Sistema anticontaminante SCR para motores a diesel

Transcripción

1 Sistema anticontaminante SCR para motores a diesel Vivimos en un mundo lleno de contaminación, encontrada tanto en el aire, la tierra como en el agua, la cual tiene efectos adversos tanto en la salud, como en los años de vida promedio del ser humano. Qué es el óxido de nitrógeno (NO y NO 2 )? Este se forma durante la combustión, cuando Esa contaminación, es generada por industrias, talleres, y por millones de vehículos automotor. el oxígeno y el nitrógeno reaccionan a alta temperatura y alta presión (NOx) y es dañino. Qué se hace para minimizar esta contaminación? Por lo que toca a los transportes a diesel que contaminan el aire, los organismos reguladores de la Unión Europea (UE) y la Agencia de Protección al Medio Ambiente (EPA) de los en Estados Unidos, exigieron la reducción de los contaminantes generados por los motores a diesel, como son los óxidos de nitrógeno (NOx), los hidrocarburos (HC) y los materiales particulados (MP), que dañan a la capa de ozono y al ser humano. Antes de continuar, aclaremos estos conceptos: El motor diesel en su ciclo de compresión, comprime a tal grado el aire admitido, que alcanza una temperatura aproximada de 700 C, momento en el cual se inyecta el combustible. Al momento de entrar en contacto el diesel atomizado con el aire comprimido a 700 C en presencia de un alto contenido de oxígeno del aire, la temperatura se incrementa momentáneamente hasta más de 2,000 C. Esta temperatura es la que da origen a los óxidos de nitrógeno, razón por la cual, el sistema anticontaminante EGR (Recirculación de Gases de Escape), regresa un cierto porcentaje (5 al 15%, mediante el sensor y la válvula EGR) de los gases de salida (que carecen ya de oxigeno) al aire de admisión, para reducir la cantidad de oxígeno del aire y controlar que la temperatura no sobrepase por mucho los 2000 C.

2 La combustión de un motor a Diesel produce 40 veces más óxidos de nitrógeno en relación a un motor a gasolina. Qué son las partículas? Están constituidas principalmente por carbonilla (hollín) y residuos del aceite lubricante o cenizas, también dañinas y son reducidas por el uso de un sistema de posttratamiento llamado DPF (Diesel Particulate filter), traducido: Filtro de Partículas Diesel. (g/bhp-hr) Cómo se dan los síntomas de afectación de estos contaminantes al ser humano? Con dolor de cabeza, vértigos, mareo, náuseas, tos, respiración difícil, tirantez del pecho, e irritación de los ojos, la nariz y la garganta. Las exposiciones de largo plazo pueden llevar a problemas de salud crónicos más serios tales como enfermedad cardiovascular, enfermedad cardiopulmonar, y cáncer de pulmón. Debido a esto, los fabricantes de motores han continuado haciendo modificaciones a sus diseños, invirtiendo cantidades millonarias en sistemas anticontaminantes. Tal es el caso del sistema SCR (Reducción Catalítica Selectiva) que nos ocupa en esta ocasión, la cual es una tecnología usada en el sistema de gases de escape de los motores a diesel, para el tratamiento de los Óxidos de Nitrógeno (NOx) dañinos. A diferencia del sistema EGR que regresa parte de los gases de escape al sistema de admisión, el Sistema SCR requiere del uso de una producto químico (agente de reducción, o sea urea) para reaccionar con los Óxidos de Nitrógeno (NOx) de los gases de escape. La Asociación de la Industria del Automóvil (VDA =Verband Der Automobilindustrie) acordó usar una Solución Acuosa de Urea al 32.5% comercializándose bajo el nombre de SkyBlue, la cual debe cumplir con la especificación ISO (antes DIN 70070). Después de estudiar diferentes alternativas para cumplir las normas europeas de emisiones contaminantes al medio ambiente Euro IV (Octubre /2006) y Euro V (Octubre/2009) y las normas americanas EPA 07 y EPA 10, para vehículos pesados con motor a diesel; la mayoría de fabricantes de motores, decidieron recurrir a la tecnología de Reducción Catalítica Selectiva, utilizando la Solución de Urea Grado Automotriz (AUS 32), como agente reductor. La tecnología SCR ha demostrado su capacidad para reducir las emisiones de Óxidos de Nitrógeno (NOx) generados por los motores a diesel de camiones para servicio pesado, en pruebas de Banco y de Campo.

3 La tecnología SCR con SkyBlue como agente reductor, ya se ha aplicado con éxito a instalaciones fijas (incineradoras de basura y centrales térmicas) y en motores móviles a diesel de barcos y locomotoras. La Solución de Urea Grado Automotriz (AUS 32), se comercializa como AdBlue en Europa y como DEF (Diesel Exhaust Fluid) en USA y en Raloy SkyBlue. Qué es Euro IV y Euro V? Euro IV es una norma europea que limita la cantidad de contaminantes dañinos producidos por vehículos comerciales. Entró en vigor desde octubre de Euro V es la nueva norma europea, más restrictiva que la anterior. Entró en vigor desde octubre de Como funciona el sistema SCR? 1. Los gases de escape salen del motor con los contaminantes PM y NOx 2. Las Partículas de Materia (PM) son atrapadas en el Filtro de Partículas Diesel (DPF) 3. El SkyBlue (DEF) es dosificado a al flujo de los gases de escape. 4. La solución AdBlue se hidroliza a gas amonio (NH3), el cual se mezcla con los gases de escape. 5. El gas amonio (NH3) y los óxidos de Nitrógeno (NOx) reaccionan en el catalizador para formar Nitrógeno Atmosférico (Inerte) y vapor de agua. Emisiones Estándar de NOx y PM para vehículos pesados con motor a diesel Euro Año-Modelo NOx (g / Km) PM (g/ Km) IV 1-Octubre V 1-Octubre Normas Americanas sobre emisiones contaminantes. Norma EPA para emisiones de gases de escape en motores a diesel. NOx PM Hasta 2007 EPA 2007 EPA g/hp-hr 0.10 g/hp-hr 0.2 g/hp-hr (50% av) 0.01 g/hp-hr (100%) 0.2 g/hp-hr (100%) 0.01 g/hp-hr (100%) Reacciones químicas La reacción química básica de la urea en el proceso SCR, es la siguiente: El SkyBlue (urea) es dosificado en la corriente de gas de escape caliente y sufre una hidrólisis por la temperatura arriba de 180 C (aprox.), formando amoniaco (NH 3 ) según la siguiente ecuación:

4 (NH 2 ) 2 CO + H NH 3 + CO 2 En el catalizador SCR de metal de base homogéneamente extruido, tiene lugar la siguiente reacción de los Óxidos de Nitrógeno (NOx) con NH 3 procedente de la reacción de hidrólisis, formándose Nitrógeno y Agua: Reacciones en el SCR: 4 NH NO + O N H 8 NH NO N H 2 O Para que la tecnología SCR de posttratamiento sea efectiva, es fundamental impedir cualquier contaminación del SkyBlue causada por elementos extraños y por cualquier condicionante físico fuera de los límites establecidos Características de SkyBlue 1. Solución acuosa compuesta de urea (32,5% y agua desmineralizada (67.5%). 2. Líquido incoloro e inodoro, cuyas calidad se regula través de la norma ISO :2006 (antes DIN 70070) 3. No se agrega al combustible, se inyecta a los gases de escape resultantes de la combustión. 4. Su Punto de Congelación (Cristalización) es de 11 C. 5. Tiene un ph aproximado de Su vida útil (en almacenamiento) es de aproximadamente 12 meses. 7. No es inflamable, ni explosivo. 8. No está clasificado como material peligroso, ni para las personas, ni para el medio ambiente. 9. Es necesario utilizar los materiales adecuados para envasar, transportar, almacenar y despachar el AdBlue, ya que es corrosivo. 10. Las temperaturas de almacenamiento superiores a 30 C producen algo de hidrólisis (formación de pequeñas cantidades de amoniaco) Los catalizadores usados en el sistema SCR de post-tratamiento están formados por compuestos catalíticamente activos de metales de transición, fijados sobre soportes cerámicos. La capacidad del sistema SCR para convertir NOx en Nitrógeno (N 2 ) y agua (H 2 O ) depende en gran parte de la actividad real de estos centros activos y del grosor de los poros en el soporte cerámico. El tamaño de los poros determina la tasa de difusión de los gases de escape en el catalizador. Para asegurar un funcionamiento correcto del sistema SCR de post-tratamiento durante un largo período, ha de controlarse de forma muy

5 estricta la calidad de la AUS 32, pues muchos de los componentes con valores limitados por la norma ISO :2006 (antes DIN 70070), pueden dañar irreversiblemente el catalizador, debido a una obstrucción física de los poros o a la desactivación de los centros donde se produce la reacción. 5. Difluoruro de poli-vinilideno- Poli(perfluoroalcoxilo) PFA 6. Poli-isobutileno 7. Titanio 8. Vitón Una escasa efectividad del sistema SCR de post-tratamiento debida a un catalizador en mal estado puede tener como consecuencia: 1) Un incremento de las emisiones de NOx 2) Provocar daños secundarios al propio motor, debido al aumento de la presión de los gases de escape. Materiales compatibles con SkyBlue Todos los materiales utilizados para los recipientes del SkyBlue (incluyendo tubos, válvulas y accesorios, para envasado, almacenamiento, transporte y manipulación) deberán ser compatibles con el SkyBlue para evitar su contaminación, así como la corrosión de equipos. También los materiales usados para muestreo y botes de muestras, deberán ser compatibles con la solución de urea. Otros materiales no incluidos en este anexo han de probarse para comprobar su resistencia a la corrosión y su influencia sobre las especificaciones del producto. Materiales que pueden usarse en contacto directo con la SkyBlue 1. Aceros austeníticos Cr-Ni de alta aleación y aceros Cr-Ni-Mo de acuerdo con las normas DIN EN a 3, fabricados según las normas industriales. 2. Polietileno de alta densidad 3. Polipropileno de alta densidad 4. Polifluoretileno Los materiales plásticos pueden contener diferentes clases de aditivos que pueden migrar a la solución SkyBlue. Por esta razón debe tenerse especial cuidado en comprobar la contaminación por aditivos de materiales plásticos utilizados en contacto con la solución SkyBlue.

6 Transporte: El SkyBlue no está clasificado como un material peligroso. Por lo tanto, para su transporte podrán utilizarse camiones cisterna, contenedores, vagones cisterna, etc., sin que esto suponga ningún riesgo específico para las personas o el medio ambiente. Los equipos utilizados para el transporte deberán estar diseñados y utilizarse de modo que la calidad del producto no sufra ningún deterioro. Consumo de SkyBlue El líquido SkyBlue se inyecta en el flujo de gases de escape en una proporción con respecto al consumo de combustible diesel de: SkyBlue está certificado por el API con el número de licencia, lo cual avala la calidad constante de nuestro producto. Mas o menos 3-4 % para motores Euro 4 y 6-7 % para motores Euro 5. La certificación API es un programa voluntario establecido por el Instituto Americano del Petróleo (API), el cual certifica y monitorea que el fluido para sistemas de escape de motores a Diesel, cumple con el requerimiento ISO (antes DIN 70070). Este programa fue lanzado en Marzo del 2009.

7 Preguntas y Respuestas Haremos ahora algunas preguntas que podrían surgir en el campo de aplicación, para las cuales proporcionaremos una respuesta sencilla y lógica: Qué ventajas proporciona el uso del SkyBlue en los motores a diesel con relación al sistema EGR? R. En el sistema EGR, al regresar parte de los gases de escape a la admisión del motor, con la finalidad de reducir la cantidad de oxígeno y con esto disminuir la temperatura de ignición del combustible que genera los óxidos de nitrógeno (NOx), da como resultado una pérdida de potencia disponible del motor. Con el uso del SkyBlue se ahorra hasta un 5% de ahorro de combustible, además de que se alcanza una eficiencia mucho mayor en la conversión de los óxidos de nitrógeno. Otra ventaja es que reduce la frecuencia de cambio del filtro de partículas (DPF) y con ello los costos de mantenimiento. Qué es la urea? R. Es un compuesto de nitrógeno utilizado en la industria y también como fertilizante en la agricultura, que se convierte en amoniaco con el calor. Qué pasa si se varía la concentración de 32.5% de urea y 67.5 de agua desmineralizada? R. Esta concentración es la ideal para alcanzar puntos de congelación bajos (-11 C), además de que con esta se lleva a cabo una buena reducción de los óxidos de nitrógeno, por lo cual el sistema está calibrado para dosificar la cantidad de SkyBlue, de acuerdo al consumo de combustible. Al modificarse la concentración, todo esto se ve afectado. Qué pasa si el SkyBlue se congela en el depósito? R. Si se congela al estar apagado el vehículo, el encendido y la operación del motor no se verán afectados, momento en que el sistema de calentamiento del SCR provee calor al depósito, haciendo que regrese a su estado líquido. El fluido SkyBlue no se degrada. Dónde y cómo debe almacenarse el SkyBlue? R. Se debe almacenar en un lugar fresco, seco, bien ventilado y libre de la luz del sol directa. La temperatura óptima de almacenaje es de 25 C, aunque si se expone a temperaturas altas de manera temporal, no presenta daño en la calidad del fluido. Qué tiempo de vida en almacenamiento se espera del SkyBlue? R. Este tiempo está en función de la temperatura ambiente y exposición a la luz del sol. Si se almacena entre -12 C y 32 C el tiempo de vida es de un año. Si la temperatura no excede los 24 C, el tiempo de vida puede ser de dos años. El producto SkyBlue no es tóxico ni peligroso, no contamina ni es inflamable. Es estable, incoloro y ligero olor a amoniaco. Su manejo y almacenamiento es seguro y no representa riesgo tanto al ser humano como en animales.

8 El SkyBlue es corrosivo? R. Si, es corrosivo en metales como cobre, latón y metales ferrosos, por lo que su manejo y almacenamiento debe hacerse en recipientes como el polietileno (HDPE) de alta densidad. En el resumen anterior se mencionan algunos materiales para empaques. Cómo se puede evitar que al tanque de SkyBlue se le llene con combustible Diesel? R. El diámetro estándar de la pistola de despacho de SkyBlue se diseñó con 19 mm y de color azul, en comparación con la del combustible diesel de 22 mm. Si se llegara a llenar con otra sustancia distinta al SkyBlue, el sistema SCR reconocerá una deficiente cantidad de SkyBlue y se encenderá una luz en el tablero, indicándole al operador la falla. El SkyBlue tiende a evaporarse? R. Dado que este cuenta con 67.5% de agua, si tenderá a evaporarse ligeramente con el tiempo, por lo que es importante mantener bien cerradas la tapa del depósito y de los contenedores. La concentración se deberá probar con ayuda de un refractómetro para saber su estado después de un largo período de almacenamiento. Qué medidas se deben tomar en caso de derrame del SkyBlue? R. Se debe contener y absorber con algún producto absorbente inerte que no sea combustible como por ejemplo la arena. Si llegase al drenaje, enjuague con bastante agua y contacte a las autoridades. Cómo se puede saber la dosificación del SkyBlue para un determinado motor? R. Se considera una dosificación de aproximadamente 2% del consumo de combustible para motores EPA 2010, de un 3 a 4% para motores Euro IV y de 6 a 7% para motores Euro V. También existe una regla de que se consumirá de 50 a 1 (50:1), o sea, por cada 50 litros de combustible quemados, se necesitará un litro de SkyBlue. Por otro lado, la dosificación varía ligeramente con cada marca de motor, no obstante, coinciden con lo reglamentado para Euro IV y V y EPA Qué mantenimiento se le debe dar al sistema SCR? R. Prácticamente solo se deberá cambiar el filtro de dosificación del SkyBlue cada 322,000 kilómetros. Qué se debe hacer en caso de ingerir el SkyBlue? R. En caso de ingesta, no se debe inducir el vómito y de acuerdo a los síntomas, se debe consultar al médico. Qué pasa si se acaba el SkyBlue en el depósito? R. Existen indicadores que alertarán al conductor del nivel bajo de SkyBlue en el tanque para su reposición. En caso de que ya no cuente con fluido, la potencia del motor se reducirá, alentando el vehículo, lo cual no es recomendable. Al rellenar todo se corregirá.