26º Normativa,Tecnologías y Modificaciones para reducir las emisiones de SOx y NOx a la atmósfera.

1-“Código técnico sobre los NOx” (Relativo al control de las emisiones de nitrógeno de los motores diésel marinos)

1.-1-Generalidades

1.2-Definiciones importantes

1.3-Reconocimientos

1.4-Aplicación

1.5-Óxidos de Nitrógeno (NOx)

1.6-Tier I,Tier II y Tier III

1.7-Óxidos de Azufre (SOx)

2-Tecnología de Pre-tratamiento.

2.1-Recirculación de gases (EGR-Exhaust Gas Recirculation).

2.2-Inyección directa de agua en la cámara de combustión (DWI-Direct Water Injection).

2.3-Emulsión de agua en combustible(WFE-Water/Fuel Emulsion).

2.4-Inyección de agua en el aire de admisión(HAM-Humid Air Motor).

3-Tecnología de Post-tratamiento.

3.1-Clasificación de los sistemas de tratamientos de gases.

3.2-Catalizador de gases (SCR-Selective Catalitic Reactor).

3.2.1-Definición.

3.2.2-Descripción.

3.2.3-Ventajas y desventajas del SCR.

3.3-Scrubber (Lavador de Gases).

3.3.1-Definición de Scrubber.

3.3.2-Descripción General.

3.3.3-Descripción de Torre de lavado con cuerpos de rellenado:

3.3.4-Descripción de torre de lavado de platos filtrantes o perforados.

3.3.5-Ventajas y desventajas del Scrubber.

3.3.6-Esquema de un Scrubber. Torre de lavado de platos perforados o filtrantes

4-Bibliografía

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1-Código técnico sobre los NOx (Relativo al control de las emisiones de nitrógeno de los motores diésel marinos)  

1.-1-Generalidades:

El 26 de septiembre de 1997 se aprobó junto a la modificación del MARPOL 73/78 el código  técnico relativo al control de emisiones de óxidos de nitrógeno de los motores diésel marinos.

A partir del 19 de mayo de 2005 entra en vigor el Anexo VI del convenio MARPOL,titulado “Reglas para prevenir la contaminación atmosférica ocasionada por los buques”,esto incluye a todos los motores diésel marinos a los que la regla 13 de ese anexo menciona,esto significa que todos los motores diésel marinos deben ajustarse a los límites en emisiones fijados por dicho código.

El MEPC 53,celebrado en julio del 2005 convino que tanto el convenio MARPOL como el Código técnico sobre los NOx fueran revisados,dicha revisión concluyó en el MEPC 58,en octubre de 2008.

Estas medidas se adoptan dada la importancia del sector marítimo en la contaminación atmosférica a nivel mundial.

emisiones tipicas marinas

Dichas emisiones son causa de los 140 millones de toneladas de combustible que se consumen, que corresponden al 5% del consumo mundial total al año 2000, con lo cual aportan con un:

  •  5% de la producción global de CO2 proveniente de combustibles, que corresponden a 450 millones de toneladas anuales.
  •  13% de la producción de NOX producto de la combustión de combustibles.
  •   3 – 5% de las emisiones globales de SOX.

1.2-Definiciones importantes

  • MEPC: Marine environment protection committee.
  • Motor diésel marino: Todo motor alternativo de combustión interna que funcione con combustible líquido o mixto,incluidos los sistemas de sobre-alimentación o mixtos,en caso de que se empleen.
  • Administración:Gobierno del Estado bajo cuya autoridad esté operando el buque. Respecto a un buque con derecho a enarbolar el pabellón de un Estado, la Administración es el Gobierno de ese Estado.
  • Procedimiento de verificación de los NOx;a bordo:el procedimiento,y posible equipo requerido,especificado por el solicitante de la certificación del motor aprobado por la administración en los reconocimientos que procedan.
  • Expediente Técnico: registro en el que figuran todos los por-menores de los parámetros,incluidos los elementos y reglajes del motor,que pueden incidir en las emisiones de NOx del motor.
  • Reglaje: el ajuste de una característica regulable que influye en el nivel de emisiones de NOx de un motor.
  • Elementos: aquellas piezas intercambiables,identificadas por su numero de proyecto o de pieza,que influyen en el nivel de emisiones de NOx.
  • Certificado EIAPP: el certificado internacional de prevención de la contaminación atmosférica para motores en relación con las emisiones de NOx
  • Certificado IAPP: el certificado internacional de prevención de la contaminación atmosférica.
  • Zona de control de emisiones: será cualquier zona marítima,incluida toda zona portuaria,designada por la Organización de conformidad con los criterios y procedimientos indicados.

1.3-Reconocimientos

Salvo que en el código se permita expresamente lo contrario,todo motor diésel marino especificado será objeto de los siguientes reconocimientos:

  1. Reconocimiento de certificación previa que garantice que el motor,conforme a su proyecto y equipo,se ajusta al límite aplicable de emisión de NOx indicado en el apartado de “Oxidos de NOx”,si este reconocimiento confirma que el motor se ajusta a dichos límites,la administración expedirá un Certificado EIAPP*; reconocimiento inicial de certificación que se realizará a bordo después de instalar el motor pero antes de que éste entre en servicio.Este reconocimiento podrá conducir a la expedición del Certificado IAPP*,o a una modificación del Certificado IAPP válido del buque,para que conste la instalación de un nuevo motor.
  2. Reconocimientos intermedios,anuales y de renovación,que se llevarán a cabo como parte de los reconocimientos del buque prescritos,a fin de garantizar que el motor sigue cumpliendo plenamente las prescripciones del presente código.
  3. Reconocimiento inicial de certificación del moto que se realizará a bordo cada vez que el motor sea objeto de una transformación importante,a fin de garantizar que el motor se ajuste al límite aplicable de emisiones de NOx.Esto dará lugar a la expedición,si procede, de un Certificado EIAPP y a la modificación del Certificado IAPP.

Para llegar a la conformidad y cumplir con las normas vigentes,los constructores deben realizar ensayos y pruebas,para ello tienen una serie de métodos previstos,cálculos,ensayos o verificaciones relativos a las emisiones de NOx del motor,a saber:

  1. Ensayo en banco de pruebas para el reconocimiento de certificación previa,de conformidad.
  2. Ensayo a bordo de un motor sin certificación previa para un reconocimiento combinado de certificación previa e inicial de conformidad con todas las prescripciones relativas a los ensayos en banco de pruebas.
  3. Método de verificación a bordo de los parámetros del motor,utilizando los datos de los elementos*,los reglajes*del motor especificados en el expediente técnico*,para confirmar el cumplimiento en los reconocimientos iniciales,intermedios,anuales o de los motores cuyos elementos,reglajes y valores de funcionamiento fundamentales desde un punto de vista de los NOx se hayan modificado o ajustado después del último reconocimiento.
  4. Método simplificado de medición a bordo para confirmar el cumplimiento en los reconocimientos intermedios,anuales y de renovación,o la confirmación previa en los reconocimientos de certificación inicial,de conformidad.
  5. Método directo de medición y vigilancia a bordo para confirmar el cumplimiento sólo en los reconocimientos intermedios,anuales y de renovación,de conformidad.

 *Nota:La expedición de certificados por la Administración del país en que se construya el motor.

1.4-Aplicación

La normativa se aplicará a :

  1. Todos los motores diésel marino con una potencia de salida superior a 130kW
  2. Todos los motores diésel marino con una potencia de salida superior a 130kW que haya sido objeto de una transformación importante el 1 de enero de 2000 o posteriormente.

 La normativa no se aplicará a:

  1. Los motores diésel marinos destinados a ser utilizados en caso de emergencia,o unicamente para accionar dispositivos o equipos destinados a ser utilizados solamente en caso de emergencia a bordo,ni a bordo de los botes salvavidas
  2. Los motores diésel marinos instalados en buques que estén dedicados exclusivamente a realizar viajes dentro de las aguas sometidas a la soberanía o jurisdicción del estado cuyo pabellón están autorizados a enarbolar,a condición de que tales motores estén sometidos a otra medida de control de los NOx establecida por la Administración.

 1.5-Óxidos de Nitrógeno (NOx)

NOx

Como información general cabe señalar que los precursores de la formación de óxidos de nitrógeno durante el proceso de combustión son el nitrógeno y el oxígeno.Estos compuestos representan juntos el 99% del aire que entra en el motor.

El oxígeno se consume durante la combustión y la cantidad de oxígeno sobrante depende de la proporción de aire y combustible con la que esté funcionando el motor.

En motores se forma principalmente óxido nítrico,NO (cinética química dominante frente a la del NO2) en zonas de baja temperatura y cantidad de O2 importante.

La cuantía de NOx depende de la temperatura de la llama o combustión y de la cantidad de nitrógeno orgánico,si lo hay,procedente del combustible.

Cuanto más elevada sea la temperatura de combustión(por ejemplo,presión máxima elevada,alto índice de compresión,caudal elevado de suministro de combustible,etc),mayor será la cantidad de NOx que se forme.En general los motores diésel de bajo régimen producen mas NOx que los de alto régimen.

Los principales efectos bioquímicos y fisiológicos de los NOx son:

  • Los NOx son uno de los principales responsables de la lluvia ácida y potencialmente productores de smog fotoquímico
  • El dióxido de nitrógeno(NO2),de olor penetrante y color marrón rojizo,puede irritar los pulmones y reducir su resistencia a enfermedades infecciosas si el nivel excede de 600mg/m3.
  • El monóxido de nitrógeno participa en la reducción de ozono en la estratosfera facilitando así e paso de radiación ultravioleta hasta la superficie terrestre.

1.6-Tier I,Tier II y Tier III

Tier I,II,III

  •  Tier I (nivel 1)

Se prohíbe el funcionamiento de todo motor diésel marino instalado en un buque construido (salvo en las excepciones antes mencionadas)entre el 1 de enero de 2000 y el 1 de enero 2011,a menos que la cantidad de óxidos de nitrógeno emitidos por el motor se encuentren dentro de los límites.

*Nota  [n] es el régimen nominal del motor(revoluciones por minuto del cigüeñal)

  1. 17 g/kWh si n es inferior a 130 rpm.
  2. 45 · n^(-0.2) si n es igual o superior a 130 rpm pero inferior a 2000 rpm.
  3. 9,8 g/kWh si n es igual o superior a 2000 rpm.
  •  Tier II (nivel 2)

Se prohíbe el funcionamiento de todo motor diésel marino instalado en un buque construido (salvo en las excepciones antes mencionadas) el 1 de enero 2011 o posteriormente,a menos que la cantidad de óxidos de nitrógeno emitidos por el motor se encuentren dentro de los límites.

*Nota  [n] es el régimen nominal del motor(revoluciones por minuto del cigüeñal)

  1. 14,4 g/kWh si n es inferior a 130 rpm.
  2. 44 · n^(-0.2) si n es igual o superior a 130 rpm pero inferior a 2000 rpm.
  3. 7,7 g/kWh si n es igual o superior a 2000 rpm.
  •   Tier III (nivel 3)

 Se prohíbe el funcionamiento de todo motor diésel marino instalado en un buque construido (salvo en las excepciones antes mencionadas) el 1 de enero 2016 o posteriormente ,a menos que la cantidad de óxidos de nitrógeno emitidos por el motor se encuentren dentro de los límites.

  1. 3,4 g/kWh si <n> es inferior a 130 rpm.
  2. 9 · n^(-0.2) si n es igual o superior a 130 rpm pero inferior a 2000 rpm.
  3. 2,0 g/kWh si n es igual o superior a 2000 rpm.

1.7-Óxidos de Azufre (SOx)

contaminacion-por-oxidos-de-azufre-1-638

El contenido de azufre de todo fuel-oil utilizado a bordo de los buques no excederá los siguientes límites:

  1. 4,50% masa/masa antes del 1 de enero de 2012;
  2. 3,50% masa/masa el 1 de enero de 2012 y posteriormente;
  3. 0,50% masa/masa el 1 de enero de 2020 y posteriormente;

El contenido medio de azufre a escala mundial del fuel-oil residual suministrado para uso a bordo de los buques se vigilará teniendo en cuenta las directrices elaboradas por la Organización.

  • Prescripciones aplicables en las zonas de control de emisiones.

Las zonas de control de emisiones* :

  1. La zona del mar Báltico y la zona del mar del Norte
  2. Cualquier zona marítima incluidas las portuarias designadas por la Organización.

zonas de especial control

Mientras los buques operen dentro de estas zonas de control,el contenido de azufre en el fuel-oil no excederá los siguientes límites:

  1. 1,50% masa/masa antes del 1 de julio de 2010;
  2. 1,00% masa/masa el 1 de julio de 2010 y posteriormente;
  3. 0,10% masa/masa el 1 de julio de 2015 y posteriormente;

*Nota:El proveedor demostrará mediante la pertinente documentación el contenido de azufre del fuel-oil.

Si está interesado en profundizar más en la normativa puede hacer clic en el siguiente enlace que le llevará a un pdf del archivo original publicado en el BOE (Boletín Oficial del Estado):

http://www.boe.es/boe/dias/2011/04/07/pdfs/BOE-A-2011-6228.pdf


2-Tecnología de Pre-tratamiento.

 Las soluciones técnicas para contener las emisiones de los motores de combustión interna dentro de unos límites son de dos tipos:

  • Soluciones activas,afectan al diseño del motor y sus componentes
  • Soluciones pasivas,tratan de reducir las emisiones a la salida del motor antes de su vertido a la atmósfera.

En este artículo identificaremos las soluciones activas como tecnologías de pre-tratamiento y las soluciones pasivas como post-tratamiento.

Se debe tener presente que una variación de más o de menos 10° C puede causar una reducción en la eficiencia térmica de entre un 37% a un 40%, lo que representa un 7,5% de aumento en los costos del petróleo.

2.1-Recirculación de gases (EGR-Exhaust Gas Recirculation).

La recirculación de gases de escape(EGR) es una estrategia empleada para reducir la formación de NO por vía térmica,incrementando la cantidad de gases residuales retenidos en el cilindro al cerrar la admisión.

Se pueden diferenciar dos tipos de EGR:

  • EGR interno,no es un dispositivo,es un “concepto” que consiste en incrementan los gases residuales retenidos al final de la carrera de escape(esto conlleva a una reducción de emisiones de NOx).Esto se consigue de las siguientes maneras:
    • Menor cruce de válvulas (ángulo durante el que las válvulas de admisión y escape están abiertas simultáneamente)
      • Cierre temprano de válvula de escape 
      • Apertura válvula de admisión durante el escape

Recirculación de gases

Para ello, un sistema de distribución variable puede hacer un EGR interno fácilmente,MEP( Motor de encendido provocado).

El problema más identificativo de este sistema es el problema para refrigerar los gases recirculados.

  • EGR externo,es el dispositivo más empleado que fuerza la re-circulación de gases de escape hacia la admisión mediante el control de una válvula.Esto reduce considerablemente la temperatura de la llama y con ello la formación de NO,este efecto es más acusado si se enfrían estos gases antes de introducirlos en el conducto de admisión

EGR externo

Nota*: El EGR externo se considera un sistema de post-tratamiento.Animación - Polución - EGR - Sistema EGR de los motores VW TDI - Animada.gif

  • La válvula de control se puede montar tanto en el lado de admisión como en el de escape.
  • El intercambiador de calor gas-agua puede llevar un by-pass en el lado de agua y puede integrarse con la
    válvula.

Es una técnica empleada tanto en motores MEC como en MEP

El EGR externo puede ser de alta y baja presión 

  • Alta presión:
    •  Método habitual para altas tasas de EGR
    •  Acoplamiento con el sistema de sobrealimentación
  •  Baja presión:
    • Altas tasas de EGR, buena refrigeración
    •  Problemas de corrosión ácida por condensaciones

2.2-Inyección directa de agua en la cámara de combustión (DWI-Direct Water Injection)y(EWI-Estratified Water Injection).

La inyección de agua en la cámara de combustión es un método eficaz para reducir las emisiones de NOx,los niveles de óxidos de nitrógeno se reducen en un 50% a costa de un pequeño aumento del consumo(2%) cuando la emulsión es del 70%,bajan a 6g/kWh.

Inyeccion directa de agua en camara DWILa técnica de inyección directa de agua en la cámara de combustión consiste en una inyección de agua previa a la de combustible de manera que la zona de combustión se enfría sin interferencia de los chorros de combustible y agua.

Angulo para el DWI

  • Linea azul:Presión del cilindro.
  • Linea Roja:Presión de inyección de agua.
  • Linea Verde:Presión de inyección de fuel.

En la siguiente imagen podemos ver la comparativa en un simulador CFD ( Computation fluid dynamics),a la izquierda se analiza la emisión de NOx con  DWI,a la derecha se analiza la emisión de NOx sin DWI.

diferencia entre usar DWI y no usarlo

Este sistema no precisa mucho espacio,por lo que se puede montar sobre motores usados.

2.3-Emulsión de agua en combustible (WFE-Water/Fuel Emulsion).

Comportamiento de la emulsión de agua en combustible al ser inyectado en el cilindro.

La emulsión de agua en combustible da lugar a un fenómeno llamado micro-explosión,que ocurre cuando las partículas de agua en (WFE) se vaporizan instantáneamente dentro de la mezcla con el combustible, porque es expuesto a un aumento de la temperatura en el cilindro durante la inyección. Esto sucede cuando la temperatura de las partículas de combustible aumentan por encima del punto de ebullición del agua. El agua se evapora de forma rápida y violenta; Esto desencadena una rotura de las gotas de combustible en micro-partículas, que da como resultado una vaporización más completa y favorece la turbulencia del combustible.Como se ha mejorado la atomización del combustible, se dará lugar a una combustión más efectiva.

Las siguientes imágenes del interior de la cámara de combustión muestran la diferencia entre la combustión con un 1% de agua en emulsión con Diesel y un 20% respectivamente a lo largo de la inyección e inflamación del combustible.

Inyeccion directa de agua en camara DWI 1% 20%

De esta imagen podemos sacar la siguiente información:

  • Con la adicción de agua se produce un retraso en el inicio de la combustión.
  • Se reduce la cantidad de combustible por disparo cuanto mayor sea la cantidad de agua emulsionada.

2.4-Inyección de agua en el aire de admisión (HAM-Humid Air Motor).

El enfriamiento del aire de admisión es importante a la hora de reducir emisiones de NOx,todo lo que conduce a bajar la temperatura de la llama contribuye a reducir las emisiones de NOx,como desventaja del enfriamiento pero puede incrementarse las emisiones de HC.

Un sistema importante para reducir la temperatura de combustión es enfriar los gases de admisión del motor.

Funcionamiento:

Con el sistema HAM, la carga del turbocompresor de aire está saturada de vapor de agua,antes de que entre los canales de aire de sobre-alimentación y las cámaras de combustión del motor. Como resultado, los picos de temperatura en el proceso de combustión se reducen, y la formación de NOx también

La siguiente imagen pertenece al sistema “Wetpack” de la empresa Wärtsilä,mediante este sistema se pulveriza agua presurizada en el aire de admisión a la salida  del turbocompresor,el “wetpack” se ha testado en el buque “Berisa” en 2007 y los resultados indican una reducción del 40% en las emisiones de NOx.

Humidificador de gases de admision

El ejemplo quizá mas relevante fue la primera adaptación del sistema (HAM) al barco pesquero “KVANNØY”  la modificación  fue realizado por MAN Diesel & Turbo en PrimeServ Frederikshavn, Dinamarca.

El motor principal donde se llevó a cabo la instalación del sistema HAM era un MAN 16V28/32A nominal 3.920 kW a 775 r/min.

Los resultados del ensayo, medido de acuerdo con lo dispuesto en el Convenio IMO MARPOL marcaron una producción de tan solo 3,6 g/kWh  de NOx, una reducción de un 61,3% si las comparamos con las emisiones del motor principal cuando contaba con los enfriadores del aire de sobre-alimentación originales.

sistma HAM

Los componentes principales del sistema del motor de aire húmedo son los siguientes:
•El humidificador. 
• El tanque de captura HAM. 
• El suministro de agua HAM y unidades de pre-calentamiento. 
• El control HAM y sistema de monitoreo.

El sistema HAM ha servido a reducir en 50 toneladas anuales las emisiones de NOx en este pesquero. Los beneficios económicos son un ahorro anual de 100.000 euros debido a la reducción de los impuestos de NOx para la operación en aguas noruegas.

El tiempo de amortización calculada para la adaptación del HAM es de aproximadamente 3 años.

-Las ventajas operativas del principio HAM son los siguientes: 

• Alta reducción de NOx – un buen rendimiento a cargas total y parcial.
• Muy bajos costos de operación – no se requieren agentes reductores de NOx.
• Reducción del consumo de combustible – y no hay requisitos para los combustibles bajos en azufre.
• Buen rendimiento del motor – carga térmica reducida, motor más limpio.
• Requisitos mínimos de mantenimiento – a causa de un sistema de auto-apoyo .
• Un método ambientalmente racional – sólo con agua obtenida del mar.

 *Anotación:

Siguiendo la normativa Tier III mencionada en la primera parte del artículo,la emisión en el motor de NOx en el buque “KVANNØY” es de 1,2 g / kWh NOx por encima del límite de la IMO Tier III.

 

Cálculo de la cantidad de emisiones permitida para el motor del buque “KVANNØY”,motor MAN 16V28/32A nominal 3.920 kW a 775 r/min

KVANNØY

La Tier III indica que cuando “n” es igual o superior a 130rpm pero inferior a 2000 rpm,la fórmula aplicada para marcar el límite de emisiones es

9 · n^(-0.2)

Datos:

  • n=775 rpm                      

 

Operación:

  •    9*775^(-0.2)= 2.378 gr/Kwh como límite de gr/Kwh de NOx permitido

 

3-Tecnología de Post-tratamiento.

La cantidad de contaminantes a la salida del motor es muy variable dependiendo del tipo de motor,el grado de carga o la temperatura de la cámara de combustión.A la salida del motor nos encontramos con compuestos oxidantes como el O2 y los NOx y otros reductores como el CO,el H2 y los HC.

Los sistemas post-tratamiento de emisiones se instalan a la salida del motor para eliminar las sustancias contaminantes antes de emitirlas a la atmósfera.

Se disponen de distintas formas de eliminar estas sustancias contaminantes;

  • Activando ciertas reacciones químicas que proporcionen el equilibrio químico en los gases de escape.

Por ejemplo: CO y el NO cuyo equilibrio químico a la temperatura de salida del escape debería estar desplazado en conformaciones de CO2,N2 y O2.

  •  Provocando o acelerando reacciones químicas de oxidación de los HC o eliminación del hollín.

Por ejemplo: los scrubber

  • Impidiendo la salida a la atmósfera de ciertos componentes de escape,acumulándolos y reteniéndolos por vía química y física durante ciertos periodos

Por ejemplo:algunos filtros de partículas

 3.1-Clasificación de los sistemas de tratamientos de gases.

 Los sistemas de tratamientos de gases pueden clasificarse en cinco grupos según su principio de funcionamiento:

  1. Reactores Térmicos: combustión a alta temperatura de los productos susceptibles de oxidarse.Hoy en día prácticamente no se usan.
  2. Reactores Catalíticos: ciertos metales y compuestos ejercen un efecto catalítico sobre algunos gases de escape permitiéndoles alcanzar el equilibrio químico que no se ha logrado alcanzar en el cilindro.
  3. Reactores Químicos: mediante una reacción química de los gases de escape con algún reactante añadido,permiten la eliminación de alguno de los productos contaminantes presentes. El más conocido el SCR que hace separar los óxidos de nitrógeno en una reacción con amoniaco,en presencia de un catalizador.
  4. Filtros Químicos: sistemas que retienen y cumulan alguno de los compuestos químicos contaminantes del producto emitido.La saturación de este sistema exige una “regeneración” del mismo cada cierto tiempo.

3.2-Catalizador de gases (SCR-Selective Catalitic Reactor).

3.2.1-Definición.

Tecnología de control post-combustión, basadas en la reducción química de los óxidos de nitrógeno (NOx) a nitrógeno molecular (N2) y vapor de agua (H2O)

3.2.2-Descripción.

El proceso de reducción catalítica selectiva  se basa en la reducción de los óxidos de nitrógeno (NOx) con la inyección de amoniaco (NH3) ,en presencia de exceso de oxígeno (O2) y un catalizador ,todo esto dentro de un rango de temperatura apropiado dan lugar a la transformación de los NOx  en sustancias inocuas tales como el nitrógeno (N2) y en vapor de agua (H2O).

SCR

El amoniaco necesario para la reducción se obtiene de una disolución de urea al 32,5% en agua.

Las siguientes reacciones son las que deberían darse en en el interior del SCR de un NOx reactivo (NO,NO2) al combinarse con una solución de Urea en una atmósfera rica en O2 se obtiene N2(sustancia no nociva para la atmósfera) y agua que se evapora.

  1. 4NO+4NH3 +O2 → 4N2 +6H2O
  2. 6NO2 +8NH3+O2 → 7N2 +12H2O
  3. NO+ NO2 + 2NH3 → 2N2 +3H2O

Las condiciones típicas del proceso SCR (exceso de NO, relación de entrada de NH3/NOx menor de la unidad, porcentaje de O2 entre 2-5 % vol. y temperaturas menores de 400ºC), la reacción (1) resulta predominante.

 

En ocasiones debido a unas malas condiciones del proceso(temperatura inadecuada por ejemplo) es posible la formación de óxido nitroso en el medio de reacción mediante las reacciones no deseadas (4-5), y además por otra parte, cuando el amoniaco reacciona con el oxigeno puede dar nitrógeno molecular, óxido nitroso, o bien óxido nítrico, según las siguientes reacciones, que se consideran asimismo reacciones secundarias indeseables(6-8):

4.  4NO+4NH3 +3O2 → 4N2 +6H2O
5.  4NO2 +4NH3 +O2 → 4N2 O +6H2O
6.  4NH3 + 5O2 → 4NO2 +6H2O
7.  4NH3 + 3O2 → 2N2 +6H2O
8.  2NH3 + 2O2 → N2O+3H2O SCR

Dentro de este tipo de catalizadores ocurren tres procesos

  1. Mediante una reacción química en la que la disolución de urea se hidrata, obtenemos el amoniaco que necesitamos para la siguiente transformación.
  2. El amoniaco obtenido se utiliza en la transformación (reducción) de los óxidos de nitrógeno para la obtención de Nitrógeno y Agua.
  3. El amoniaco sobrante se oxida (se quema) obteniéndose en el proceso nitrógeno y agua.

La adopción del uso combinado del filtro de partículas (DPF) y el catalizador de reducción selectiva (SCR) durante el proceso de salida de gases de escape, permite reducir las emisiones de gases contaminantes o altamente contaminantes en torno a un 80%, logrando así el doble objetivo marcado, el cumplimiento de los umbrales permitidos por la normativa aplicable, sin verse mermado el rendimiento del motor.

3.2.3-Ventajas y desventajas del SCR.

Ventajas:

  • 80/90% de reducción de emisiones NOx contaminantes. 
  • Se reducen las emisiones de NOx hasta un 2 g/kWh.
  • Este sistema no afecta al rendimiento del motor ya que no incide en la combustión.
  • Ocupa poco espacio.
  • El control se reduce a la dosificación,cuanto mayor dosificación de amoniaco,es decir solución de urea(CO(NH2)2 ),mayor eliminación de NOx.

Desventajas:

  • Son caros de instalar,operar y mantener.

Nota*

En el caso de combustibles con alto porcentaje en azufre, durante su combustión se produce también SO2 que puede ser catalíticamente oxidado a SO3. La oxidación del SO3 puede reaccionar con el agua y el amoniaco no reaccionado (slip NH3) para formar ácido sulfúrico y sulfato amónico.
Las sales de sulfato se pueden depositar y acumular sobre el catalizador dando lugar a su desactivación si la temperatura del catalizador no es suficientemente alta, y el ácido sulfúrico formado puede provocar problemas de corrosión aguas abajo en la planta. Por tanto,dependiendo de las condiciones de operación requeridas se debe disponer de un sistema catalítico de NOx altamente selectivo para reducir los NOx con el NH3 en presencia de O2,
evitando todas las reacciones secundarias no deseables.

 

3.3-Scrubber (Lavador de Gases).

scrubber System

3.3.1-Definición de Scrubber.

Aparato utilizado para el lavado de gases, en el que los componentes indeseables de una corriente gaseosa son separados por contacto con la superficie de un líquido, bien sea sobre una masa húmeda, a través de un rociador, a través de un borboteador,etc

3.3.2-Descripción.

  Los Scrubber han sido acogidos de forma generalizada para la limpieza de gases por su efectividad ,tiene por objeto la reducción de la cantidad de SOx así como reducir la cantidad de impurezas en suspensión.

Hay varios tipos de Scrubber,según las necesidades del proceso para el que sean destinadas,en los buques nos centraremos en los scrubber de torre que a su vez pueden subdividirse en en tres categorías:

  • De cuerpos de rellenado
  •  De platos filtrantes o campanas.
  • De columnas de lavado de aerosol. 

El scrubber afecta principalmente  a la eliminación de un alto porcentaje de SOx (de un 0.20% a un 0.0002%) y partículas sólidas (de 300mg/m3 a 8mg/m3).

3.3.1-Descripción de Torre de lavado con cuerpos de rellenado:

Scrubber esquema Rellenado

El sistema está desarrollado en vertical, contiene una cierta cantidad de cuerpos de rellenado que varía según el caudal de aire y siempre en el más estricto respeto de un tiempo de contacto y una velocidad de pasaje del aire a ser calculados cada vez, según las específicas exigencias. Como consecuencia, es importante que sea suministrada y mantenida una cierta cantidad de agua o líquido de lavado para mantener alta y constante la eficiencia del scrubber. El volumen y la especial forma de los cuerpos de rellenado deben determinarse en modo tal que los mismos impongan a los contaminantes a ser abatidos bruscos cambios de dirección, en modo tal de interceptar mejor las partículas y al mismo tiempo para ofrecer la mayor superficie de contacto, dejando el mayor espacio posible para el atravesado del aire, reduciendo al mínimo las pérdidas de carga.

  • Los materiales del relleno utilizados son el metal, la cerámica, los materiales termoplásticos en general.
  • Las conformaciones y formas del material pueden ser variadas,como las mostradas a la derecha de la imagen anterior.

3.3.2-Descripción de torre de lavado de platos filtrantes o perforados.

scrubber de platos perforados

En el caso de platos filtrantes o perforados en vez de cuerpos, la torre se presenta siempre como un contenedor desarrollado en vertical, dentro del cual el aire está obligado a introducirse en el interior de la cámara borbotando a través de diversos platos con orificios (generalmente dos o tres colocados en serie a diferentes alturas) sobre cuya superficie es mantenida una cierta capa de líquido.

  • Es importante que la entrada de gases esté sumergida para que se produzca el borboteo por lo que el flujo de agua debe estar controlado.
  • Las purgas del agua del scrubber suelen derivarse al mar excepto en zonas cercanas a costa o zonas de especial protección en cuyo caso se derivan a un tanque de almacenamiento.

Wärtsilä Open Loop Scrubber System: 

  • Esta instalación de lavador de Wärtsilä elimina hasta un 98% de SOx de las emisiones y reduce las partículas dañinas hasta en un 85%.

3.3.3-Ventajas y desventajas del Scrubber:

Ventajas:

  • Alta eficiencia en la eliminación de partículas sólidas.
  • Poco mantenimiento.
  • Tratamiento de gases corrosivos,el SOx forma ácido sulfúrico (H2SO4) en combinación con el agua a altas temperaturas
  • Mayor tolerancia ante distintos rangos de humedad y temperatura si los comparamos con otros sistemas anti-polución.

Desventajas:

  • Concentración de sustancias corrosivas en el interior del sistema
  • Alta caída de presión
  • Generación de residuo líquido que contiene partículas o compuestos tóxicos(ceniza,ácidos…)

Noticia de actualidad sobre el papel de los Scrubber como sistema anti-polución

La naviera danesa “DFDS Seaways” ha estando invirtiendo en pruebas con un sistema innovador de scrubber (depurador de azufre) en uno de sus buques y tiene previsto invertir 100 millones de euros en la instalación de scrubbers en 21 buques para adaptarse a la normativa medioambiental. El coste medio de un scrubber para la naviera se eleva a 5,4 millones de euros por buque.

3.3.4-Esquema de un Scrubber. Torre de lavado de platos perforados o filtrantes:

scrubber

Los gases de escape una vez entran en el lavador de gases se encuentra con una cortina de agua descendente y se dirigen a una placa formada por orificios Venturi,donde se enfrían y se eliminan gran parte de las partículas sólidas gracias al efecto combinado de la turbulencia que se origina en el interior del sistema por la acción de los difusores y la velocidad por la caída de presión debido al efecto Venturi.

A continuación impactan contra unas placas que aseguran una mezcla aire-agua,pasando por unos platos perforados sobre los que actúa el agua de refrigeración procedentes de los rociadores instalados en los laterales de la torre de lavado y finalmente los gases,ya libres de partículas sólidas y SOx,estos fluyen hacia la salida a través de un filtro o malla a la atmósfera.

4-Bibliografía:

  • http://www.boe.es
  • http://www.epa.gov/
  • http://www.todoelbarco.com
  • http://www.ventilazioneindustriale.it
  • “Motores de combustion interna alternativos”. Editores: Prof.F.Payri y Prof. J.M.Desantes
  • (Thesis) Norwegian University of sciencie and technology,Departament of Marine Technology.
  • “Máquinas navales.Motores alternativos de combustión interna”. Dpto de enerxía e Propulsión Mariña da E.T.S.N.M de A Coruña.
  • Air Pollution Control Equipment Volume I Particulates.Autor: Louis Theodore and Anthony J. Buonicore.

Autor:Roberto García Soutullo

Comments
3 Responses to “26º Normativa,Tecnologías y Modificaciones para reducir las emisiones de SOx y NOx a la atmósfera.”
  1. ignigo dice:

    Muy buen articulo.
    También se puede utilizar la inyección de agua+alcohol (agua del limpia parabrisas) en los vehículos terrestres, Desde hace un par de años he puesto una manguerita desde el depósito del limpiaparabrisas hasta la admisión antes del turbo y en el atmosférico después del filtro del aire, bajando considerablemente las emisiones y aumentando un poco la potencia del motor.
    En esta web lo explico y hay una foto del sistema… http://tractor.foroactivo.com/t3480-ahorro-inyeccion-de-agua-en-la-admision-del-motor#22488

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  1. […] La actuación sobre el ciclo termodinámico está limitado principalmente por las emisiones contaminantes,por lo que las investigaciones se encaminan por una parte, a investigar nuevos combustibles y elementos que reduzcan las emisiones como se trata en el artículo  26º Normativa,Tecnologías y Modificaciones para reducir las emisiones de SOx y NOx a la atmósfer… […]

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  2. […] (Véase artículo 26º NORMATIVA,TECNOLOGÍAS Y MODIFICACIONES PARA REDUCIR LAS EMISIONES DE SOX Y NOX A LA ATMÓSFER…) […]

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