El coque de petróleo , abreviado coque , coque de petróleo o coque de petróleo , es un material sólido final rico en carbono que se deriva del refinado del petróleo , y forma parte del grupo de combustibles denominados 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 termo 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 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 (sincrudo) 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 el refinado de petróleo se tratan a alta temperatura y presión, dejando el coque de petróleo después de eliminar los gases y volátiles y separar los aceites ligeros y pesados restantes. Estos procesos se denominan "procesos de coquización" y, por lo general, 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 de grado ánodo (bajo en 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 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 ánodos para producir coque de ánodo de la forma y propiedades físicas deseadas. Los ánodos se utilizan principalmente en la industria del aluminio y del 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% 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 en el 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.
Hay al menos cuatro tipos básicos de coque de petróleo: 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 diferencias en las variables operativas y la naturaleza de la materia prima. También se observan diferencias significativas en las propiedades de los distintos tipos de coque, especialmente 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 periódicamente. El coque de aguja se produce exclusivamente a partir de aceite decantado de craqueo catalítico fluido (FCC) o de brea de alquitrán de hulla.
El coque alveolar es un coque intermedio, con poros elipsoidales distribuidos uniformemente. En comparación con el coque de aguja, el coque alveolar tiene un coeficiente de expansión térmica más bajo y una conductividad eléctrica más baja. [4]
El coque de petróleo, alterado mediante el proceso de calcinación en el que se calienta o refina el coque crudo, elimina gran parte del componente del recurso. Por lo general, el coque de petróleo, cuando se refina, no libera metales pesados en forma de volátiles o emisiones. [5]
Dependiendo de la materia prima de petróleo utilizada, el porcentaje de carbono en el coque de petróleo puede llegar al 98-99%. Esto crea un compuesto a base de carbono que contiene hidrógeno en concentraciones entre 3,0 y 4,0%. El coque crudo (o verde) contiene entre 0,1 y 0,5% de nitrógeno y entre 0,2 y 6,0% de azufre, que se convierten en emisiones cuando se calcina el coque. [5]
Mediante el procesamiento térmico, el peso de la composición 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 su nombre, es una estructura de carbono sólida con agujeros. [6]
El coque de calidad combustible se clasifica como morfología de coque esponjoso o coque granulado. Si bien las refinerías de petróleo han estado produciendo coque durante más de 100 años, los mecanismos que causan la formación del coque esponjoso o coque granulado no se comprenden bien y no se pueden predecir con precisión. En general, temperaturas más bajas y presiones más altas promueven la formación de coque esponjoso. Además, contribuyen la cantidad de insolubles de heptano presentes y la fracción de componentes ligeros en la alimentación del coquizador.
Si bien su alto calor y su bajo contenido de cenizas lo convierten en un combustible decente para la generación de energía en calderas alimentadas con carbón , el coque de petróleo tiene un alto contenido de azufre y un bajo contenido de volátiles , lo que plantea problemas ambientales (y técnicos) con su combustión. Su poder calorífico bruto (HHV) es de casi 8000 Kcal/kg, que es el doble del valor del carbón promedio 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 utiliza comúnmente para quemar coque de petróleo. La gasificación se utiliza cada vez más con esta materia prima (a menudo utilizando gasificadores instalados en las propias refinerías).
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 y como materia prima para la producción de grafito sintético. El coque verde debe tener un contenido de metal suficientemente bajo para ser utilizado como material anódico. El coque verde con este bajo contenido de metales se llama coque de calidad anódica. Cuando el coque verde tiene un contenido excesivo de metales, no se calcina y se utiliza como coque de calidad combustible en los hornos.
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 de compuestos orgánicos de azufre, como los heterociclos aromáticos sulfurosos.
Las posibles técnicas de desulfuración del petróleo se pueden clasificar de la siguiente manera: [8]
En 2011 no existía ningún proceso comercial disponible para desulfurar el coque de petróleo. [9]
Carbono 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 en espera de su venta. Por ejemplo, en 2013, una refinería de Marathon Petroleum en Detroit , que había comenzado a refinar betún de las arenas bituminosas de Alberta en noviembre de 2012, produjo una gran reserva propiedad de Koch Carbon cerca del río Detroit . 2013, y China y México fueron mercados para el coque de petróleo exportado desde California para ser utilizado como combustible. En 2013, Oxbow Corporation, propiedad de William I. Koch , era un importante distribuidor de coque de petróleo y vendía 11 millones de toneladas al año. [11]
En 2017, una cuarta parte de las exportaciones estadounidenses del combustible se dirigieron a la 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 analizó 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 Organización Marítima Internacional (OMI), ha ordenado que los buques marítimos no consuman fueloil residual ( combustible para búnker , etc.) con un contenido de azufre superior al 0,5. % a partir del año 2020. [13] Casi el 38% de los fuelóleos residuales se consumen en el sector 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 de petróleo aumente en el futuro debido a la caída de la demanda de petróleo residual. El coque de petróleo también se utiliza en plantas de metanización para producir gas natural sintético , etc., con el fin de evitar problemas de eliminación de coque de petróleo. [14]
El coque de petróleo es a veces una fuente de polvo fino , que puede penetrar el proceso de filtrado 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 recogido en 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 múltiples estudios y análisis de la EPA, el coque de petróleo tiene un bajo potencial de riesgo para la salud humana. No tiene ningún efecto cancerígeno, de desarrollo o reproductivo observable. 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]
Las preocupaciones ambientales surgen del almacenamiento y combustión del coque de petróleo. Los residuos 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 del coque de petróleo del 21,2% aumenta el riesgo de que el polvo fugitivo se aleje de los montículos de coque de petróleo bajo fuertes vientos. Se estima que en los Estados Unidos se liberan a la atmósfera cada año unas 100 toneladas de polvo fugitivo de coque de petróleo, incluidas PM10 y PM2,5. [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 y causan posibles impactos ambientales. El coque de petróleo está compuesto por un 90% de carbono elemental en peso que se convierte en CO 2 durante la combustión. El uso de coque de petróleo también produce emisiones de azufre y la posibilidad de contaminación del agua a través de la escorrentía de níquel y vanadio provenientes de la refinación y el almacenamiento. [17]
