Estimación de emisiones a la atmósfera provenientes de quemadores elevados de instalaciones petroleras en la Sonda de Campeche

A. Mendoza–Domínguez y M. Graniel–Peralta

Departamento de Ingeniería Química y Centro de Calidad Ambiental, ITESM Campus Monterrey

E–mails:
mendoza.alberto@itesm.mx ]]> mgranielp@pep.pemex.com

Recibido: mayo del 2005
Aceptado: noviembre de 2005

Resumen

PEMEX Exploración y Producción (PEP), realiza venteos de gas asociado a través de quemadores elevados tipo antorcha en sus instalaciones de producción de la Sonda de Campeche, lo cual permite controlar las presiones en los separadores y líneas de conducción de dichas instalaciones. Este estudio se centra en cuantificar las emisiones atmosféricas provenientes de los quemadores pertenecientes a la Región Marina Noreste de PEP. Para ello, se elaboró un inventario de emisiones para seis diferentes episodios de estudio entre noviembre de 2000 y noviembre de 2001, a fin de diagnosticar el comportamiento de las emisiones a través de diferentes condiciones meteorológicas. El inventario presentado fue para CO, CO₂, SO₂, óxidos de nitrógeno, partículas suspendidas totales e hidrocarburos no quemados. El inventario se construyó empleando factores de emisión, en los cuales se factorizaron ineficiencias de combustión teóricas, debidas a las condiciones meteorológicas imperantes en la zona. Los resultados obtenidos, muestran emisiones considerables de H₂S y compuestos orgánicos no quemados por ineficiencias de combustión en los quemadores, estimadas entre 22% y 44%.

Descriptores: Contaminación atmosférica, inventario de emisiones, combustión, factores de emisión, plataformas marinas.

Abstract

Keywords: Air pollution, emissions inventory, combustion, emission factors, marine platforms.

Introducción

La industria petrolera es uno de los ramos industriales más importantes para nuestro país. El organismo responsable de la exploración y explotación de los yacimientos de hidrocarburos del país es PEMEX Exploración y Producción, siendo las Regiones Marinas Noreste (RMNE) y Suroeste (RMSO) las encargadas de realizar las actividades de extracción y transporte de petróleo crudo y gas natural en el Sur del Golfo de México, específicamente en la Sonda de Campeche (Figura 1). De esta zona se extrae más del 80% de la producción nacional de petróleo crudo, del cual, el 85% le corresponde a la RMNE, el 15% a la RMSO y el 33% a la producción del gas natural, perteneciéndole el 60% a la RMNE y el 40% a la RMSO (PEMEX, 2004). De los activos que conforman la RMNE, Cantarell aporta más del 85% de la producción de petróleo crudo de dicha Región, y más del 70% del gas natural (PEMEX, 2004). El gas natural que se extrae en esta zona viene asociado al petróleo crudo. La mezcla de petróleo y gas extraída es separada en las instalaciones de producción, para posteriormente enviar el petróleo crudo a las Terminales Marítimas, Cayo Arcas y Dos Bocas. Por su parte, el gas natural asociado, conocido también como gas amargo por contener sulfuro de hidrógeno (H₂S) y bióxido de carbono (CO₂), es comprimido y enviado al Centro de Proceso y Transporte de Gas en la Península de Atasta (CPTGA), en Campeche.

Las instalaciones de producción cuentan con sistemas de desfogue a la atmósfera de sus corrientes gaseosas para evitar sobrepresionamientos en el sistema de compresión, en caso de alguna falla operativa o rechazo de gas en las instalaciones procesadoras. Sin embargo, debido al contenido de hidrocarburos explosivos y H₂S de la corriente gaseosa, ésta no se envía directamente a la atmósfera, dado que esto constituiría un riesgo para el personal que labora en las instalaciones. Cabe mencionar que el H₂S a concentraciones mayores de 250 partes por millón en volumen (ppmv) causa edema pulmonar y superiores a 1,000 ppmv puede ser mortal por causar parálisis respiratoria (US EPA, 1990). Para evitar riesgos, el gas amargo rechazado es enviado a quemadores elevados tipo "antorcha". Como resultado de la combustión del gas amargo, además de CO₂ y agua, se emite bióxido de azufre (SO₂), óxidos de nitrógeno (NO_x), partículas suspendidas (PS), monóxido de carbono (CO), compuestos orgánicos no quemados y H₂S no oxidado. Estimados recientes (Villasenor et al., 2003), indican que cerca del 82% del total de contaminantes emitidos a la atmósfera en las regiones marinas proviene de estas operaciones de quemado de gas.

En la actualidad, existe información limitada acerca de las emisiones de contaminantes atmosféricos provenientes de los activos de la RMNE, su destino y efectos que ocasionan al medio. Algunos autores han estudiado los efectos de la lluvia ácida en el Golfo de México (Parungo et al., 1990; Bravo et al., 2000 y 2004), pero sin relacionar directamente las fuentes de emisión con los efectos ambientales. Gamboa–Rodríguez et al. (2004) realizaron un estudio para relacionar niveles de hidrocarburos aromáticos policíclicos en el aire ambiente con actividades de la industria petrolera, pero en zonas tierra adentro del Estado de Tabasco. Recientemente, Villaseñor et al. (2003), reportaron un inventario de emisiones integral de las operaciones de exploración y producción en la Sonda de Campeche. Sin embargo, el inventario reportado no considera el efecto de las ineficiencias de combustión en las emisiones de los quemadores elevados, debidas a condiciones meteorológicas locales. Así, en el presente artículo se presentan estimaciones de las emisiones provenientes de los quemadores elevados tipo antorcha de gas operados por PEMEX en la RMNE derivadas de la aplicación de una técnica para calcular la eficiencia de los quemadores con base en las condiciones meteorológicas imperantes, y así corregir las estimaciones de las emisiones obtenidas puramente por factores de emisión. Esta información es relevante, ya que se puede emplear como base para estudiar posteriormente el efecto potencial de las emisiones a lo largo de la costa del Golfo de México, tanto en la salud de los habitantes en actividades como la agricultura y en los bienes materiales (por ejemplo, lluvia ácida), como en la calidad escénica (visibilidad) de la región.

Metodología

Fuentes de información

Generación del inventario de emisiones

Se estimaron las emisiones horarias de SO₂, H₂S, NO_x, CO, CO₂, PS, y compuestos orgánicos totales (COT) provenientes de 16 quemadores elevados, así como un quemador de fosa. Para la formulación de los factores de emisión, se consideraron métodos desarrollados para operaciones de producción y de proceso de la industria petrolera (US EPA, 1995; ERG, 1999). La estimación de emisiones de H₂S, SO₂ y CO₂, considera la razón de conversión como función de la eficiencia de la combustión. Por ejemplo, el cálculo de la emisión de H₂S (masa emitida por unidad de tiempo) se expresa como:

.................(1)

donde E_H2S es la emisión de H₂S, Q es el flujo volumétrico de gas quemado, y_H2S es la fracción molar de H₂S en el gas quemado, C es el volumen molar del gas ideal, M_so2 es la razón de conversión molar de H₂S a SO₂ (basado en la estequiometría y suponiendo una conversión dependiente de la eficiencia de la combustión), y PM_H2S es el peso molecular del H₂S . Formas similares a la ecuación (1) fueron empleadas para estimar las emisiones de SO₂ y CO₂. Para las emisiones de CO y NO_x se consideran estimaciones de acuerdo al poder calorífico del gas quemado. Así, por ejemplo, para el compuesto i(i = CO o NO_x) se tiene:

............................................................(2)

donde E_i es la emisión del compuesto i, PC_GN es el poder calorífico del gas natural (1,532.165 BTU/f³, según datos proporcionados por PEMEX), y FE_i es el factor de emisión (F_CO es igual a 0.37 lb/10⁶ BTU, y F_NOx es igual a 0.068 lb/10⁶ BTU). Para el caso de las PS, se tomó un factor de emisión promedio de 6.77 lb/10⁶ ft³ de gas quemado, el cual corresponde a quemadores con humeo medio. Finalmente, las emisiones de COT no quemados fueron estimadas mediante un balance de materia.

................................................................(3)

La estimación de la energía emitida por la flama (H_f), se calcula como sigue:

.........................................................................(4)

en donde S es el calor sensible ganado por el aire al pasar a través de la flama, y R' es el calor perdido por la flama, debido a la radiación. R' se calcula como:

...........................................................................(5)

donde A_f es el área de la flama, σ es la constante de Stefan–Boltzmann, y T_f es la temperatura de la flama. El valor de S (al igual que el de A_f) puede ser estimado, suponiendo que la flama se comporta como una flama difusiva, como:

..................................................(6)

donde Cp es el calor específico a presión constante del aire, ρ_f es la densidad del aire evaluada a T_f , V_f es el volumen ocupado por la flama, T_o es la temperatura ambiente, y t_f es el tiempo necesario para que el aire pase a través de la flama (t_f= x_f/U, donde x_f es la longitud horizontal de la flama y U es la velocidad del viento). Las dimensiones de la flama (A_f , V_f , x_f ) se pueden calcular empleando el modelo desarrollado por Leahey et al. (1987), el cual no se presenta por brevedad.

Finalmente, la información meteorológica requerida (temperatura ambiente y velocidad de viento) para el cálculo de eficiencias de combustión, se obtuvo de campos generados por interpolación espacial. Esto fue necesario, ya que la posición de las estaciones meteorológicas no coincide con la posición de las plataformas de producción donde se encuentran los quemadores (Figura 2).

Así, los campos meteorológicos fueron obtenidos mediante un modelo de diagnóstico (Goodin et al., 1979) a partir de la información puntual de las estaciones meteorológicas de la zona. El modelo realiza una interpolación espacial con pesos que varían con el inverso del cuadrado de la distancia:

.........................................................(7)

donde V_int es el valor interpolado, V_m,i es el valor medido en la estación i, y d_i es la distancia de la estación al punto en donde se está generando el valor interpolado. El dominio seleccionado para realizar la interpolación espacial contiene 42 celdas en el eje horizontal y 56 celdas en el eje vertical, cada una de 4x4 km² (Figura 2). La esquina inferior izquierda del área establecida, se sitúa en la coordenada UTM 480,000 (m) en el eje horizontal y 2,016,000 (m) en el eje vertical, de la zona geográfica número 15. De esta forma, el modelo de diagnóstico genera valores interpolados en el centro de cada celda, los cuales son usados para el proceso de estimación de emisiones.

Resultados

Las variaciones propias del proceso de extracción de hidrocarburos del subsuelo, así como el origen del mismo, traen como consecuencia variaciones en la composición de los gases venteados. Con el fin de simplificar el análisis, se decidió tomar una composición promedio del gas asociado quemado (Tabla 2). La eficiencia global de combustión estimada de los quemadores durante los períodos de estudio fue de 22%, lo que resultó en emisiones considerables de hidrocarburos no quemados y de H₂S no convertido a SO₂. Los quemadores menos eficientes fueron los ubicados más lejos de la zona costera, debido principalmente a la velocidad de vientos encontrados en estos sitios. Los quemadores del CPTGA, registraron una eficiencia promedio del 44%. Estos resultados son consistentes con estimaciones teóricas (Leahey et al., 2001) para quemadores operando con metano, debiéndose la alta ineficiencia a las flamas relativamente cortas que se generan con la consecuente dificultad de poder disipar eficientemente calor. Estos resultados fueron obtenidos suponiendo una temperatura de flama de 1200°K (Mendoza et al., 2004).

Finalmente, en la tabla 5 se muestra un desglose de las emisiones de cada período por contaminante. Como es de esperarse, las emisiones de CO₂ representan un porcentaje considerable del total emitido. Debido a las ineficiencias estimadas en la operación de los quemadores, las emisiones de H₂S son mayores a las de SO₂, mientras que la emisión de hidrocarburos no quemados es apreciable.

Discusión

El inventario de emisiones generado, refleja variabilidades en las emisiones de gases enviados a la atmósfera en los diferentes períodos de análisis. Esta variabilidad es resultado de tres factores fundamentales. En primer lugar, por variaciones a través del año en los volúmenes de gas quemado, debidas primordialmente a cuestiones operativas (sobrepresionamientos); otra variable involucrada, es el origen del gas, ya que éste viene asociado al petróleo crudo que se extrae en el área marina, siendo diferente la fracción de gas en cada campo de extracción, y por ende, dependiendo de las tasas de extracción en cada campo será la cantidad de gas producido. En tercer lugar, se tiene que las variaciones meteorológicas impactan las eficiencias de los quemadores. En este último punto, resultados de otros autores (Leahey et al., 2001) indican una gran sensibilidad de la eficiencia de combustión a la velocidad del viento, más que cualquier otra variable, de tal manera que velocidades por encima de 4 m/s llegan a reducir la eficiencia por debajo de un 40%. Las velocidades de viento reportadas para el período de Noviembre de 2000 a 2001 (Figura 3) superan consistentemente los 4 m/s en la zona marina (p. ej., estación Ico–1), mientras que en la zona costera las intensidades se ven disminuidas (estación Dos Bocas). Así, velocidades típicamente altas en las zonas marinas conllevan bajas eficiencias de combustión, tal como se presentó en este estudio. Estos resultados indican que un análisis posterior de los impactos de estas emisiones tiene que considerar la variabilidad encontrada al momento de generar los inventarios de emisiones en quemadores elevados.

Para apreciar aún más la relevancia de la eficiencia de combustión en la estimación de las emisiones de quemadores elevados, se comparan los resultados presentados aquí con los obtenidos por Villasenor et al. (2003). La relación másica de SO₂ a H₂S obtenida en nuestro estudio estuvo en el rango de 0.40 a 0.49, mientras que el estudio que no factoriza el efecto de las eficiencias de combustión resulta en valores de 158, es decir, se supone una eficiencia cercana al 100%.

Conclusiones

En este trabajo se desarrolló un inventario de emisiones para quemadores elevados tipo antorcha operados por PEP en la RMNE. El inventario se construyó con base a información proporcionada por PEP y factores de emisión corregidos para tomar en cuenta la eficiencia de combustión de los quemadores, debido principalmente, a las condiciones meteorológicas locales. El inventario de emisiones se realizó para seis episodios a lo largo del período comprendido entre noviembre del 2000 y noviembre del 2001, con el fin de observar variaciones estacionales. En este aspecto, se observó una gran variabilidad en cuanto a las cantidades de emisiones atmosféricas de los quemadores de la RMNE, debido principalmente a que el volumen de gas quemado depende de aspectos operacionales durante la extracción y el transporte del gas natural, así como meteorológicos que impactan la eficiencia de los quemadores (principalmente velocidad del viento). Las eficiencias de combustión estimadas para los quemadores fueron bajas, por lo que se tienen emisiones considerables de H₂S y de hidrocarburos no quemados a la atmósfera. Estos resultados son consistentes, con lo que se puede esperar de manera teórica de la combustión de metano en quemadores tipo antorcha.

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Semblanza de los autores

Alberto Mendoza–Domínguez. Es profesor–investigador del Departamento de Ingeniería Química del ITESM Campus Monterrey y director del Centro de Tecnología Limpia del Centro de Calidad Ambiental del mismo Instituto. Obtuvo su grado de doctor en ingeniería ambiental del Georgia Institute of Technology. Sus áreas de investigación están relacionadas principalmente con modelación y monitoreo calidad del aire.

Manuel Graniel–Peralta. Obtuvo la licenciatura en ingeniería industrial en química en el Instituto Tecnológico de Mérida y el grado de maestro en ciencias del ITESM Campus Monterrey. Actualmente labora en la Gerencia de Seguridad Industrial y Protección Ambiental de PEMEX Exploración y Producción, Región Marina Noreste.