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Introducción
Los cortes de perforación contaminados con diésel se generan por la inclusión de los fluidos base diésel (flluidos OBM) en el proceso de perforación petrolera en Cuba. Dicha inclusión resultó una opción eficaz, pues permitió reducir el tiempo de perforación durante la exploración en busca de nuevos yacimientos petrolíferos y evitar incidentes negativos durante el trayecto de la sarta.1 Todo ello resulta sostenible y viable siempre que se logre cerrar el ciclo de manejo para el residuo generado durante el proceso. Cero residuos, con la adopción de una estrategia de economía circular ayudarán a diseñar un manejo adecuado de los cortes OBM en la industria de petróleo y gas.2
Hasta el momento, la experiencia con el manejo del corte OBM en Cuba permite afirmarque: es mayor la velocidad de generación del residuo que la velocidad con que se disponen dichos cortes peligrosos; por ello, actualmente hay grandes volúmenes almacenados. Tal situación provoca limitaciones en cuanto al almacenamiento temporal de los mismos y el consecuente impacto ambiental que puede generar su vertimiento por sobrecarga del volumen de almacenamiento.
En la búsqueda de soluciones ambientalmente seguras para la disposición final de cortes OBM, se traza la estrategia de emplearlo como portador energético en la industria de materiales de construcción, debido a que contienen un valor calórico aprovechable en procesos productivos que demanden carburantes.
El desarrollo de materiales de la construcción en la actualidad se encuentra limitado por la racionalización del consumo de áridos y el consumo de combustibles para su procesamiento. Algunos procesos industriales tradicionales como la producción de ladrillos cocidos se han visto limitados por los altos costos de la energía o por la insuficiente disposición de dichos portadores.
La situación energética a nivel mundial, incluido Cuba, es la principal causa de incremento en costo de los combustibles empleados en la fabricación de materiales refractarios, lo que ha provocado una disminución en el número de productores de ladrillos cerámico rojo común en países del tercer mundo.3
Por otro lado, se utilizan grandes volúmenes de leña para la cocción de ladrillos lo que, unido al bajo nivel tecnológico, conduce a la ineficiencia de los hornos que se emplean. Tal situación constituye una de las principales causas del cambio climático a nivel global, además de conducir a la deforestación cuando la tala de bosques se realiza de forma indiscriminada. En este sentido, la implementación de una economía circular para aprovechar las propiedades beneficiosas que poseen los residuos de otros procesos productivos, podrá contribuir al rescate de la industria del ladrillo.4
El residuo o corte OBM se genera al emplear fluidos oleosos en la perforación petrolera. Dichos fluidos son costosos y muy valorados por los perforadores porque minimizan las pérdidas económicas que comúnmente se contabilizan por roturas de brocas, sartas de perforación, derrumbes de las paredes, entre otras, cuando se atraviesan formaciones geológicas con arcillas reactivas a los fluidos acuosos.5,6 Los cortes OBM están constituidos por compuestos dañinos (hidrocarburos del petróleo, metales o metaloides, etc.) que afectan tanto a la salud de las personas como al ecosistema asociado. Sin embargo; esos componentes que resultan dañinos al medio ambiente, son valiosos para otros procesos productivos por su poder calórico y contenido de arcillas, lo cual añade valor al residuo.1,2,5,6,7 Teniendo en cuenta lo anterior, este trabajo tuvo el propósito de evaluar el corte OBM como portador energético en la producción de ladrillos cerámicos (tejares) y analizar el efecto en la calidad del aire en esos ambientes al emplear este residuo.
Materiales y métodos
Hornos de ladrillos cerámicos
Se desarrollaron pruebas industriales para evaluar el comportamiento del corte OBM como carburante en el proceso de cocción de ladrillos cerámicos. Para ello se determinó el valor calórico, método éste aplicable a combustibles hidrocarbonados.8 Para la aplicación práctica se emplearon 3,5 t de corte OBM que se distribuyeron en los tejares ubicados en Guanabo, Encrucijada (UEB Sagua la Chica) y Manicaragua; estos dos últimos en la provincia de Villa Clara.
En la prueba realizada en Guanabo se utilizó un corte con mayor tiempo de envejecimiento, compacto y con menor contenido de humedad. Por otro lado, el corte que se utilizó en Encrucijada y Manicaragua, presentó una estructura más fangosa por ser un corte recién generado, con mayor contenido de agua (figura 1).
Fig. 1 Corte OBM empleado y tipología de los hornos: a) corte utilizado en el tejar de Guanabo, b) corte empleado en Encrucijada y Manicaragua, c) Horno de Guanabo, d) Horno de Manicaragua, e) Horno de Encrucijada
En todos los casos, para la cocción de los ladrillos se empleó leña como carburante. Luego de dos horas de encendido el horno se incorporó el corte OBM pues la temperatura de ignición de estos residuos es por encima de 1500 0C de temperatura.
En los tejares de Guanabo y Manicaragua, se alimentó el horno con palas cuyo peso aproximado del residuo fue de 2,3 a 3,2 kg, de esa manera se depositó el corte encima de la leña que estaba ardiendo.
En Encrucijada, fue necesario descender el nivel del suelo, por lo que se introdujo el corte en sacos de nylon con un peso aproximado de 11,3 kg y se administró al horno, al igual que en los otros casos, encima de la leña encendida. Una vez depositado el corte se observó el comportamiento de la llama. Cuando se alimentó el horno con palas, se repitió el proceso cuatro veces seguidas en el momento. Cuando se alimentó con sacos se introdujeron dos pues la llama subió de manera abrupta, fue necesario disminuir la intensidad.
Equipos empleados para el monitoreo de la calidad de aire
Con el fin de conocer la influencia en la calidad del aire de los vapores generados al combustionar el corte OBM, se tomaron muestras a 1,5 m de altura sobre el nivel del suelo en la zona de trabajo durante la realización de las pruebas. Los contaminantes seleccionados, la frecuencia mínima de muestreo y la cantidad de muestras en cada punto se establecieron de acuerdo a lo normado.9,10
Las muestras de gases se analizaron con equipo X-am 5600 de la firma alemana Drägger, que utiliza sensores electroquímicos XXS (SO2, NOx, H2S/CO) y un sensor DUAL IR Ex/CO2 para hidrocarburos (expresado como ppm CH4). Las calibraciones de aire fresco de los sensores del analizador se realizaron entre mediciones, de acuerdo a las instrucciones del fabricante. Los resultados se expresan en mg/m3 para SO2, NOx y H2S, mientras que para CH4 y CO se expresan en ppm.11,12
Para el caso de los hidrocarburos, como el sensor está calibrado con CH4, los resultados se expresan como ppm de este compuesto y se comparan con la norma que regula como concentración máxima admisible (CMA) y concentración media ponderada (CPA), 300 y 100 mg/m3 respectivamente, para hidrocarburos alifáticos saturados C1 - C10 (expresados como C).12
Se tomó para comparar:
CMA: 300 mg/m3 x 1.5 ppm x 16/12 = 600 ppm CH4 (25 0C y 1013 hPa)
CPA: 100 mg/m3 x 1.5 ppm x 16/12 = 200 ppm CH4 (25 0C y 1013 hPa)
Factor de conversión CH4 /C: 16/12
Para cada contaminante se registraron los valores máximos puntuales y promedios de 600 determinaciones en un tiempo de 10 min. Los valores experimentales se compararon con los requisitos de la norma que regula dichos parámetros. 13 Se utilizaron los valores en mg/m3 para unificar las unidades de todos los contaminantes.
A partir de las condiciones de funcionamiento del horno, observadas en el tejar de Guanabo, se incluyó la determinación de partículas suspendidas totales (PST) en los tejares de Villa Clara. Los muestreos y determinaciones de partículas suspendidas totales (PST) se realizaron con el monitor de partículas en aire ambiente EPAM 5000 que utiliza el método de dispersión de luz al IR cercano.(14) Este equipo registra 10 mediciones instantáneas por minuto en cada punto y a los 10 min promedia el valor máximo y mínimo. Los resultados se expresan en mg/m3 para SO2, NOx, H2S y PST y en ppm para CO y CH4 para hidrocarburos.
Los datos meteorológicos se determinaron in situ con una estación de condiciones atmosféricas portátil de alta precisión SKYWATCH GEOS 11 de la firma suiza JDC Instruments de medición de velocidad ((2 %) y dirección de viento, presión barométrica ((1.5 hPa), temperatura ambiente ((0.5 0C) y humedad relativa ((2 %). Los números en paréntesis indican la precisión para cada parámetro.
Puntos de muestreo
Los puntos de muestreos se determinaron teniendo en cuenta el rumbo predominante del viento y la ubicación de emplazamientos habitables cercanos a los tejares (tabla 1). En todos los casos se determinó la calidad del aire con utilización de leña como portador energético (antes de emplear del corte OBM) y luego con adición del corte al horno, o sea, antes y durante el empleo de corte OBM.
Las características del horno en Encrucijada fueron atípicas y para introducir el carburante hubo que descender del nivel del suelo (ver figura 1e). Colindante al horno (por el lado Este), estaba el río y luego una comunidad, por lo que se decidió monitorear el lado Este en dos puntos aledaños a diez metros de distancia, cuando se incorporó el corte OBM al horno. Un primer punto antes del río y un segundo punto del otro lado del río para conocer las concentraciones de gases contaminantes que se percibían al otro lado, cercano a áreas habitadas. En Manicaragua (punto 12), se midió detrás del horno que utiliza fuel oil para la cocción de los ladrillos y a la derecha del tanque que almacena el combustible con la intención de analizar los aportes que hace el fuel a la calidad de aire.
Resultados y discusión
Aplicación
Los resultados obtenidos en cuanto al corte OBM, arrojaron un valor calórico promedio de 4409,9 kJ/kg, lo que no resulta tan alto como otros residuos.15 Se resalta el interés de este indicador por su valía para la industria cubana actual que implementa el concepto de economía circular. El valor calórico y el contenido de arcilla presente en los cortes OBM han permitido su reúso en la fabricación de cemento.1,16 Países desarrollados con vasta experiencia en el uso de fluidos OBM para la perforación petrolera, emplean equipamientos costosos para recuperar el aceite e introducirlo nuevamente al fluido.17 Cuba apuesta por el cierre de ciclo del recurso peligroso al utilizarlo en otros procesos productivos. Aspecto éste que cobra en la actualidad mayor importancia, teniendo en cuenta el precio de los portadores energéticos en el contexto actual.
Durante la prueba industrial se observó que el corte OBM arde bien y con potencia en la combustión, cuanto más se oxigena más arde (figura 2). Este material posee arcillas impregnadas en aceite (diésel), a la cual se le agregan otros aceites para asegurar su eficacia durante la perforación. Dicha característica favorece la combustión del producto, lo que resulta muy beneficioso pues el combustible impregnado permite disminuir el consumo de leña.
Fig. 2 Apariencia de la combustión al adicionar corte OBM a los hornos: a) tejar Guanabo, b) tejar Manicaragua, c) tejar Encrucijada.
Durante el empleo de corte OBM para la cocción de materiales refractarios, se apreció un incremento en generación de cenizas, contrario a lo que demanda la tendencia mundial en cuanto a tecnologías más limpias.3) Sin embargo, dichos compuestos que aparecen en las cenizas se pueden emplear como desgrasantes en la pasta preparada con la arcilla para facilitar la extracción de los moldes, lo que sería una nueva oportunidad para valorizar dichos residuos. Diferente a la utilidad reportada por otros autores, quienes han encontrado compuestos minerales de gran interés para las nanociencias, asociados a los cortes OBM.2
Los tejares presentan construcciones diferentes y no están preparados para introducir el corte OBM como carburante, por lo que introducir este residuo como carburante requerirá modificaciones en la tipología del horno para introducir con facilidad el corte y emplear parrillas que faciliten la recogida de las cenizas, también será necesario ventear el horno durante la combustión del corte OBM y definir dosis a utilizar en función del tamaño y capacidad del horno. Esos serán retos que se asumirán en próximos trabajos, a partir de los resultados obtenidos, para producir elementos refractarios.
Calidad del aire
De manera general, las concentraciones puntuales de los gases contaminantes sulfuro de hidrógeno (H2S), dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx) en los puntos evaluados del tejar de Guanabo se constataron dentro de lo normado.(10) Sin embargo; en la zona de trabajo, los compuestos orgánicos volátiles (COV) expresado como metano (CH4), en todos los casos excedieron los límites permisibles según se establece en la normativa de referencia (Tabla 2). Lo que coincide con autores que enfatizan sobre el carácter contaminante de los hornos refractarios.3,4,18
Los resultados reflejan que los COV, expresado como metano (CH4), manifiestan un incremento con la adición del corte a la combustión en los puntos 3 y 4. Por la experiencia, se encontró que el rumbo del aire fue Noreste, o sea rumbo a la entrada de las viviendas que, ahí están lo que está directamente relacionado con el rumbo del viento. El mismo se encontraba orientado hacia la vivienda más cercana al tejar, de ahí que sea recomendable elevar la bóveda del horno o hacer una chimenea de mayor altura, en caso de uso permanente del corte OBM en éste lugar.
Los resultados experimentales en los tejares de Villa Clara (Encrucijada y Manicaragua), fueron muy similares a los de Guanabo (tablas 3 y 4).
Se apreció que la leña empleada no estuvo seca en todos los hornos. La utilización de leña verde en el proceso de combustión incrementa la emisión de gases contaminantes pues posee más del 20 % de humedad. La quema genera una combustión ineficiente comparada con la leña seca, debido a que se produce la evaporación del agua que elimina energía térmica del fuego.
Los hornos que emplean leña se consideran muy contaminantes, pueden producir un humo denso durante horas, fundamentalmente durante la estabilización (encendido) del horno.18 Independientemente de que el humo se vea o no, los vapores pueden contener: partículas suspendidas, monóxido de carbono, ozono, óxido nitroso, dióxido de azufre e hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH). Al respecto se evidencian concentraciones elevadas de partículas en todos los puntos de muestreo al comparar con lo que establece la norma en zonas de trabajo.13
La concentración de partículas suspendidas totales (PST), estuvo por encima de los valores normados (tabla 5). 14) Resultados similares a los reportados en investigaciones previas.3 Los índices de monóxido de carbono no resultaron elevados, lo que difiere de otros trabajos.3
Las concentraciones de PST en los puestos de trabajo exceden la normativa de referencia, se encontró que las condiciones de trabajo asociadas a la calidad de aire en el horno que emplea combustible tradicional (fuel oil) no eran idóneas, existió mayor concentración de partículas suspendidas y gases de combustión, en comparación con la calidad del ambiente en las que se empleó leña y corte OBM.
De manera general, se evidencia que los cortes de perforación impregnados en diésel aportan un valor energético considerable para ser utilizados en la fabricación de ladrillos cerámicos. Así mismo, no incrementan las emisiones contaminantes en el proceso de combustión respecto a los combustibles usados tradicionalmente, lo que tributa a un menor impacto al medio ambiente. En adición a esto presume como una alternativa de disposición final de un residuo de la industria petrolera.
Introducir el corte OBM en la cocción de materiales refractarios permitirá cerrar ciclo para un residuo peligroso, aportar carburante a un proceso que demanda portadores energéticos, reducir el empleo de leña y también podrá aportar con la ceniza un material útil para la propia producción de refractarios. Además, los resultados demuestran que la implementación de una economía circular proponebeneficios para la industria petrolera y el ministerio de la construcción. Sin embargo; deberá continuar la investigación en cuanto al diseño adecuado que viabilice la forma de alimentar el horno, así como aprovechar la ceniza generada.
Por otro lado, se evidenció que la leña empleada en tejares propicia la liberación de altos índices de compuestos orgánicos volátiles a la atmósfera, expresados como metano, además de valores de material particulado que exceden ampliamente lo establecido por la normativa vigente, aspecto este que puede mitigarse con el empleo de leña seca. También se deberían diseñar hornos de bóveda cerrada, con lo que se liberarían menos gases contaminantes a la atmósfera.
Conclusiones
Se determinó que el corte OBM se puede emplear como combustible en la fabricación de elementos cerámicos, pero los hornos requieren de nuevos diseños.
Se obtuvo que las emisiones de gases contaminantes durante la combustión del corte OBM sobrepasan los límites establecidos en los puestos de trabajo; pero no constituyen una fuente adicional de las mismas en comparación a lo obtenido con los combustibles tradicionales.
