Rutina diaria: polvo catalítico y desgaste del motor, parte 1

Como industria, estamos acostumbrados a pensar a lo grande. Los barcos llevan la salida de las granjas, fábricas y minas del mundo a cada tierra con un puerto. Las tormentas visibles desde el espacio agitan la altura de los bloques de torres, todo esto realizado en un día de trabajo. Uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta la industria proviene de algunas de las cosas más insignificantes. La amenaza que representan para el funcionamiento seguro de la flota global puede empeorar considerablemente.

Un nuevo régimen normativo, que entrará en vigor a principios de 2020, traerá cambios radicales en la variedad y la disponibilidad de los combustibles marinos en todo el mundo. Para los operadores de barcos, trabajar con motores de forma fiable y segura requerirá inevitablemente una mayor comprensión y estrategias de manejo de combustible más sofisticadas que las actuales. La escala del desafío venidero es, incluso ahora, imposible de predecir con exactitud. Pero el éxito que tienen los operadores de barcos para evitar problemas se reducirá en gran medida a las acciones que tomen en los próximos meses.

Combustibles in flux

El 1 de enero de 2020, la industria del transporte marítimo mundial entrará en la era baja en azufre, en lo que será el mayor trastorno normativo de la industria desde las convenciones MARPOL 73/78 y uno de los cambios operativos más significativos a los que se haya enfrentado. A partir de ese día, toda la industria naviera deberá cumplir con el estricto límite del 0,50 % (masa/masa) de azufre en los combustibles de la Organización Marítima Internacional (OMI).

El límite del 0,50 % es considerablemente más bajo que el límite actual del 3,50 % introducido en 2012 y es adicional al límite del 0,10 % en las Áreas de control de emisiones (ECA). Si bien la OMI describe correctamente el nuevo límite como una victoria para el medio ambiente y la salud humana, para la industria naviera, se perfila como un gran dolor de cabeza. Porque, desafortunadamente, eliminar un peligro para el medio ambiente significa introducir uno mecánico, a saber, polvo catalítico, pequeñas partículas que, si no se atrapan, pueden causar estragos en los motores.

El fueloil marino nunca ha sido lo que uno podría describir como una sustancia glamorosa. Partiendo del petróleo crudo, los refinadores destilan y extraen productos de alto valor de la parte superior de la columna de destilado. Desde los gases y la gasolina, pasando por el combustible de aviación, el diésel y los aceites lubricantes, hasta que quede lo que queda, un residuo negro y espeso, se utilizan para alimentar a los buques y producir betún. No es bonito, pero ha ayudado literalmente a crear el mundo moderno.

El problema con el azufre

Cuando los motores queman combustibles fósiles, liberan óxidos de azufre (SOx) que, en la atmósfera, contribuyen a una serie de problemas de salud y medioambientales, como enfermedades respiratorias en personas y animales y la acidificación de la tierra y el agua.

El azufre se encuentra naturalmente en todo el petróleo crudo y en concentraciones más altas en las fracciones residuales de mayor ebullición del proceso de destilación. Esto significa que desde el inicio de 2020, la producción de combustible tendrá que cambiar para lidiar mejor con ese azufre, y los operadores de barcos se enfrentarán a opciones de combustible más complejas que nunca.

Los buques que utilizan gas natural licuado (GNL) no tendrán problemas para cumplir, pero los buques que utilizan GNL representan una pequeña fracción de la flota mundial y se espera que siga así durante décadas debido a los altos costes de inversión y la falta de infraestructura de suministro. Muchos otros barcos continuarán quemando fueloil con alto contenido de azufre (HSFO), confiando en la tecnología de limpieza para limpiar sus gases de escape a un nivel que cumple con las regulaciones. Pero para la mayoría de la flota, 2020 y más allá significará elegir entre un rango creciente de destilados con bajo contenido de azufre, mezclas y, en menor medida, nuevos combustibles hechos de aceites vegetales.

2020 lo cambia todo

Cada nuevo tipo de combustible introducirá una gama de variables operativas y económicas a tener en cuenta. La exploración de todas esas variables es el tema de un artículo separado, aunque vale la pena señalar en general que las variaciones en la viscosidad, lubricidad y temperatura tienen profundas implicaciones para el funcionamiento seguro y fiable de los motores, bombas y otros equipos.

Foco en el polvo catalítico

Pero de todas las variables presentes en la era baja en azufre, quizás la más dañina es la presencia de polvo catalítico. Si bien el polvo catalítico ha sido durante mucho tiempo un hecho conocido pero manejable de la industria naviera, la próxima era baja en azufre pondrá un nuevo foco en él como un factor de riesgo creciente para los motores de los barcos y los presupuestos de los operadores.

Entonces, ¿qué es?

¿Cómo se forma el polvo catalítico?

Las refinerías modernas utilizan primero la destilación atmosférica y en vacío para eliminar los productos más volátiles y de mayor valor de la parte superior de la columna de destilación. Luego "rompen" el petróleo crudo restante en diversas fracciones mediante procesos térmicos y catalíticos. En el craque catalítico, el refinador agrega catalizadores físicos para romper las moléculas de petróleo.

Los catalizadores utilizados son varias formas de zeolitas cristalinas sintéticas, compuestos minerales de aluminio y silicio que son altamente porosos y extremadamente duros.

Los catalizadores son caros, y las refinerías recuperan y reutilizan lo que pueden. Pero más allá de cierto punto, ya no es práctico ni existe un incentivo económico para que la refinería haga más esfuerzos. El polvo catalítico son las partículas que quedan atrás. Permanecen en el combustible. Y se bombean en sus buques.

Ajuste de los estándares de combustible

Las especificaciones del combustible marino están establecidas por la norma internacional ISO 8217, que limita la concentración de polvo catalítico en el combustible. El combustible producido bajo la versión actual de la norma está limitado a 60 partes por millón (ppm). Este límite es fundamentalmente un compromiso: si se estableciera en un nivel más bajo, ya no se podría asegurar el suministro global de combustible. Pero incluso a 60 ppm, el polvo catalítico supone un gran problema para los motores y los fabricantes, como MAN y Wärtsilä, que recomiendan que el combustible que entra a los motores tenga concentraciones de polvo catalítico de 15 ppm o menos.

La naturaleza del polvo catalítico

Físicamente, el polvo catalítico es de forma irregular y, en el combustible del depósito, varía de tamaño de submicrón hasta alrededor de 100 μm, aproximadamente, del tamaño de una mota de polvo hasta el ancho del cabello humano. Su densidad también varía, pero generalmente es un poco más alta que la del fueloil pesado (HFO). El polvo catalítico más grande se depositará en el petróleo, pero las partículas pequeñas con densidades bajas no lo harán.

Sin embargo, de todas las propiedades físicas del polvo catalítico, la más problemática para los barcos es la dureza. El polvo catalítico es extremadamente duro: miden hasta 8,2 en la escala de Mohs, donde el diamante es 10, y es fácilmente capaz de rascarse y quedar incrustado en superficies de acero.

Eldaño que hace

Cuando el polvo catalítico llega a través de un inyector, puede quedar atrapado entre el revestimiento del cilindro y el anillo del pistón, un espacio de alrededor 3-5 μm. Cualquier partícula más grande que eso puede causar abrasión. Con cada golpe del pistón, el polvo catalítico se muele a través de las superficies lisas, forjando recorridos que se acumulan con el tiempo. Las bombas de combustible, los inyectores, las válvulas y otros componentes también están en riesgo. E incluso las partículas más pequeñas pueden hacer un daño importante.

Es tentador pensar que este tipo de daño abrasivo es un desgaste mecánico normal a largo plazo. Y en muchos casos, eso es todo lo que se contempla. Pero el polvo catalítico en altas concentraciones también puede causar daños graves y catastróficos en un período muy corto.

Un informe disponible en línea describe un ataque de polvo catalítico que paralizó un motor en solo 100 horas de uso. Cuando se desmontó el motor, los ingenieros encontraron que "todos los pistones y camisas estaban totalmente destruidos y se tuvieron que cambiar".

No hace falta decir que un daño de este tipo es extremadamente costoso, con informes de reclamaciones que van desde los 300.000 USD a los 1,5 millones de USD. Esto a su vez hace que el polvo catalítico no solo sea un problema para los operadores, sino también una preocupación importante para el mercado de los seguros.

Un problema en reposo que se está despertando

El polvo catalítico no es un problema nuevo. El craque catalítico se generalizó en la década de 1970, cuando el aumento de los precios del petróleo obligó a las refinerías a extraer productos más valiosos de su crudo. Como resultado, los primeros informes sobre daños producidos por el polvo catalítico comenzaron a fluir en los años ochenta. Si bien siempre es un desafío eliminar el polvo catalítico en el mar, el equipo a bordo para reducir los niveles de contaminación (que veremos en la parte 2 de este artículo se basa en tecnologías maduras y bien conocidas.

Desafortunadamente, esta familiaridad ha conducido a un cierto nivel de complacencia en la industria. Si, como se esperaba, la contaminación por polvo catalítico se vuelve más frecuente después de 2020, esta complacencia podría resultar extremadamente costosa para los operadores que no actualizan sus conocimientos y prácticas.

El reciente artículo en Marine Propulsion debería ser suficiente para impactar a muchos operadores para que vuelvan a prestar atención. El artículo citó un análisis de ExxonMobil de más de 400.000 muestras de petróleo, que reveló que el 43 % de los buques tienen un problema potencialmente catastrófico con el polvo catalítico. Incluso si solo se realiza una fracción de esos problemas potenciales, siguen estando en juego el dinero y el tiempo.

También se ha informado que en un período de tres años, el equipo PrimeServ de MAN encontró que el polvo catalítico estaba implicado en 190 de 226 casos (84 %) de daños en el revestimiento del cilindro.

Como hemos descrito anteriormente, el polvo catalítico es un subproducto del craque y la eliminación del azufre. Cuanto más se craquee el petróleo y se elimine el azufre, mayor será el nivel de polvo catalítico. Como ha expresado sucintamente Paul Hill de Braemar, "es una compensación fundamental entre el motor y el medio ambiente. No puedes tener un nivel bajo de azufre y de polvo catalítico".

Con la OPEP World Oil Outlook 2040 pronosticando que se agregarán 138 millones de toneladas por año de capacidad de craque adicional entre 2017–2022, podemos estar seguros de que habrá mucho más polvo catalítico que se introduzca en los depósitos del mundo.

Además del problema de los niveles más altos de polvo catalítico, las observaciones anecdóticas sugieren que los nuevos catalizadores que entran en producción están produciendo polvo catalítico aún más duro. Y si eso no fuera lo suficientemente malo, los combustibles con bajo contenido de azufre también tienden a ser menos lubricantes que los pesados, lo que significa que la abrasión se exacerba.

Un efecto secundario de los actuales límites de azufre es que los niveles de polvo catalítico y el daño asociado han aumentado significativamente. El paso hacia el cumplimiento de 2020 podría elevar el problema a un nivel completamente nuevo. El Servicio de Asesoramiento y Análisis de Almacenamiento de Combustible de Lloyd's Register (FOBAS) supervisa la calidad del combustible en puertos de todo el mundo y emite alertas cuando surgen problemas. Los operadores deben, por supuesto, prestar mucha atención a estos y otros informes. Pero es vital tener en cuenta que el daño por polvo catalítico puede ocurrir incluso cuando el combustible cumplet con la ISO 8217.

Todo esto se suma a que un viejo problema está adquiriendo nuevas dimensiones. En la parte 2 de nuestro debate sobre polvo catalítico, veremos las soluciones y analizaremos cómo los operadores deberán mejorar su función o enfrentarse a costos significativos.

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