El coque de petróleo , abreviado coque o coque de petróleo , es una final de carbono ricos en material sólido que se deriva de la refinación de petróleo , y es un tipo de grupo de combustibles referidos como coques . El coque de petróleo es el coque que, en particular, se deriva de un proceso de craqueo final, un proceso de ingeniería química de base térmica que divide los hidrocarburos de petróleo de cadena larga en cadenas más cortas, que tiene lugar en unidades denominadas unidades de coquización . [1] (Otros tipos de coque se derivan del carbón.) Dicho de manera sucinta, el coque es el "producto de carbonización de las fracciones de hidrocarburos de alto punto de ebullición obtenidas en el procesamiento del petróleo (residuos pesados)". [1] El coque de petróleo también se produce en la producción de petróleo crudo sintético (sincrude) a partir de betún extraído de las arenas bituminosas de Canadá y de las arenas bituminosas del Orinoco de Venezuela . [2] [3]
En las unidades de coquización de petróleo, los aceites residuales de otros procesos de destilación utilizados en la refinación de petróleo se tratan a alta temperatura y presión dejando el coque de petróleo después de expulsar los gases y volátiles y separar los aceites ligeros y pesados restantes. Estos procesos se denominan "procesos de coquización" y, más típicamente, emplean operaciones de plantas de ingeniería química para el proceso específico de coquización retardada .
Este coque puede ser de grado combustible (alto contenido de azufre y metales) o grado de ánodo (bajo contenido de azufre y metales). El coque crudo que sale directamente del coquizador a menudo se denomina coque verde . [1] En este contexto, "verde" significa sin procesar. El procesamiento posterior del coque verde mediante la calcinación en un horno rotatorio elimina los hidrocarburos volátiles residuales del coque. El coque de petróleo calcinado se puede procesar adicionalmente en un horno de cocción de ánodo para producir coque de ánodo de la forma y propiedades físicas deseadas. Los ánodos se utilizan principalmente en la industria del aluminio y el acero .
El coque de petróleo tiene más del 80% de carbono y emite entre un 5% y un 10% más de dióxido de carbono (CO 2 ) que el carbón por unidad de energía cuando se quema. Como el coque de petróleo tiene un mayor contenido energético, el coque de petróleo emite entre un 30 y un 80 por ciento más de CO 2 que el carbón por unidad de peso. [3] La diferencia entre el carbón y el coque en la producción de CO 2 por unidad de energía producida depende de la humedad del carbón, que aumenta el CO 2 por unidad de energía ( calor de combustión ) y de los hidrocarburos volátiles en el carbón y el coque. que disminuyen el CO 2 por unidad de energía.
Tipos
Hay al menos cuatro tipos básicos de coque de petróleo, a saber, coque de aguja, coque de panal, coque de esponja y coque de granalla. Los diferentes tipos de coque de petróleo tienen diferentes microestructuras debido a las diferencias en las variables operativas y la naturaleza de la materia prima. También se observarán diferencias significativas en las propiedades de los diferentes tipos de coque, en particular en el contenido de cenizas y materias volátiles. [4]
El coque de aguja, también llamado coque acicular, es un coque de petróleo altamente cristalino que se utiliza en la producción de electrodos para las industrias del acero y el aluminio y es particularmente valioso porque los electrodos deben reemplazarse con regularidad. El coque de agujas se produce exclusivamente a partir de aceite de decantación de craqueo catalítico fluido (FCC) o brea de alquitrán de hulla.
El coque de panal es un coque intermedio, con poros elipsoidales distribuidos uniformemente. En comparación con el coque de aguja, el coque de panal tiene un coeficiente de expansión térmica más bajo y una conductividad eléctrica más baja. [4]
Composición
El coque de petróleo, alterado mediante el proceso de calcinación que se calienta o refina, elimina gran parte del componente del recurso. Por lo general, el coque de petróleo cuando se refina no libera los metales pesados como volátiles o emisiones. [5]
Dependiendo de la materia prima de petróleo utilizada, la composición del coque de petróleo puede variar, pero lo principal es que es principalmente carbono. [5] El coque de petróleo está compuesto principalmente de carbono, cuando en forma pura el coque de petróleo puede pesar entre un 98 y un 99%, lo que crea un compuesto a base de carbón con el hidrógeno que lo rellena. En forma cruda, el hidrógeno puede tener un rango de peso del 3,0 al 4,0%. [5] El coque de petróleo en su nitrógeno crudo (coque verde) al 0,1- 0,5% y el azufre al 0,2-6,0% se convierten en emisiones después de la calcinación del coque. [5]
Componente | Coque crudo (verde) |
---|---|
Carbono (% en peso) | 80-95 |
Hidrógeno (% en peso) | 3.0-4.5 |
Nitrógeno (% en peso) | 0,1-0,5 |
Azufre (% en peso) | 0,2-6,0 |
Materia volátil (% en peso) | 5.0-15 |
Humedad (% en peso) | 0.5-10 |
Ceniza (% en peso) | 0,1-1,0 |
Densidad (% en peso) | 1.2- 1.6 |
Metales pesados (ppm. Peso) | |
Aluminio | 15-100 |
Boro | 0,1-15 |
Calcio | 25-500 |
Cromo | 5-50 |
Cobalto | 10-60 |
Hierro | 50-5000 |
Manganeso | 2-100 |
Magnesio | 10-250 |
Molibdeno | 10-20 |
Níquel | 10-500 |
Potasio | 20-50 |
Silicio | 50-600 |
Sodio | 40-70 |
Titanio | 2-60 |
Vanadio | 5-500 |
A través del proceso de procesamiento térmico, la composición en peso se reduce con la emisión de materia volátil y azufre. [6] Este proceso termina en el coque de petróleo en forma de panal que, según el nombre que se da, es una estructura sólida de carbono con agujeros. [6]
Componente | Petcoke (Calcinado a 2375 ° F [5] |
---|---|
Carbono (% en peso) | 98,0-99,5 |
Hidrógeno (% en peso) | 0,1 |
Nitrógeno (% en peso) | |
Azufre (% en peso) | |
Materia volátil (% en peso) | 0,2-0,8 |
Humedad (% en peso) | 0,1 |
Ceniza (% en peso) | 0.02-0.7 |
Densidad (% en peso) | 1.9-2.1 |
Metales pesados (ppm. Peso) | |
Aluminio | 15-100 |
Boro | 0,1-15 |
Calcio | 25-500 |
Cromo | 5-50 |
Cobalto | 10-60 |
Hierro | 50-5000 |
Manganeso | 2-100 |
Magnesio | 10-250 |
Molibdeno | 10-20 |
Níquel | 10-500 |
Potasio | 20-50 |
Silicio | 50-600 |
Sodio | 40-70 |
Titanio | 2-60 |
Vanadio | 5-500 |
Grado de combustible
El coque de grado combustible se clasifica como morfología de coque esponjoso o coque de inyección. Si bien las refinerías de petróleo han estado produciendo coque durante más de 100 años, los mecanismos que causan la formación de coque esponjoso o de granalla no se conocen bien y no se pueden predecir con precisión. En general, las temperaturas más bajas y las presiones más altas promueven la formación de coque esponjoso. Además, contribuyen la cantidad de heptano insolubles presentes y la fracción de componentes ligeros en la alimentación del coquizador.
Si bien su alto contenido de calor y bajo contenido de cenizas lo convierten en un combustible decente para la generación de energía en calderas de carbón , el coque de petróleo tiene un alto contenido de azufre y un bajo contenido de volátiles , y esto plantea problemas ambientales (y técnicos) con su combustión. Su valor calorífico bruto (HHV) es de casi 8000 Kcal / kg, que es el doble del valor del carbón medio utilizado en la generación de electricidad. [5] Una opción común de unidad de recuperación de azufre para quemar coque de petróleo es la tecnología de desulfuración de gases de combustión SNOX , [7] que se basa en el conocido Proceso WSA . La combustión en lecho fluidizado se usa comúnmente para quemar coque de petróleo. La gasificación se utiliza cada vez más con esta materia prima (a menudo utilizando gasificadores colocados en las propias refinerías).
Calcinado
El coque de petróleo calcinado (CPC) es el producto de la calcinación del coque de petróleo. Este coque es el producto de la unidad de coquización en una refinería de petróleo crudo . El coque de petróleo calcinado se utiliza para fabricar ánodos para la industria de fundición de aluminio , acero y titanio . El coque verde debe tener un contenido metálico suficientemente bajo para ser utilizado como material de ánodo. El coque verde con este bajo contenido de metal se denomina coque de grado de ánodo. Cuando el coque verde tiene un contenido metálico excesivo, no se calcina y se utiliza como coque de grado combustible en los hornos.
Desulfuración
Un alto contenido de azufre en el coque de petróleo reduce su valor de mercado y puede impedir su uso como combustible debido a restricciones en las emisiones de óxidos de azufre por razones ambientales. Por tanto, se han propuesto métodos para reducir o eliminar el contenido de azufre del coque de petróleo. La mayoría de ellos implican la desorción del azufre inorgánico presente en los poros o la superficie del coque, y la partición y eliminación del azufre orgánico unido al esqueleto de carbono aromático.
Las posibles técnicas de desulfuración del petróleo se pueden clasificar de la siguiente manera: [8]
- Extracción de solventes
- Tratamiento químico
- Desulfuración térmica
- Desulfuración en atmósfera oxidante
- Desulfuración en una atmósfera de gas que contiene azufre
- Desulfuración en atmósfera de gases de hidrocarburos
- Hidrodesulfuración
En 2011 no había ningún proceso comercial disponible para desulfurar el coque de petróleo. [9]
Almacenamiento, eliminación y venta
Carbón casi puro, el coque de petróleo es una potente fuente de dióxido de carbono si se quema. [10]
El coque de petróleo puede almacenarse en una pila cerca de una refinería de petróleo pendiente de venta. Por ejemplo, en 2013 una gran reserva propiedad de Koch Carbon cerca del río Detroit fue producida por una refinería de Marathon Petroleum en Detroit que había comenzado a refinar el bitumen de las arenas petrolíferas de Alberta en noviembre de 2012. También existían grandes reservas de coque de petróleo en Canadá a partir de 2013, y China y México fueron mercados para el coque de petróleo exportado desde California para su uso como combustible. En 2013 Oxbow Corporation, propiedad de William I. Koch , era un importante distribuidor de coque de petróleo, vendiendo 11 millones de toneladas al año. [11]
En 2017, una cuarta parte de las exportaciones estadounidenses del combustible se dirigieron a India, según una investigación de Associated Press . En 2016 esto ascendió a más de ocho millones de toneladas métricas, más de 20 veces más que en 2010. [12] La Autoridad de Control de la Contaminación Ambiental de la India probó el coque de petróleo importado en uso cerca de Nueva Delhi y encontró niveles de azufre 17 veces superiores al límite legal. [12]
El Convenio Internacional para la Prevención de la Contaminación por los Buques ( MARPOL 73/78 ), adoptado por la OMI , ha ordenado que los buques marinos no consuman fuelóleos residuales ( combustible búnker , etc.) con un contenido de azufre superior al 0,5% a partir del año 2020. . [13] Casi el 38% de aceites combustibles residuales se consume en el sector del transporte marítimo. En el proceso de convertir el exceso de aceites residuales en aceites más ligeros mediante procesos de coquización, se genera coque de petróleo como subproducto. Se espera que la disponibilidad de coque para mascotas aumente en el futuro debido a la caída de la demanda de petróleo residual. El coque de animal doméstico también se utiliza en plantas de metanización para producir gas natural sintético , etc. con el fin de evitar un problema de eliminación de coque de animal doméstico. [14]
Riesgos para la salud
El coque de petróleo es a veces una fuente de polvo fino , que puede penetrar en el proceso de filtración de las vías respiratorias humanas, alojarse en los pulmones y causar graves problemas de salud. Los estudios han demostrado que el coque de petróleo en sí tiene un bajo nivel de toxicidad y no hay evidencia de carcinogenicidad . [15] [16]
El coque de petróleo puede contener vanadio , un metal tóxico. Se encontró vanadio en el polvo acumulado en las viviendas ocupadas cerca del coque de petróleo almacenado junto al río Detroit. El vanadio es tóxico en pequeñas cantidades, 0,8 microgramos por metro cúbico de aire, según la EPA . [17]
Según varios estudios y análisis de la EPA, el coque de petróleo tiene un potencial de riesgo bajo para la salud de los seres humanos. No tiene efectos cancerígenos, de desarrollo o reproductivos observables. Durante los estudios de casos en animales, la inhalación crónica de dosis repetidas mostró inflamación respiratoria debido a partículas de polvo, pero no específica del coque de petróleo. [18]
Peligros ambientales
Las preocupaciones medioambientales se derivan del almacenamiento y la combustión del coque de petróleo. Los residuos secundarios se acumulan a medida que se procesa el coque de petróleo, lo que hace que la gestión de residuos sea un problema. El alto contenido de limo de petcoke del 21,2% aumenta el riesgo de que el polvo fugitivo se aleje de los montículos de petcoke bajo fuertes vientos. Se estima que 100 toneladas de polvo fugitivo de coque de petróleo, incluidas PM10 y PM2.5, se liberan a la atmósfera por año en los Estados Unidos. [19] La gestión de residuos y la liberación de polvo fugitivo es un problema especialmente en las ciudades de Chicago, Detroit y Green Bay. [18]
Las externalidades provienen del coque de petróleo que causan posibles impactos ambientales. El coque de petróleo está compuesto por un 90% de carbono elemental en peso que se convierte en CO
2durante la combustión. El uso de coque de petróleo también produce emisiones de azufre y el potencial de contaminación del agua a través de la escorrentía de níquel y vanadio de la refinación y el almacenamiento. [17]
Ver también
- Refrigerador para coque de petróleo calcinado
- Coque (combustible)
- Coquizador retardado
- Lista de CO2 emitido por millón de Btu de energía de varios combustibles
- Alquitrán
- Orimulsión
- Contaminación del aire en India
Referencias
- ^ a b c IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) " coque de petróleo ". doi : 10.1351 / goldbook.P04522
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- ^ a b Hassan Al-Haj Ibrahim, Desulfuración de coque de petróleo, Informe de investigación, Universidad de Pittsburgh, Pittsburgh, 1990.
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- ^ a b Tripathi, Nimisha; Singh, Raj S .; Hills, Colin D. (2019). "Eliminación microbiana de azufre del coque de petróleo (coque de petróleo)". Combustible . 235 : 1501–1505. doi : 10.1016 / j.fuel.2018.08.072 .
- ^ "Proceso SNOX: una historia de éxito" Archivado el 21 de julio de 2009 en Wayback Machine , energystorm.us . En él se cita: "Schoolbook, Chemistry 2000, Helge Mygind, ISBN 87-559-0992-2 ".
- ^ Desulfuración de coque de petróleo: una revisión, Hassan Al-Haj-Ibrahim y Badie I. Morsi, Industrial and Engineering Chemistry Research, 1992, 31, 1835-1840.
- ^ Agarwal, P .; Sharma, DK (2011). "Estudios sobre la desulfuración del coque de petróleo por organorrefinación y otras técnicas químicas y bioquímicas en condiciones de presión ambiental más suaves". Ciencia y Tecnología del Petróleo . 29 (14): 1482-1493. doi : 10.1080 / 10916460902839230 .
- ^ Stockman, Lorne (enero de 2013). "Coque de petróleo: el carbón escondido en las arenas bituminosas" . Oil Change International . Consultado el 18 de mayo de 2013 .
- ^ Austin, Ian (17 de mayo de 2013). "Un montículo negro de residuos de petróleo canadiense se eleva sobre Detroit" . The New York Times . Consultado el 18 de mayo de 2013 ..
- ^ a b Tammy Webber; Katy Daigle (2017). "Estados Unidos exporta combustible sucio a la India asfixiada por la contaminación". San José Mercury-News . Grupo de Noticias del Área de la Bahía. Associated Press. pag. A4. Falta o vacío
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( ayuda ) - ^ "Implicaciones de la eliminación del fuelóleo residual" (PDF) . Consultado el 17 de marzo de 2017 .
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- ^ "Estudio de polvo de fugitivos de la ciudad de Chicago" (PDF) . cityofchicago.org . 1 de marzo de 2015.
enlaces externos
- Definición de la IUPAC de varias formas de carbono sólido .
- Información de BP sobre cómo se produce el coque de petróleo calcinado