamente en calderas comerciales convencionales, sin necesidad de modificaciones mayores de las mismas. El desempeño de Orimulsión® en estas calderas satisface plenamente las expectativas de los clientes, tanto desde el punto de vista de rendimiento, como de las emisiones y costos de producción de la electricidad. Esto ha quedado demostrado por los resultados obtenidos, entre otros, en Japón (plantas de Kashima Kita, 1991;Kansai Electric, 1992 y Mitsubishi Kansei, 1992) con capacidad combinada de 350 MW, en Canadá (planta de New Brunswick Power de 310 MW, en Dalhousie, NB, 1994) y Dinamarca (planta de SK Power de 700 MW, 1995), donde se ha estado produciendo electricidad por varios años en forma confiable, en mercados muy competidos y de regulaciones ambientales estrictas. Además de la combustión en calderas convencionales utilizadas en la generación de electricidad y plantas de cemento, la Orimulsión® tiene aplicación como combustible de requemado, en motores de Diesel y en procesos de gasificación en ciclo combinado. Estas aplicaciones reafirman la versatilidad de este combustible y su potencial como alternativa energética mundial. La Orimulsión® fue utilizada comercialmente para esta aplicación en una caldera de 80 MW en la planta de Hennepin, Estado de Illinois, EE. UU. Esta caldera utiliza como combustible principal carbón. En la demostración se obtuvieron reducciones de Nox del orden de 65% comparables a las obtenidas en la misma planta, usando gas natural como combustible de requemado.

Puntualizando, las aplicaciones de Orimulsión® , se dice que puede ser empleada para las siguientes aplicaciones:

• En plantas eléctricas convencionales (turbinas de vapor).
• En motores Diesel para la generación de electricidad.
• En plantas de cemento.
• Para alimentar sistemas de gasificación en ciclo combinado.
• Como combustible para requemado (reburning).

Ventajas

• Este combustible puede ser vendido por Venezuela fuera de la cuota de producción de la OPEP y su exportación tiene una alta incidencia al fisco nacional.
• Se tiene grandes reservas probadas de bitumen natural en la Faja Petrolífera del Orinoco.
• Es un combustible líquido que puede ser almacenado y transportado fácilmente.
• Permite explotar de una manera más rentable que el fraccionamiento común, los hidrocarburos pesados y extrapesados encontrados en Venezuela.
• Contiene un valor calorífico muy comparable al carbón fósil.
• Es económico.
• Es poco contaminante.
• Venezuela es el único país en el mundo que produce Orimulsión®.

9. Comercialización

Mercado Actual Actualmente, Orimulsión® es ampliamente comercializada en tres continentes. Para responder y satisfacer las necesidades de los clientes, PDVSA – BITOR tiene su sede principal en Caracas, Venezuela, que atiende el mercado de China, Corea, Filipinas y Latinoamérica. Asimismo, tiene subsidiarias en Norteamérica (BITOR AMERICA CORPORATION), Europa (BITOR EUROPE LIMITED), (BITOR ITALIA S.R.L.) y Asia (MC BITOR LIMITED), a fin de cubrir las exigencias del mercado y de nuestros clientes. Bitor America Corporation es una filial totalmente propiedad de BITOR, registrada en los Estados Unidos, cuya sede funciona en Boca Ratón, Florida. Es la responsable del mercado de Orimulsión® en los Estados Unidos, Canadá y Puerto Rico. Bitor Europe Limited, con oficina en Londres, es una compañía registrada en el Reino Unido, cuyo objetivo es la comercialización de Orimulsión® en los países de Europa y el norte de África. MC Bitor Limited, tiene a su cargo el desarrollo de los convenios comerciales en el Lejano Oriente, con responsabilidad sobre los mercados de Asia y Oceanía. Es una empresa mixta entre Mitsubishi Corporation y BITOR, en la que cada socio tiene un 50% de participación accionaria. Sus oficinas están en Tokio. Plantas de energía eléctricas que operan con Orimulsión®. Los clientes básicos que han tenido una mayor trayectoria con el uso de la Orimulsión® lo constituyen Japón, Canadá y Dinamarca. Estos clientes han servido de base y referencia para que Venezuela haya podido comercializar la Orimulsión®, ya que han obtenido resultados satisfactorios.

Actualmente se puede sumar a este grupo de países Italia, ya que es uno de los clientes que ha quemado más la Orimulsión® que cualquier otro cliente, pero aun no tiene una trayectoria significativa, debido a que solo tiene dos años en el mercado de la Orimulsión®. A continuación se explican en forma breve las características que presentan las plantas en Japón, Canadá y Dinamarca.

• Kashima, kita. Japón.
• Conversión unidades: 125 y 95 MW.
• Posee control de emisiones de azufre.
• Utilizan Orimulsión® desde el año 1.991.
• Reemplazado Fuel Oil / residuos de refinería.
• Cumplimiento de estrictas normas ambientales.
• Recuperación de metales de las cenizas.
• Es un ejemplo de combustión eficiente y limpia de Orimulsión®
• Dalhousie, Canadá.
• Conversión unidades: 215 y 100 MW.
• Posee control de emisiones de azufre.
• Usando Orimulsión® a plena capacidad desde 1994.
• Cumplimiento con estrictas normas ambientales.
• Comunidad satisfecha por mejora de calidad del ambiente
• Asnaes, dinamarca.
• Proceso de control de emisiones de azufre instalado en 1993.
• La planta puede usar carbón y combustibles líquidos.
• Se emplea Orimulsión® desde 1995 en unidad de 650 MW.
• Una de las plantas eléctricas más eficientes de Europa.
• Cumple con la normas ambientales más estrictas en Europa
• Es un ejemplo de combustión eficiente y limpia de Orimulsión®.
• La Orimulsión® ha permitido:

1. Reducir en 15% las emisiones de dióxido de Carbono en comparación con el Carbón.
2. Reducir producción de Cenizas en comparación con el Carbón.

Cartera actual de proyectos.

• Korea Electric Power Corporation (KEPCO) ,Corea del Sur:

Se está desarrollando un proyecto para convertir la Planta de Young Nam (2 x 200 MegaWatios) actualmente operando a muy baja carga. Se estima que la planta comenzará a utilizar Orimulsión® en el año 2003.

• Energi E2:

Contrato para el suministro de hasta 1,3 millones toneladas/año a la planta eléctrica de Asnaes (650 MW).

• Conoco Power, Brasil:

Se está estructurando el proyecto para utilizar Orimulsión® en la planta de Santa Cruz (2 x 100 + 1×200 MegaWatios), la cual está en proceso de licitación con FURNAS, empresa eléctrica estatal brasileña.

• New Brunswick, Canadá:

Se están negociando los términos para la conversión de la Planta Coleson Cove (3 x 330 MegaWatios) de Fuel Oil a Orimulsión®, comenzando a utilizar de 1,6 a 2,4 millones de toneladas por año a partir del 2004. Esta sería la segunda planta de Orimulsión® en territorio canadiense.

Contrato por 20 años para suministrar hasta 800 mil toneladas/año a la Planta eléctrica en Dalhousie (315 MW).

• North Ireland Generation (NIGEN), Irlanda del Norte.

Se esta desarrollando un proyecto para convertir la Planta de Kilroot (2 x 300 MegaWatios) que actualmente utiliza carbón y fuel oil como combustibles. Se estima que la planta comenzará a quemar Orimulsión en el año 2003.

• Lithuania State Power System, Lituania:

Contrato por 17 años para suministrar hasta 500 mil toneladas/ año a la Planta Eléctrica Elektrenai (150 MW).

• Kashima Kita Electric Power Corporation, Japón:

Contrato para suministrar 500 mil toneladas/ año a la Planta de Energía de Kashima (220 MW).

• China National United Oil Corporation, República Popular de China:

Contrato para la entrega de hasta 1,5 millones de toneladas a partir del año 2001 y por un período de tres años, a plantas eléctricas y sector industrial de China, para pruebas a escala comercial.

• Kansai Electric Power, Japón:

Contrato para suministrar 80 mil toneladas al año a la Planta de Energía de Osaka (150 MW).

• Hokkaido Electric Power Company, Japón:

Contrato para suministrar 100 mil toneladas anuales a la Planta de Energía de Shiriuchi (100 MW).

• Arawak Cement Company Ltd., Barbados:

Contrato por 10 años para entrega de 40 mil toneladas anuales de Orimulsión®, a la planta de Cementos Arawak, Barbados.

• Enel, Italia:

Contrato por 3 millones de toneladas para el suministro de Orimulsión® a las plantas eléctricas en Brindisi (2 unidades de 660 MW c/u), Fiume Santo (2 unidades de 320 MW c/u) y San Filippo (2 unidades de 640 MW c/u).

10. Nuevos Desarrollos

Desde el punto de vista técnico, la principal característica de la Orimulsión®, que le impide ser considerada un combustible premium, es su contenido de azufre y de metales (3% y 413 ppm, respectivamente). Para vencer este obstáculo, se tienen dos enfoques:

1. diseñar un equipo de combustión que permita la quema del combustible

2. y el control de las emisiones de una manera económica y

3. conceptualizar un proceso de remoción de azufre y metales para el bitumen.

El primer enfoque involucra la utilización de nuevas tecnologías o procesos de combustión, donde la Orimulsión® es quemada directamente en la cámara de combustión de una turbina de generación eléctrica. La utilización directa de combustibles líquidos de alto azufre y metales es un reto técnico que tienen los fabricantes de turbinas, cuya solución tiene dividendos económicos considerables. Las limitaciones técnicas están asociadas a la corrosión de los álabes asociada a la presencia de ciertos metales en el combustible (sodio, potasio, vanadio, níquel). El Sodio y el Potasio forman compuestos sumamente corrosivos solos y combinados con Azufre (sulfatos de Na y K). Afortunadamente, ambos metales están solo mezclados con los combustibles líquidos residuales y pueden ser extraídos por simple lavado con agua, resolviendo así el problema a un costo moderado. Este no es el caso del vanadio (V) y el níquel (Ni), los cuales están asociados a moléculas del combustible, por lo cual no se pueden extraer con facilidad del mismo.

Bajo condiciones típicas de combustión en turbinas, el V y Ni forman preferentemente sus óxidos de alta valencia V2O5 y NiO. El primero es agente corrosivo de los materiales de turbinas (y calderas), exhibiendo además temperatura de fusión de 672°C, temperatura muy por debajo de la típica en álabes de turbinas. Una solución a este problema sería bajar la temperatura de operación de la turbina, lo cual desmejora la eficiencia y no es fácil de implementar. Otra alternativa es subir el punto de fusión de las cenizas. Esto se logra añadiendo magnesio al combustible en proporción adecuada. El magnesio forma un compuesto con el vanadio, el 3MgOV2O5 (ortovanadato de magnesio), que tiene punto de fusión de 1.190°C. Algunos fabricantes de turbinas ofrecen al mercado sus turbinas de gas, indicando que pueden manejar combustibles líquidos con un contenido limitado de metales. La clave de este desarrollo consiste en que dichas turbinas poseen una precamara donde ocurre la combustión del líquido, donde además se consigue enfriar los gases ligeramente por debajo de 1.050°C, antes de entrar a los álabes de la turbina. Esto requiere también adicionar suficiente magnesio para formar el ortovanadato de magnesio, que tiene una temperatura de descomposición de alrededor 1.050°C, además de lavados periódicos de los álabes de la turbina, con el propósito de reducir los depósitos de cenizas sobre los mismos. Esta solución tecnológica, sin embargo, requiere un mayor desarrollo que permita la utilización directa para generación eléctrica.

El segundo enfoque, sin duda, representa un reto tecnológico mayor pero, a su vez, tiene una mayor significancia, ya que permitiría una mayor valorización de la Orimulsión® como combustible para la generación de electricidad e involucraría una menor inversión de capital para sus usuarios, al permitir la combustión directa de Orimulsión® sin requerir equipos especiales para su combustión (e.j.: turbinas que manejen combustibles con un alto contenido de metales) o control de sus emisiones (e.j.: desulfurizadores de gases de combustión y precipitadores electrostáticos).

En este sentido, los esfuerzos realizados en Intevep están orientados a lograr una reducción en el contenido de azufre (principalmente) y metales (parcialmente) en el bitumen, con el objeto de manufacturar el combustible emulsionado. Dado que la mayor inversión está asociada a los equipos de reducción de emisiones de óxidos de azufre, las propuestas bajo conceptualización y evaluación involucran la reducción de azufre vía química catalítica o biológica.

La reducción de azufre vía química catalítica representa un reto no sólo desde el punto de vista de factibilidad económica, sino que también debe realizarse manteniendo las características innatas del bitumen que permiten la formación de la emulsión utilizando los surfactantes naturales presentes en el mismo. Para materializar este objetivo, es necesario identificar y conceptualizar un proceso que utilice catalizadores capaces de remover el azufre sin perder su actividad debido a los metales presentes en el bitumen y sin afectar los compuestos químicos con actividad interfacial, que facilitan el proceso de emulsificación y le confieren una mayor estabilidad dinámica al producto. A la fecha, se ha logrado identificar la fracción del bitumen que contribuye mayoritariamente al proceso de emulsificación y un catalizador que se espera produzca una reducción en el contenido de azufre atractiva con una vida útil que no afecte negativamente la rentabilidad del proceso.

La biodesulfurización del bitumen ha sido objeto de estudio durante los últimos años, resultando en la identificación de cepas capaces de metabolizar los compuestos azufrados del bitumen y su posterior separación como sulfatos o sulfuro de hidrógeno. El mayor reto tecnológico de esta alternativa lo constituye el escalamiento rentable del proceso a escala comercial. El diseño de un proceso utilizando biorreactores, cuya controlabilidad y estabilidad, desde el punto de vista operacional, es la clave de la implantación comercial, es un área que requiere mayor profundidad de estudio. Adicionalmente, el nivel de remoción de azufre que puedan alcanzar los bioorganismos debe ser lo suficientemente alto para que permita una valorización de la nueva formulación que compense las inversiones de capital y costos de operación adicionales requeridos para su incorporación dentro del esquema de producción de Orimulsión®.

En la actualidad, se ha logrado disminuir el contenido de azufre en la Orimulsión® hasta el 1% en estudios de laboratorio, sin embargo, no se ha fomentado a nivel industrial debido al requerimiento de una alta inversión para una planta desulfuradora, y además no se han realizado estudios económicos estrictos al respecto.

Finalmente los nuevos desarrollos deben considerar las crecientes restricciones impuestas a nivel mundial sobre surfactantes químicos empleados para la manufactura de la Orimulsión®. La creación de la Orimulsión® 400 está asociada al impacto ambiental del surfactante previamente utilizado, el Itan 100 constituido por nonilfenol etoxilado, el cual fue prohibido en Europa debido a las mutaciones producidas a microorganismos. No se descarta que en un futuro los alcoholes etoxilados presentes en la actual formulación de Orimulsión®, sean objeto de nuevas restricciones, y por esta razón, los esfuerzos de investigación y desarrollos en PDVSA-INTEVEP están enfocados a la utilización de compuestos químicos más amigables con el ambiente, considerando su impacto económico y las propiedades de estabilidad que puedan proporcionar a la emulsión. En la actualidad se están estudiando paquetes de surfactantes a base de azucares los cuales, obviamente, serían muy amigables al ambiente.

11. Bibliografía

1. Colmenares, Tulio, Rivas Hercilio. (1999). Orimulsión®: nuevas generaciones y perspectivas futuras, Visión Tecnológica.
2. Dalas, Carlos, Núñez, Gustavo, Rivas Hercilio. (1993). Emulsiones de Viscosidad Controlada. Visión Tecnológica.
3. Brito, L. , Cárdenas, A. , Gutiérrez, S. , Morales, A. , Rivas, H. Estabilidad de Emulsiones en Agua, Parte I. Visión Tecnológica.
4. Cárdenas, A. , Gutiérrez, S. , Pazos, D. , Rossi, S. , Rivas, H. Estabilidad de Emulsiones en Agua, Parte II Y III. Visión Tecnológica.
5. Carías, Carmen, Jiménez, Mirtha. (1999). Método Novedosos, Rápido y Confiable para la Determinación de Elementos Contaminantes en Orimulsión® Por FRX. Visión Tecnológica.

Autor:

Raúl Santana G.