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1.- ANTECENDENTES
El petróleo crudo, se extrae cuando mucho un 18% de gasolina. El vertiginosocrecimiento de la industria automotriz, para satisfacer las necesidades de la cada
vez mayor población, provocó que las refinerías se orientaran a la obtención de
mayores rendimientos de gasolina para motores, lo que hizo necesario que se
idearan métodos para satisfacer la demanda en aquel entonces. A principios del
siglo pasado, surge como una alternativa el cracking térmico con la cuales
obtienen buenos rendimientos de gasolina.
Este se practico hasta los años siguientes al 1930para la fabricación de aceites
lubricantes de la clase conocida como aceites de parafina. Este proceso se usa
aún para la preparación de productos de carga destilados para otras operaciones,
y ha sido reemplazada por el craking catalítico. Antes de la introducción de los
procesos catalíticos, la unidad de craqueo térmico tipo Dubbs (1924 a 1930) de
dos serpentines era lo más común. Pero este proceso producía una gran cantidad
de depósitos indeseables en los calentadores.
La evolución gradual de la ciencia fue consiguiendo que los calentadores
pudieran diseñarse para alcanzar temperaturas por encima del punto de coquéo,
sin formación significativa de coque en los mismos. Para ello era necesario alta
velocidad (tiempos de retención mínimos) en los calentadores. Así, con el paso de
los años, surge la coquización como un proceso de craqueo térmico donde se
obtenían mayores conversiones de fracciones de petróleo, y se disminuía la
presencia de metales pesados en la alimentación del proceso de craqueo
catalítico, aumentando así la vida útil del catalizador. A pesar de la utilidad de la
coquización, entre sus desventajas se encontraba la producción de coque que no
era el producto deseado, pero gracias a estudios de mejoramiento y los
desarrollos paulatinos, se ha hecho posible que este proceso se mantenga vigente
y se hayan diseñado una gran variedad de procesos de coquización. Entre ellos la
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coquización retardada (1940), coquización de contacto continuo y fluidcoquización
(1949 a 1955), y más recientemente, la flexicoquización (1974 y 1975).Todos
estos procesos, proveen una gran flexibilidad en el manejo de una gran diversidad
de alimentaciones a una alta eficiencia, asegurando a la refinería un retorno
óptimo de los productos de fondo durante el proceso.
2.- COQUIZACIÓN
La coquización es un proceso de conversión que se fundamenta en diferentes
reacciones de desintegración o craqueo térmico de los compuestos hidrocarburos
que constituyen la carga, en condiciones de alta temperatura. El rendimiento de
este proceso va a depender del tipo de alimentación; es decir, las características
de los productos obtenidos van a depender de las propiedades que tenga la
corriente de fondo de la torre de vacío.
Saturados Aromáticos Resinas Asfáltenos
Cuando las alimentaciones son ricas en compuestos aromáticos el coque que
se va a producir como subproducto es un coque con bajo contenidosdilatométricos, siendo utilizado principalmente para la generación de electrodos de
aluminio. En el caso de que las alimentaciones sean ricas en compuestos
asfaltenicos, el coque producido es un coque tipo promedio. A continuación se
puede observar como son las alimentaciones típicas de varios crudos pesados, y
extra pesados de varios pozos venezolanos, indicándose así el compuesto que
constitúyela mayor concentración de estas corrientes La coquización es
un proceso el cual a pesar de tener como desventaja principal la formación de
coque del petróleo, que es considerado como un subproducto indeseado, tiene
como gran ventaja brindar la posibilidad de obtener los máximo rendimientos
posibles de una corriente depesados que antes era considerada como desecho, y
debido al gran progreso que introdujo en la industria de la refinación es que se
desarrollaron dos procesos de coquización considerados como principales como lo
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son la coquización retardada y la flexicoquización así como varios proceso
alternativos de la coquización como lo son:
3.- COQUIZACIÓN RETARDADA
3.1.- Propósito de la Unidad
El propósito de la Unidad de Coquización Retardada (CRAY) es aumentar la
producción de destilados, y la corrida de crudos pesados, disminuyendo la
producción de residual de altoazufre. La unidad de Coquización Retardada
(CRAY) fue diseñada por Foster Wheeler con la finalidad de transformar un
hidrocarburo pesado en gas, nafta, gasóleos y coque. Este es un proceso térmico
en el cual el hidrocarburo pesado (brea) se calienta a alta velocidad en un horno y
luego se envía a una zona de reacción (tambores de coque) en donde bajo
condiciones apropiadas de presión y temperatura, se craquea térmicamente y se
convierte en productos de mayor valor comercial. Esta unidad entró en servicio en
la Refinería de Amuay el 30 de octubre de 1994, sin mayores desviaciones a los
procedimientos elaborados por el grupo multidisciplinario de arranque. La unidadde Coquización Retardada (CRAY), está compuesta por las siguientes secciones:-
Sección de coquización y recuperación de vapores- Sección de fraccionamiento y
precalentamiento de la alimentación
En este proceso, cerca del 5% de la producción de coque se quema en un lecho de
coquefluidizado, para secar las partículas de coque y para calentarlo
(aproximadamente de 1100 a1200ºF) y ser introducido en la cámara de reacción la
cual también se mantiene en un estado fluidizado. El reactor opera de 900 a
1050ºF. Los productos de la reacción se separan en un sistema de
fraccionamiento ubicado en la parte superior del reactor. No se requieren paradas
periódicas para remover el coque, y el reactor es más pequeño que para
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la coquización retardada. Descripción del Procésala alimentación se precalienta y
se inyecta al lecho de coque caliente fluidizado que se forma en el proceso. Estas
partículas de coque presentan una configuración esferoidal, con un tamaño
bastante pequeño, lo cual provee una mayor área de contacto por pie cúbico de
lecho. Esto favorece una transferencia de calor rápida. A medida que el coque
se inyecta en el reactor, se va calentando rápidamente. A la temperatura del
reactor la viscosidad del residuo es tan baja que su distribución a lo largo de las
partículas fluidizadas es rápida y uniforme. En la zona de reacción las fracciones
pesadas de la alimentación son parcialmente vaporizadas; la mayoría de las
reacciones de cracking se dan en la fase líquida. Sin embargo, los productos más
volátiles se evaporan rápidamente de la superficie del coque, por lo que los
productos obtenidos consisten en vapor de tope seco y coque seco. Los productos
vaporizados del lecho fluido se extraen por el tope y se llevan a un separador de
ciclón localizado en la zona superior del recipiente de reacción. La mayoría de los
sólidos que entran se separan en este punto y retornan al lecho. Los productos de
tope, con pequeñas cantidades de polvo de coque, se pasan por equipos de
refinación convencionales; los productos de fondo se recirculan al reactor para
recuperar parte del coque que escapa por el ciclón, y para permitir el recraqueo de
los productos de fondo y transformarlos al rango de ebullición de los gasóleos.
4.- COQUE
4.1.- Definición
El coque del petróleo es definido como residuos sólidos negros provenientes de
la destilación de materiales del petróleo, los cuales poseen un contenido
principalmente de carbón (90 a 95 %),un porcentaje de ceniza bajo, y una mayor
proporción de los metales, azufres y cualquier otro material de residuo. Estos son
residuos de componentes de cadenas pesadas de petróleo crudo, los cuales son
usados como alimentación en procesos de craqueo térmico conocido como
coquización, con la finalidad de producir productos más livianos. El coque es
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calentado entre 475°C a 520°C en un horno, para luego ser descargado en un
tambor de coque.
5.- TIPOS Y CARACTERISTICAS DEL COQUE
5.1.- Coque Aguja
Su nombre deriva de su estructura cristalina alongada. Se produce a partir de
las alimentaciones altamente aromáticas y recalcitrantes, cuando las unidades de
coquización operan a altas presiones (100 psig) y relaciones de reciclo elevadas
(1:1). Este tipo de coque se está produciendo recientemente en mayores
cantidades. Es uno de los más empleados debido a su menor resistividad y a su
menor coeficiente de dilatación. Es usado preferiblemente para la fabricación de
electrodo
5.2.- Coque Esponjosos
Se denomina así debido a su apariencia. Se produce como pedazos sólidos,
porosos, irregulares, cuyo tamaño abarca desde las 20 pulgadas hasta polvo fino,
con estructura amorfa debido a que contiene gran cantidad de enlaces cruzados.
Proviene de alimentaciones asfa ténicas y resinas. Representa el coque promedio.
5.3.- Coque Perdigón
Se conoce por ese nombre debido a las agrupaciones de bolitas del tamaño de
un perdigón que lo caracterizan. Es un coque no deseable que se produce
involuntariamente, generalmente durante desajustes operacionales,
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probablemente como resultado de temperaturas bajas en el tambor de coque o de
bajas presiones.
6.- ETAPAS DEL PROCESO.
El proceso de reducción del mineral de Hierro cuyo objetivo es la obtención de
arrabio, se inicia desde la explotación y tratamiento de las materias primas,
posteriormente éstas se someten a procesos de adecuación como la coquización
y sinterización. Finalmente, el equipo característico del proceso es el Alto Horno,en el cual mediante la sucesión de reacciones químicas a altas temperaturas
ocurre la reducción de los óxidos del mineral.
El Diagrama General de las etapas del proceso se observa en la siguiente gráfica.
Diagrama General del Proceso.
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Diagrama del Proceso de Coquización.
6.1.- Etapa de Coquización .
Cuando un carbón es pirolizado térmicamente o destilado destructivamente (a
altas temperaturas) sin entrar en contacto con el aire, se convierte en una gran
variedad de productos sólidos, líquidos y gaseosos. La eliminación de la fase
gaseosa hace que el proceso se denomine desgasificación de carbones, mientras
que la obtención final del coque da origen al término carbonización o coquización.
La planta de Coquería tiene por objeto producir el coque metalúrgico mediante
una destilación a altas temperaturas de la hulla o carbón mineral en hornos, sin
presencia del aire.
La planta de Coquería está compuesta básicamente por :
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La batería de hornos.
La planta de Subproductos.
6.2.- Batería de Hornos .
El objetivo de la Batería es producir el coque para el alto horno denominado
"Coque Metalúrgico" y de los gases obtener algunos subproductos.
El carbón óptimo para coquizar tiene aproximadamente 31% de materias
volátiles y se obtiene de una mezcla de carbones.
Los carbones se reciben de tres clases con el fin de obtener un carbón
apropiado:
40% de Carbón Alto Volátil (38-41% materia volátil)
20% de Carbón Medio volátil (30-33% materia volátil)
40% de Carbón Bajo Volátil (23-27% materia volátil).
La coquización se practica en hornos verticales tipo Koppers - Becker , en un
proceso de calentamiento de dos tiempos. Esta batería posee dos partes
denominadas lado coque y lado máquina, construidos en alto sílice y ladrillo silico -
aluminoso en su mampostería refractaria ; ladrillo común y material aislante en su
mampostería estructural y soportados por una estructura metálica.
6.3.- Sistema de Calentamiento de la Batería. La batería se calienta con gas de
coque que es el mismo que ha sido depurado o limpiado en la planta de
subproductos y que se recircula para ser utilizado como combustible y dador de la
carga térmica que necesita la batería.
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El gas entra por un sistema de tuberías hasta unos inyectores colocados en las
cámaras de combustión para que se mezcle con aire que ha sido previamente
precalentado en unos ductos con empaquetados de anillos llamado regenerador.
Luego de que se ha producido la mezcla gas - aire se produce una combustión
formándose humos que tienen la función de calentar los hornos de manera
uniforme. En este calentamiento los gases circulan de un lado hacia el otro del
horno por medio de una máquina llamada Torno de Inversión el cual se encarga
de abrir y cerrar las boquillas de entrada del aire en un ciclo que dura 40 minutos (
20 minutos en cada sentido ) . Este torno de inversión trabaja con un reloj
temporizado que cada 20 minutos hace un cambio en el sentido de la combustión,
permitiendo que los hornos de la batería estén calentados uniformemente de ladoy lado ofreciendo un buen aprovechamiento de la temperatura o capacidad
calorífica del gas y el humo por eficiencia térmica.
La reacción de destilación destructiva que ocurre en el proceso de coquización es
la siguiente:
C357H281O39 C280H26O8 + C27H22O2 + 5C10H41O3 + 14 H2O
( hulla ) ( coque) ( alquitrán ) ( gases)
7.- Descripción del Proceso de Coquización .
Los carbones son traídos a la planta de coque en camiones de donde se
descarga a una tolva. El carbón es conducido en transportadores de banda a un
triturador de rodillos de donde sale con un tamaño inferior a 1 Pulg. El carbón de
tamaño inferior de 1 pulg es conducido por una banda transportadora al silo de
mezclas. Este, está dividido en cuatro silos y acondicionados individualmente en
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su parte inferior con un dosificador de carbón automático, que suministra en forma
constante la misma cantidad en peso, sin importar las condiciones en que vengan
(humedad, granulometría, etc).
Se hacen las mezclas de los diferentes carbones y después se les adiciona
agua de acuerdo al estado de humedad en que se encuentre ya que un carbón
demasiado seco produce polvo que afecta las partes eléctricas y mecánicas así
como también hay mayor propensión a incendios en los cargues y producción de
grafito. También a la mezcla de carbones se le adiciona ACPM con el fin de
aumentar la densidad del carbón y por consiguiente la calidad de producción del
coque en la Batería. El carbón en estas condiciones pasa a una criba vibratoria
con mallas de 3mm, donde pasa a un molino de martillos que pulveriza y mezcla elcarbón dando un producto cuya granulometría no debe pasar del 10 % por encima
de 3mm, que es el tamaño más adecuado y apropiado para cargar en los hornos y
obtener un coque de buena calidad.
Los carbones que salen de la criba y del molino de martillos caen a un
transportador y pasan a los silos de la Batería. Los silos de batería son cuatro con
capacidad de 400 Ton cada uno. Esos silos en su parte inferior tienen compuertas
movibles que son a condicionadas con el fin de cargar el carbón al horno.
Los Hornos tienen cuatro aberturas de cargue y una para evacuación del gas
producido por la destilación del carbón al igual que dos compuertas para facilitar el
deshorne y descarga del coque. La maquina Deshornadora es la que se encarga
de retirar el coque de los hornos. Esta máquina tiene translación propia y
fundamentalmente: quita las puertas, deshorna y nivela los hornos. La máquina
Guía de Coque que sirve de puente entre el horno a deshornar y el vagón de
apagado; tiene translación propia y sus funciones son: quitar las puertas y guiar el
coque durante el deshorne.
Luego de 20 horas, el coque se encuentra listo para deshornarlo y trasladarlo a
un vagón de apagado el cual lo transporta inmediatamente a la torre de apagado,
para evitar que el coque entre en combustión con el aire , en donde se le vierte
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una cantidad de agua durante 90 segundos desprendiéndose una gran nube de
vapor de agua (templado del coque ) . Luego el coque apagado se descarga en
una rampa para su reposo con el fin de que el agua se evapore completamente y
apagar los que estén encendidos. Esta rampa está revestido en ladrillo prensado.
A continuación viene un proceso de estabilización en el cual el coque se tritura
para reducirlo de tamaño y se criba para separar la fracción menor de 1 pulgada y
la fracción mayor de 3 pulgadas y dejarlo del tamaño de 1- 3 pulgadas para que
sea utilizado en el Alto Horno. El diagrama de flujo de este proceso se muestra en
la gráfica.
Etapa de Sintonización. Durante los procesos de extracción de minerales,
transporte y manipulación de las materias primas, se producen grandes
cantidades de material, de una granulometria excesivamente fina que no permite
el adecuado flujo de gases calientes a través de la carga, impidiendo llevar a cabo
la fundición de la misma, por lo que se aglomera a un tamaño que permita su
utilización.
Las materias primas de esta etapa son: Caliza, mineral de Hierro, Coquesillo, y
finos del mismo Sinter.
Caliza: Llega entre 6-120 mm de grosor; se le hace un cribado para una
granulometria inferior de 3.36 mm.
Mineral de hierro. Debe tener una granulometria menor de 9.5 mm.
Coquesillo: Son los finos de la planta de Coqueria y se debe obtener a una
granulometría menor a 3,36 mm.
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Diagrama del proceso de Sintonización.
Para mezclar estas materias primas se encuentran dos mesas de aglomeración
del material llamadas pilas. Las materias primas llegan por bandas a un apilador
que empieza a exparsirlas en la pila en una relación de 550 Ton de Caliza, 1000
Ton de mineral de Hierro y 60 Ton de Sinter.
El coquesillo llega húmedo pasa por molinos y va a una tolva de almacenamiento
donde debe presentar alrededor del 8 al 9% de humedad. En otras dos tolvas se
almacena la mezcla de la pila, en otra los finos de Sinter fríos de granulometría a
inferior de 6 mm y en una última tolva se encuentran los finos de Sinter Caliente.
Todos los compuestos que se encuentran en estas cinco tolvas de
almacenamiento pasan a un mezclador que homogeneiza la mezcla y también se
les adiciona agua permitiendo la micropeletización (hacer grumos para que las
partículas finas se adhieran permitiendo una mejor permeabilidad en el proceso).
Esta mezcla entra en una tolva que sirve como ducto y pasa a un rodillo que
coloca la mezcla en unas cajas de acero herméticas unidas entre si para formar
una pasta uniforme, luego pasa por un horno con una temperatura de 1000ºC
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alimentado con gas de Coquería, el coquesillo entra en combustión y el calor
desprendido convierte la mezcla en una torta porosa.
Luego se pasa por un triturador de aspas y un cribado donde las partículas que
tengan una granulometría inferior a 6 mm se recirculan a la tolva de finos de Sinter
Calientes y los mayores pasan a unos ventiladores y un cribado donde los
menores de 6.4 mm pasan a la tolva de finos de "Sinter Fríos" y los otros pasan
por bandas transportadoras a las tolvas de almacenamiento del alto horno. En la
Figura se ilustra el proceso de sinterización.
8.- Reducción de Mineral de Hierro en Alto Horno.
Descripción del Alto Horno. Un horno alto está formado por dos troncos de
cono unidos por su base mayor. El cono superior que es el de mayor altura y se
denomina cuba, tiene forma cónica para facilitar el descenso de la carga en el
curso de la operación. El cono inferior se denomina etalaje. La unión tiene lugar
por medio de una sección redondeada o cilíndrica que se denomina vientre.
El horno termina en su parte inferior en un cuerpo de sección cilíndrica cuya
parte superior se denomina obra y la parte inferior crisol. En la obra están situadas
las toberas para inyectar el aire que activa la combustión del horno. En el crisol,
que es donde se recoge el arrabio fundido y las escorias que flotan sobre él, hay
uno o dos orificios denominados bigoteras o escoriales por donde sale la escoria
fundida y otro más abajo denominado piquera, por donde sale el arrabio fundido.
Los grandes hornos están provistos de un cañón de arcilla, para tapar la piquera al
terminar la colada.
Todo el alto horno está recubierto interiormente por ladrillos refractarios con unrevestimiento de espesor variable según la sección y la capacidad del horno. Las
paredes de los etalajes, obra y crisol, están refrigerados por medio de agua para
prolongar la vida del refractario.
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Una envolvente de chapa de acero con aros de refuerzo constituye la estructura
del horno. La carga se realiza por la parte superior, que se denomina tragante, y
que está provista de un dispositivo de cierre formado por dos campanadas para
evitar la salida a la atmósfera de los gases. La campana pequeña se abre cada
vez que sube la cubeta del Skip descargando encima de la campana grande. Un
distribuidor reparte la carga automáticamente. Cuando el nivel de la carga de los
hornos ha bajado una altura determinada (2 ó 3 metros en los grandes hornos) se
para el suministro de aire, lo que ayuda al descenso de la carga, y con la campana
pequeña en posición de cerrado se abre la campana grande cayendo la carga
completa.
En el tragante están también situadas las tuberías de salida de los gases quelos conducen a los depuradores y después a las estufas de caldeo del aire, a los
motores de gas, etc.
La gran altura de los hornos que supera los 30 metros, tiene por objeto facilitar
a los gases ascendentes la cesión de su calor sensible y facilitar también al óxido
de Carbono (CO) la reducción indirecta del mineral.
Carga del Alto Horno. Los altos hornos se cargan con capas alternadas demineral, coque y fundente. A veces estos fundentes van mezclados con el mineral.
Si se dispone de instalaciones de sinterizado, como es normal en las grandes
factorías, se carga también sinterizado.
La carga del horno va descendiendo a medida que transcurre la operación y se
hacen coladas de arrabio y escorias, tardando de 8 a 10 horas en obtenerse el
metal, desde que se carga el mineral. En cuanto el nivel desciende de una altura
determinada (de 2 a 3 m), se introduce una carga de relleno, que se había ido
situando sobre la campana grande de cierre del tragante.
El mineral debe ser de tamaño comprendido entre 8 y 50 milímetros para que su
superficie sea lo mayor posible y facilitar así su reducción indirecta con el óxido de
carbono (C O).
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El sinterizado se compone de polvo de mineral y de coke y de cenizas
procedente de la tostación de piritas y carbonatos de hierro si los hay. El
combustible empleado es el coke metalúrgico. Dada la altura de los hornos altos,
el coke debe tener buena resistencia mecánica del orden de los 160 Kg. por cm2
para resistir grandes cargas sin pulverizarse. No debe contener materias volátiles
que podrían aglomerar los materiales en el horno. Debe ser poroso para facilitar
su combustión. El poder calorífico del coke metalúrgico es del orden de 7000 Kcal.
por kg. Conteniendo alrededor de 15% de cenizas generalmente siliciosas. Su
densidad es de 0,5 aproximadamente. El tamaño más empleado es de 25 a 80
mm.
Los fundentes tienen por objeto dar a la escoria fluidez necesaria. Una escoriaviscosa cuela difícilmente y en cambio una escoria demasiado fluida corroe las
paredes del horno. La fluidez depende de la fusibilidad, y ésta de la proporción en
que se encuentren los principales elementos que componen la escoria: la sílice, la
alúmina y la cal.
Si en la ganga predomina la sílice, como generalmente ocurre, se dice que es
ácida, y entonces el fundente empleado es la caliza o castina (Ca CO 3), y la
dolomía (CaCO3, MgCO3).
La caliza (CaCO3) contiene teóricamente 56% de cal (CaO) y teniendo en cuenta
las impurezas, la cantidad de caliza que se cargará aproximadamente será doble
peso del de la cal necesaria. Una composición típica de caliza es la siguiente:
CaO = 53,74%,, P= 0,010%,, S= 0,096%,, H2O= 0,20%
Residuo insoluble = 1,40%
La dolomíta se emplea menos como fundente que como revestimiento refractario
de carácter básico. A veces se añade, sin embargo, a la carga del horno alto para
dar más fluidez a la escoria.
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Si la ganga de fusión es básica y por tanto el lecho de fusión resulta demasiado
básico se agrega anhídrido silícico, de ser posible en forma de escorias ácidas de
horno de acero, lo que permite recuperar el metal que contenga. También puede
añadirse la sílice en forma de cuarzo o arena.
Funcionamiento del Alto Horno. El oxígeno del aire que sale por las toberas
atraviesa la masa de coque incandescente y dada su gran velocidad al principio se
forma sólo anhídrido carbónico, como se expresa en la siguiente ecuación.
C + O2 ® C O2
Aproximadamente a un metro de distancia de la boca de las toberas se habrá
acabado el oxígeno y el gas estará formado íntegramente por CO2 que al contacto
con el carbón incandescente, queda reducido con arreglo a la siguiente reacción:
C O2 + C ® 2 C O
En su marcha ascendente a través del horno, el CO, reacciona con los óxidos de
hierro:
3 Fe2O3 + CO ® 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO ® 3 FeO + CO2
FeO + CO ® Fe + CO2
Estas reacciones constituyen la denominada reducción indirecta y tiene lugar
entre los 400º y 700º aproximadamente. La reducción indirecta reduce
aproximadamente del 85 al 90% del oxígeno del mineral en una marcha de
fundición básica.
Además, los óxidos de hierro son también reducidos al contacto con el carbón
sólido incandescente, entre las temperaturas de 700º a 1.350º con arreglo a las
siguientes reacciones, que constituyen la denominada reducción directa:
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3 Fe2O3 + C ® 2 Fe3O4 + CO
Fe3O4 + C ® 3 FeO + CO
FeO + C ® Fe + CO
La reducción directa constituye aproximadamente el 10 al 15% del proceso total
de reducción del mineral. En esta misma zona de reducción directa, tiene lugar
también la descomposición del carbonato de cal, que empieza a unos 800ºC,
según la reacción siguiente:
CO3Ca ® CaO + CO2
El anhídrido carbónico (CO2) formado es reducido por el carbón:
CO2 +C ® 2 CO
Y el monóxido de carbono (CO) asciende a las capas superiores para contribuir a
la reducción indirecta del mineral. Parte del hierro formado se carbura desde
temperaturas de 800ºC, según la reacción:
3 Fe + 2 CO ® Fe3C + CO2
El carburo de hierro se diluye en el resto del metal.
La formación de carburo es muy útil para bajar la temperatura de fusión del hierro ,
que puro es de 1.539º, hasta la de fundición de hierro, que es de unos 1.200º.
Sin embargo, la temperatura en la zona de fusión es de unos 1.500ºC en marcha
básica, debido a que las escorias necesitan esta temperatura como mínimo paraque cuelen libremente.
Además de las reacciones anteriores, que son las principales, tienen lugar otras
secundarias como las de desulfuración del arrabio, del azufre aportado
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principalmente por el coke, por medio de la cal, con arreglo a las siguientes
reacciones:
SFe + CaO + C ® CaS + Fe + CO
SFe + CaO + CO ® CaS + Fe + CO2
Como el sulfuro de calcio (SCa) es insoluble en la fundición, pasa a la escoria.
También tiene lugar la desfosforación del arrabio con arreglo a un proceso similar.
En resumen, teóricamente puede dividirse verticalmente, de arriba a abajo, un
horno alto en funcionamiento en 7 zonas:
1. Zona de deshidratación, cuyas temperaturas están comprendidos entre los 200º
y 400º aproximadamente, donde tiene lugar la desecación de la carga.
2. Zona de reducción indirecta, desde 400º a 700º, donde tiene lugar a reducción
de oxígeno del mineral, por medio de monóxido de carbono (CO).
3. Zona de reducción directa, de 750º a 1.350º, en la que tiene lugar la reducción
del oxígeno del mineral directamente por el carbón incandescente.
4. Zona de fusión y carburación, donde tiene lugar la fusión y carburación de hierro
formado.
5. Zona de combustión y desulfuración, en la que se alcanzan temperaturas
cercanas a los 2.000º y es la zona donde se encuentran las toberas.
6. Zona de colado de escorias, donde se encuentran éstas flotando sobre el metal.
7. Zona de colada de arrabio, por donde sale el material de forma líquida.
Las reacciones expuestas dan una idea bastante aproximada de la marcha del
horno alto. Sin embargo, se ha de advertir que la marcha real no se ajusta
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exactamente a ningún esquema determinado. En primer lugar no puede dividirse
realmente el horno en zonas como se ha hecho, ya que en un mismo plano
horizontal existen distintas fases, entre otras razones porque las temperaturas son
más elevadas en el centro del horno que en la periferia.
Además, las reacciones de reducción, tanto directa como indirecta, son todas
reversibles y se verifican en un sentido o en otro, según la temperatura y
concentración de los diversos elementos.
9.- Equipos Auxiliares del Alto Horno.
A continuación se describe el funcionamiento de los principales equipos
accesorios del alto horno.
Estufas para Precalentamiento del Aire .El calentamiento del aire soplado al
Alto Horno presenta las siguientes ventajas:
- Aumento de la temperatura de combustión en la nariz de la tobera, por lo cual se
mejora la marcha.
- Disminución del consumo de coque y de los combustibles en general.
Se estima que, por un aumento de la temperatura de soplo de 100ºC, la
disminución del consumo de combustibles es del 1.5 al 2% para una marcha con
60% de sinter.
- Aumento de la producción del Alto Horno.
Se ha constatado un aumento de la producción de arrabio cuando se diminuye el
consumo de combustible por tonelada de arrabio.
- Posibilidad de inyectar combustibles auxiliares:
El calentamiento del aire permite la inyección de combustibles auxiliares
líquidos, sólidos o gaseosos, manteniendo una temperatura suficientemente alta
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en la zona de combustión. La inyección de estos combustibles provoca un efecto
refrigerante en la zona adyacente a la tobera.
Hay tres estufas para precalentar el aire de soplo. Cada estufa es un
intercambiador de calor revestido con ladrillo refractario y envuelto por una lámina
de acero. La base es plana y la parte superior tiene forma de domo. Las estufas
calientan el aire para el soplo antes de que este entre en el Alto Horno.
La estufa típica tiene dos partes: (1) la cámara de combustión donde se quema
el gas del Alto Horno, y (2) un amplio sistema de intercambio de calor constituido
por pilares de ladrillos huecos (Checkers) los cuales se colocan unos encima de
otros, formando un gran enrejado refractario. La eficiencia de la estufa se mide por
la temperatura de los gases que salen de ella, la cual debe encontrarse cercana a
los 1200°C.
El gas del Alto Horno es lavado para remover la mayor parte del material sólido
en suspensión, antes de ser quemado en las estufas. El gas pasa hacia arriba a
través de la cámara de combustión en donde se quema; los gases calientes
producidos por la combustión del gas pasan entonces hacia abajo a través de los
ladrillos recuperadores (Checker bricks), transmitiéndoles su calor sensible y luegosalen a la atmósfera. El aire frío de soplo que entra, pasa hacia arriba a través de
los recuperadores en donde se calienta, luego voltea hacia abajo por la cámara de
combustión y sale al ducto principal de aire caliente, habiendo alcanzado una
temperatura aproximadamente 900ºC, gracias al calor extraído de los ladrillos
(Checkers) recuperadores de calor. Con tres estufas disponibles para el Alto
Horno, dos pueden estar en calentamiento con gas y una podrá estar soplando en
cualquier momento.
Las estufas utilizan aproximadamente del 25 al 30% del gas producido por el
Alto Horno, para calentar el aire de soplo y tener así una eficiencia térmica de
aproximadamente 25%.
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Montacargas.
El montacargas en los hornos es del tipo skip de plano inclinado, dotado de
vagonetas volcables, o cubos desfondables, que abren automáticamente sobre el
tragante. En los hornos modernos no es necesario personal en la plataforma de
carga, lugar muy peligroso por los gases que se desprenden, pues la totalidad de
la maniobra de carga se dirige desde abajo y se realiza casi automáticamente
cuando desciende el nivel de la carga en el horno a una altura determinada.
Maquinas suplantes.
El aire de soplo que se introduce por la toberas después de ser precalentado a
mas o menos 800ºC en las estufas, es suministrado por una máquina denominada
"soplador", la cual es accionada por una turbina de vapor y un ventilador
centrífugo de tipo axial o radial.
El coque de petróleo es un producto residual de elevado contenido en carbono,
resultante de la pirólisis de las fracciones pesadas obtenidas en el refino del
petróleo, que ha pasado a través de un estado líquido cristalino (también
denominado mesofase) durante el proceso de carbonización y que está constituido
por carbono no grafítico pero grafitizable. Básicamente, se pueden clasificar los
distintos tipos de coque de petróleo en cuatro calidades distintas:
coque de petróleo de combustión
coque de petróleo regular
coque de petróleo de aguja
coque de petróleo de recarburación
La obtención de uno u otro depende, en parte, de las variables operativas,
pero sobre todo de las características de los residuos de partida, los cuales tienen
distinta procedencia.
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El crudo, previamente acondicionado, se somete a una destilación a presión
ligeramente superior a la atmosférica en la que se obtienen, además de gases,
naftas y otros destilados más pesados, un residuo que contiene la mayor parte del
azufre, nitrógeno, metales pesados y fracciones pesadas del petróleo (asfaltenos,
resinas, etc) denominado crudo reducido.
Este crudo reducido suele alimentar una columna de destilación a vacío en la
cual se obtienen una serie de fracciones y un nuevo residuo denominado Residuo
de Vacío. Estos dos residuos van a dar lugar, dependiendo de las características
del crudo de partida, bien al coque de combustión, o bien al regular.
En muchas refinerías, con el fin de aumentar el rendimiento en determinadas
fracciones ligeras (gasolinas, gas-oil, etc) existe otra serie de procesos como el
craqueo catalítico o la pirolisis, los cuales dan lugar a otros residuos, con menos
impurezas que los anteriores, denominados Aceite Decantado (el primero) y Fuel-
Oil de Pirolisis (el segundo).
Estos residuos una vez coquizados dan lugar al coque de aguja y al de
recarburación, respectivamente.
Los residuos anteriormente mencionados se someten a un tratamiento térmico
entre 400 y 600 ºC, obteniéndose un producto sólido primario, con un contenido
en materia volátil entre un 6 y un 20%, que se denomina coque de petróleo
verde.
La técnica de carbonización, o coquización, de residuos de petróleo empleada
por casi el 90% de la industria se conoce como coquización retardada. También
existe la coquización en lecho fluidizado pero es menos utilizada.
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El coque verde obtenido en el proceso de coquización no es,
generalmente, utilizable en estas condiciones. Sólo para el coque
combustible es suficiente este tratamiento térmico. El coque regular, utilizado
en la fabricación de electrodos para la producción de aluminio por medios
electrolíticos, debe ser tratado a una temperatura superior (1350 ºC
aproximadamente) debido a su tendencia a contraerse cuando se le somete
a un tratamiento térmico. El coque de aguja utilizado para la fabricación de
electrodos de grafito se debe someter a una temperatura de 2600-2800 ºC
para conseguir un material con las características apropiadas. Este
tratamiento térmico más enérgico, a que son sometidos los coques verdes,
se denomina calcinación y da lugar al denominado coque de petróleo
calcinado. La calidad final del producto calcinado depende además de la
propia calidad del material verde, de las condiciones de calcinaciónutilizadas, como son la velocidad de producción, la temperatura del horno, el
tiempo de residencia y el procedimiento de enfriamiento, que a su vez
dependen del equipo de calcinación que se utilice. Los dos equipos
utilizables en la calcinación comercial del coque verde son el horno rotatorio
y el horno de solera, siendo este último el más utilizado.
Horno rotatorio empleado para calcinar el coque verde
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Los coques que presentan un mayor valor añadido son: el coque de
recarburación, utilizado para ajustar el contenido en carbono del acero y por tanto
con unas especificaciones muy restrictivas en cuanto al contenido en impurezas, y
el coque de aguja, que debido a sus altas exigencias requiere de materias primas
especiales (aceites de decantado) y una selección muy rigurosa de las variables
de coquización y calcinación que optimicen la calidad del mismo.
En un lugar intermedio se encontraría el coque regular, utilizado en la
fabricación de ánodos para la producción de aluminio y con menores exigencias
que los anteriores. El coque combustible es el más barato de todos, ya que
además de ser el de más baja calidad no se somete al proceso de calcinación y
se comercializa en su estado de coque verde. Este coque de petróleo es el demayor producción a nivel mundial, lo que unido al descenso en la demanda que
está experimentando por parte de sus consumidores tradicionales (centrales
térmicas, industrias cementeras, etc.) hace necesario buscar nuevos campos de
aplicación para dicho tipo de coque.
10.- UNIDADES DE COQUIZACIÓN EN VENEZUELA
En Venezuela existen varias unidades de coquización retardada, ya que
estas son capaces de procesar fondos de vacíos con alto contenido de carbón
Conradson, y son capaces de producir gran cantidad de coque para la
comercialización. Anteriormente, este tipo de coquización no era muy rentable
debido a que el coque era visto como un subproducto no deseado del proceso, en
estos días la demanda de coque se ha visto en alza y por consiguiente haconllevado a los refinadores a reconsiderar la implantación de este tipo de
coquización.
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Las plantas instaladas de coquización retardada están ubicadas en el
estado Falcón y en el oriente del país. En el Centro Refinador Paraguaná,
ubicado en el estado Falcón se encuentran ubicadas dos unidades de coquización
retardada, específicamente en la refinería de Amuay y en la refinería de Cardón,
respectivamente. La unidad de la refinería de Amuay inició sus operaciones en
1994 y tiene una capacidad de 34MBD. La unidad de Cardón inició sus
operaciones en 1996 y tiene una capacidad de 60MBD. En el oriente del país, las
cuatro empresas mixtas mejoradoras de crudo, Sincor, Ameriven, Petrozuata y
Operadora Cerro Negro poseen unidades de coquización retardada.
En este país solo se tiene instalada una unidad de flexicoking. Esta se
encuentra ubicada en el Centro Refinador Paraguaná, en la refinería de Amuay.
Inició sus operaciones en 1982 y tiene una capacidad de 64MBD.