7/26/2019 Formacin de Polvo Negro en El GN y Como Eliminarlo

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Formacin de POLVO NEGRO en el

GAS NATURAL y como eliminarlo.

Un problema que se debe

enfrentar en Gasoductos,

Estaciones y los Inyectoresde Gas Natural

El largo camino que transcurre el gas natural desde que se

extrae de los pozos de produccin hasta las plantas

industriales, estaciones de GNV y domicilios no resulta tan

simple como parece.

La primera parada es la planta de separacin de lquidos, desdedonde debera conducirse hasta los mercados de consumo, gas

totalmente seco y limpio; en la medida que se incumpla tal

objetivo, existirn impurezas que en contacto con el interior de

los gasoductos generarn procesos fisicoqumicos que

determinarn presencia de hidratos y partculas slidas en el

destino final. El polvo negro se forma en estas circunstancias y

representa un problema en el propio gasoducto, las estaciones

de regulacin, los circuitos de distribucin y las instalaciones

de los consumidores finales.

En este artculo mostramos la importancia de realizar una

operacin eficiente en las plantas de separacin de lquidos,

evitando la presencia de residuos de agua y aire en el gas

natural seco, los cuales formarn polvo negro con el hierro de

las tuberas de acero de los gasoductos. Asimismo, atrapar el

que resulte inevitable, evitando sus consecuencias en los

sistemas de medicin y las boquilla de inyeccin de gas natural

en los reactores de combustin.

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1 Que es el polvo negro?

La literatura tcnica identifica como polvo negro todas las partculas que se presentan

con el gas natural; para nuestro anlisis preferimos separar las impurezas en dos grupos:

Las impurezas de carcter fsico, constituidas por gotas y partculas que pueden

provenir del mismo yacimiento o se generan durante las operaciones de

extraccin, transporte, separacin y compresin. Sus caractersticas y

propiedades fsicas son conocidas y las instalaciones disponen de sistemas

adecuados para separarlas y eliminarlas.

Las impurezas de carcter qumico que se forman en el interior de las tuberas degas hmedo y seco, por reaccin entre los gases y vapores que forman parte de

la composicin del gas natural transportado y el hierro del acero de las tuberas

del gasoducto. Estos componentes poseen en su composicin el oxgeno y lo

ceden para permitir la oxidacin del hierro, formando compuestos hbridos quesolidifican, permaneciendo en suspensin en el flujo transportado. Este es el

polvo negro que nos interesa conocer y caracterizar para planificar su adecuado

tratamiento, evitando los problemas que ocasionan en todo el sistema.

2. Cmo se forma?

Todos los metales y en particular el hierro en condiciones atmosfricas se oxidan

formando una capa de xido que interrumpe el proceso, aislando el metal del

contacto con el oxgeno del aire; si desaparece esa capa se volver a formar y as

sucesivamente hasta convertir todo el metal en xido. El caso ms simple lo

constituye el tubo de escape de los automviles.

Todos los metales en contacto con el

oxgeno del aire se oxidan y forman una

capa porosa protectora. Al desprenderse

esta capa por vibracin, volver a

oxidarse, reproducindose esta reaccin

hasta desaparecer el metal

Como expertos en combustin reconocemos y estudiamos como importante

catalizador de la reaccin de la combustin el hierro metlico; as lo podemos

comprobar cuando quemamos aceites lubricantes usados con limaduras de hierro del

interior de los cilindros. En el interior de las tuberas y con la elevada presin del

fluido sobre las paredes, en presencia de oxgeno, libre o combinado, el elevado

potencial qumico de la reaccin de oxidacin determinar que se forme xido de

hierro que combinado con los hidrocarburos presentes tomar el color negruzcocaracterstico.

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Mientras que exista la ms mnima cantidad de oxgeno, se producir este fenmeno

y ser fuertemente catalizado por la presencia de agua. Considerando que resultar

tcnicamente imposible o econmicamente inconveniente eliminar totalmente el

oxgeno del aire y el agua en la composicin del gas, la formacin de polvo negro en

los gasoductos resultar inevitable.

En el gas hmedo que se extrae de los pozos, en forma conjunta con los

hidrocarburos se encuentran contenidos variables de impurezas con diferente

comportamiento fisicoqumico, tales como componentes de azufre, vapor de agua,

dixido de carbono, etc. Estos componentes en el interior de la tubera de gas

hmedo generan formas de corrosin cida que tendran que ser separadas en la

planta de tratamiento y separacin de lquidos. Si tales elementos subsisten en el

gasoducto de transporte de gas seco, continuarn reaccionando con el Hierro de las

paredes internas de la tubera de acero

3. Caracterizacin del Polvo negro

Estas partculas se forman por reaccin qumica entre componentes cidos tales

como el SH2y el vapor de agua, por lo cual no solamente estn constituidos por

oxido de hierro; la presencia de vapor de agua en el gas natural y las altas presiones

de transporte en los gasoductos, facilitar la reaccin entre el SH2con el Oxido de

Hierro, formndose Sulfuro de Hierro (S2Fe) y vapor de agua.

Atendiendo los potenciales qumicos de los compuestos considerador, se formarn

sulfuros de hierro con el azufre disponible, incrementndose el contenido de Oxido

de Hierro en la medida que quede oxgeno libre o combinado, de tal forma que el

polvo negro presenta generalmente mayor proporcin de este compuesto en la

medida que exista mayor proporcin de aire y agua en los gases transportados.

En el medio orgnico considerado y en la interfase gas-lquido presente, el

desarrollo microbiano tambin determina una forma de catlisis bacteriana que

favorece la presencia de partculas de color negruzco, originado por la presencia

preponderante de hidrocarburos en el medio.

El origen qumico de las partculas formadas establecen una condicin

granulomtrica muy pequea, presentndose predominantemente partculas muy

finas, menores a 1 micra, lo cual determina grandes dificultades de captacin.

Vistas microscpicas de muestras de polvo negro

hmedo y seco que permiten apreciar la finura de las

partculas, menores a 1 micra.

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4. Problemas que ocasiona el polvo negro

El polvo negro puede ocasionar problemas en 3 partes del sistema:

4.1

En los Gasoductos:

Cuando en los gasoductos se mantienen velocidades muy bajas se produce la

sedimentacin del polvo negro, acompaado de otras impurezas, lo cual

comienza a disminuir la capacidad de transporte efectiva del gasoducto, hastallegar con el tiempo a niveles de obturacin que obligan a su paralizacin para

operaciones de limpieza.

Cuando se opera a velocidades muy altas, las partculas slidas en suspensin

provocan erosin en el interior de las tuberas.

La presencia de polvo negro, impurezas e hidratos favorece la corrosin qumicade las tuberas.

El revestimiento externo de las tuberas de acero las protege de factores agresivos en

gasoductos areos y enterrados, pero en el interior, el contacto de agua y aire con el

hierro del acero, formar el xido que llamamos polvo negro, formando una capa que

disminuye progresivamente el dimetro til del ducto

Parcheo de las uniones soldadas, para

completar el revestimiento externo

4.2

En las Estaciones de Recepcin, Regulacin, Medicin y Limpieza:

La exagerada finura del polvo negro (1 micra) establece dificultades para su captacin

en los separadores ciclnicos y filtros de cartucho, llegando una proporcin importante

a los sistemas de regulacin y medicin, provocando inconvenientes fsicos (erosin y

obturacin) y qumicos (corrosin).

En los medidores de flujo, afectar los medidores tipo turbina y de pistn, resultando

menos dainos en los medidores ultrsnicos y gravimtricos (efecto Coriolis) porque

no afectan y por el contrario inclusive favorecen la deteccin de la seal.

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4.3

En los equipos de combustin

En los quemadores de gas natural que trabajan a baja presin los inconvenientes se

presentan en los trenes de vlvulas de regulacin y medicin; en quemadores de alta

velocidad (supersnicos) se presenta la erosin de las boquillas.

En turbinas de gas, el polvo negro se quema en la cmara de combustin donde se

manejan atmsferas muy oxidantes, pero siempre se tendrn partculas de oxido de

hierro impactando en los labes, por lo cual debe procurar su eliminacin total en los

circuitos de limpieza.

5. Como controlar y eliminar los problemas que genera la presencia del polvo

negro con el gas natural

Los problemas que genera la presencia de polvo negro en el gas natural deben atacarse

desde el punto de partida hasta su destino final de combustin:

5.1

En las plantas de separacin de lquidos:

Para evitar su formacin posterior durante el transporte por gasoductos, se debe

disminuir al mnimo posible la presencia de componentes sulfurosos, agua y aire en el

gas natural seco. El cumplimiento de este objetivo depende exclusivamente del

tratamiento aplicado en la planta de separacin de lquidos; evidentemente en los ductos

para transporte de gas hmedo resultar mayor la produccin de polvo negro.

En la planta de procesamiento del gas

hmedo se determinan los factores

potenciales de formacin de polvo negro

en los gasoductos de transporte y

distribucin.

5.2 En los gasoductos

Considerando que resultar inevitable la presencia de algo de oxgeno, agua y en menor

proporcin azufre, para evitar o minimizar la formacin de polvo negro, se deben

considerar los siguientes factores y posibilidades:

Considerar en el diseo, dimensionamiento y trazado de gasoductos, condiciones

termodinmicas y de mecnica de fluidos apropiadas para disminuir la cintica

de la reaccin de oxidacin : Mnima temperatura posible y flujo laminar.

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En el trazado y diseo de los gasoductos debe

considerarse la termofluidodinmica que favorece la

formacin de polvo negro.

Utilizar tuberas de acero con revestimiento interno permitir evitar el contactoentre los gases transportados y el hierro del acero. Generalmente se utilizan

tubos con revestimiento externo para proteger los ductos de la corrosin externa

porque existen muchos factores agresivos en el exterior; resultar ms difcil

justificar el uso de revestimiento interno para evitar la formacin de algunos

miligramos de polvo negro por metro cbico.

Existen una variedad de opciones de revestimiento que protegen las superficies internas

de los tubos de los efectos de la corrosin y la erosin, siendo algunas opciones:

Epoxy lquido.

Revestimiento interno epxico adherido por fusin (FBE)

Pintura anticorrosiva especial.

Para remocin del polvo negro se utilizan chanchos de limpieza, requiriendo unnmero importante de pasadas, dependiente del polvo acumulado. Se debe

disponer de instalaciones adecuadas para su eliminacin del circuito hacia

tanques cerrados y protegidos, sin afectar las instalaciones aguas abajo y el

ambiente. La utilizacin de limpieza qumica para eliminar el polvo adherido

al interior de las paredes no lo recomendamos, porque se volver a oxidar el

acero, generando un acelerado agravamiento del problema eliminado; preferible

mantener esta capa protegiendo la tubera de abrasin y oxidacin.

Existen una gran variedad de chanchos

para limpieza y control de las

condiciones en el interior de gasoductos.

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5.3 Instalaciones industriales

Hemos visitado muchas instalaciones de nuestros clientes con diferentes instalaciones y

equipos de combustin, encontrando en todos ellos, con diferentes niveles de gravedad,

la existencia del problema del polvo negro. En todos los casos pudimos comprobar quelos filtros instalados para captar las impurezas y proteger instalaciones y equipos

crticos, no permiten eliminar el polvo negro; prueba de ello que pudimos comprobar

que en la mayora de los casos termina ocasionando inconvenientes en las boquillas de

inyeccin a las cmaras de combustin, lo que significa que el polvo negro logra

traspasar todas las barreras anteriores. El anlisis de las causas de tal ineptitud resulta

abrumadoramente lgica:

Los separadores ciclnicos, como separadores estticos, no son capaces de

captar partculas menores a 5 micras, las cuales son captadas por los tubos de

inmersin, debido a su escasa masa, en lugar de ser separadas de los gases

limpios por centrifugacin, como sucede con las partculas ms grandes ypesadas.

Los filtros de cartucho estn diseados con luces de paso de 10 y 5 micras,

capturando al polvo negro solamente por aglomeracin y cuando el propio polvo

negro llega a disminuir el rea de paso.En este ltimo caso y ubicando mallas

con capacidad para atrapar partculas de menor tamao, se llega a un punto en el

que la cada de presin y la acumulacin de polvo llegan a constituir un

problema de operacin.

Los filtros coalescentes y scrubbers difcilmente se justifican como criterio de

diseo en instalaciones industriales de mediano y pequeo tamao, por la

inversin que representan y sus complejidades operativas.

Habiendo comprobado que la separacin fsica resultaba complicada por su pequeo

tamao, buscamos otras caractersticas del polvo negro que pudiesen permitirnos

atraparlo: Al revisar el anlisis qumico de varias muestras y comprobar que ms del

85% del polvo negro est constituido por Oxido de Hierro, lo que se puede comprobar

fcilmente utilizando un imn. Resulta por tanto fcil concluir que se debe aprovechar

las caractersticas magnticas del polvo negro para atraparlo, comprobando que el tema

ya ha sido ampliamente estudiado y se han desarrollado interesantes diseos de filtros

magnticos, tales como el que se muestra en las siguientes vistas:

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Se muestra la forma que se instalan en planta y la estructura , consistente bsicamente

en un magneto que forma el campo magntico donde quedarn atrapadas las partculas

de Oxido de Fierro del fluido: a ambos costados del magneto se ubican lminas

metlicas que magnifican el campo magntico. Un detalle importante en el diseo

consiste en que las placas metlicas son lminas delgadas ms largas que el cuerpo del

magneto con perforaciones en U que es por donde transcurre el flujo; en esta forma elefecto de limpieza resulta ms efectivo y no representa mayor impedimento en el paso

del fluido involucrando muy poca cada de presin en el circuito.

Cada conjunto de magneto con placas constituye un ncleo, pudiendo variar la cantidad

de ncleos requeridos para cada Unidad de Filtrado. En el caso del gas natural, resulta

relativamente fcil la separacin de las partculas por efecto del campo magntico.

La vista grfica de la forma en la que trabaja el filtro se muestra en la siguiente figura y

puede apreciarse en forma animada en Internet.

Aunque la simpleza del concepto de captacin y la tecnologa desarrollada parece muy

simple y efectiva, nuestras referencias nos conducen a concluir que su aplicacin ha

sido muy amplia en otros campos, pero limitada en cuanto a instalaciones de gas

natural.

La importancia que reviste este tema desde los puntos de vista tcnico, econmico y

ecolgico nos mantendr investigando permanentemente en este campo, para determinarlos puntos ms adecuados para su instalacin.

En los City Gates y derivaciones importantes, donde se deben ubicar calentadores para

compensar la disminucin de temperatura que acompaa la regulacin de presin en

niveles inferiores, se puede utilizar el polvo negro separado como fuente trmica.

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COMENTARIO FINAL

La formacin de polvo negro en los gasoductos genera problemas que pueden

llegar a ser graves, solamente por razones tcnicamente injusticables.

Se conoce perfectamente que efectuando correctamente la separacin de lquidos

en la planta de procesamiento, se debe disponer de un gas natural seco con

mnimas impurezas, lo cual generar proporciones manejables de polvo negro en

ductos correctamente trazados, diseados y dimensionados.

Conociendo que el polvo negro es principalmente xido de hierro, no resultar

complicado separarlo, utilizando filtros magnticos . Su extremada finura

complica su eliminacin en estaciones de recepcin, medicin y regulacin, pero

no afecta demasiado el mantenimiento de equipos y sistemas de medicin y control.

Respecto a los equipos de combustin, hemos podido comprobar que en calderos y

la mayora de hornos con inyectores normales, el polvo negro es un catalizador

efectivo. Solamente en inyectores con toberas muy estrechas complican su

operacin, llegando a obturarlas, por lo que debe eliminarse con filtros magntico

en lnea y correctamente ubicados.

En conclusin, el polvo negro puede representar un problema en la utilizacin del

gas natural, solamente para quienes no planifican adecuadamente el

procesamiento del gas hmedo que se extrae del pozo, no diseas en forma

adecuada los gasoductos y no cumplen su trabajo como ingenieros y supervisores.

Ing. Percy Castillo Neira