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| Métodos de control de emisiones en motores marinos |
La nueva regulación IMO Tier III, cuya entrada en vigor se producirá en 2016, restringirá aún más los límites de emisión en las ECAs (Emisión Control Areas o Áreas de Control de Emisiones). En este caso se quiere establecer una reducción del 80% de las emisiones de NOx en comparación con la regulación IMO Tier I en las ECAs, con lo que el contenido en azufre en estas zonas será del 0,1% a partir de 2015.
Simulación de la inyección y combustión (campo de temperaturas) en un motor MAN D2840LE. Fuente: Grupo de Innovaciones Mariñas
Actualmente, más del 90% de los buques son movidos por
motores. La mayoría de los combustibles de motores marinos son fuelóleos
pesados, los cuales son más baratos que otros combustibles más refinados, pero
presentan el inconveniente de que contienen una cantidad importante de
sustancias contaminantes tales como azufre, cenizas, asfaltenos, etc, lo cual
provoca que los buques emitan cantidades importantes de óxidos de azufre (SOx)
y partículas. Además, los buques también emiten cantidades importantes de óxidos
de nitrógeno (NOx) y dióxido de carbono (CO2).
Es muy importante reducir los óxidos de azufre de los
gases de escape porque son los principales gases causantes de la lluvia ácida.
Los óxidos de nitrógeno también contribuyen a la lluvia ácida y, además,
destruyen la capa de ozono. Respecto a las partículas, son muy dañinas en los
vegetales y en los animales y humanos pueden provocar serios problemas
pulmonares e incluso llegar a causar cáncer. El dióxido de carbono no se
considera un gas tóxico, pero también es muy importante reducirlo puesto que
repercute en el calentamiento global del planeta.
Debido a la importancia de las emisiones contaminantes de
los buques, principalmente óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, partículas y
dióxido de carbono, a lo largo de los últimos años se han ido desarrollando
diversas tecnologías. Destacan principalmente las medidas de reducción de
óxidos de nitrógeno debido a la normativa IMO Tier, que limita los niveles de
emisión de NOx a los siguientes valores, aplicados a motores construidos
después del año 2000 (IMO Tier I), 2011 (IMO Tier II) y 2016 (IMO Tier III para
áreas especiales).
De manera general, las medidas de reducción de emisiones se
pueden agrupar en medidas primarias y secundarias. Las medidas primarias
consisten en la modificación de algún parámetro relacionado con el
funcionamiento del motor, por ejemplo inyección de combustible, diagrama de
distribución, presión y temperatura de trabajo, etc. Por otro lado, las medidas
secundarias reducen las emisiones en los gases de escape una vez que éstos ya
han sido emitidos. Las principales medidas primarias y secundarias aplicadas en
los motores de buques se resumen a continuación:
MEDIDAS
PRIMARIAS
-
Modificación de
los tiempos y el mapa de inyección de combustible:
Con el fin de conseguir una combustión más perfecta y con
ello reducir las emisiones, en los motores actuales es frecuente jugar con el
instante de comienzo de la inyección, presión de inyección, geometría de los
inyectores o incluso realizar la inyección por tramos. En este sentido, destaca
el sistema “common rail” basado en hacer pre-inyecciones o post-inyecciones
antes y después de la inyección principal. De este modo se reduce la formación de
NOx ya que esta depende tanto de la temperatura como del tiempo que dura el
pico de alta temperatura. Con los modernos sistemas de inyección secuencial se
puede conseguir alrededor de un 20% de reducción
de NOx con muy poco aumento en el consumo específico de combustible.
  
-
Enfriamiento del
aire de admisión:
El aire que pasa por el turbo es aconsejable enfriarlo
antes de entrar al motor. Con esta medida se reducen notablemente las emisiones
de óxidos de nitrógeno puesto que éstos se originan cuanto más elevadas sean
las temperaturas de combustión.
 
-
Inyección de
agua:
Ésta es también una medida para reducir los óxidos de
nitrógeno. Inyectando una pequeña cantidad de agua con el combustible, o bien
en forma de humedad en el aire de barrido, lo que se consigue es reducir las
temperaturas de combustión y con ello las emisiones de óxidos de nitrógeno.
-
Recirculación de
gases de escape (EGR, exhaust gas recirculation):
Otra medida para reducir los óxidos de nitrógeno. Recirculando una
pequeña parte de los gases de escape y mezclándolos con el aire de barrido
también permiten una reducción de las temperaturas de combustión y con ello los
óxidos de nitrógeno.
  
-
Ciclo Miller:
El ciclo Miller fue introducido
en los motores diesel en primer lugar para reducir la emisiones de NOx, que
como se sabe es una de sus principales desventajas. La idea es bajar la
temperatura de combustión. El avance en el diseño de turbocompresores con mayores
relaciones de compresión cada vez, permitió disminuir el trabajo de compresión
mecánico para la misma presión final, de esta manera aumentando la capacidad de
refrigeración después del turbocompresor, se puede mantener la temperatura de
inicio de la compresión en los mismos valores, y por lo tanto la temperatura
final de compresión disminuye.
  Transformando un motor diese al ciclo Miller, se puede llegar a un 20% de reducción de Nox sin incrementar nada el consumo de combustible. El motor de media velocidad Sulzer ZA40S ha sido adaptado con éxito para operar con ciclo Millar, al igual que algunos motores del fabricante MAK. 
MEDIDAS SECUNDARIAS:
Aunque es posible a un coste razonable
reducir gran parte de los óxidos de nitrógeno con medidas primarias, también se
utilizan medidas secuntarias. Las medid secundaria más
utilizada para reducir los óxidos de nitrógeno es SCR
(Reducción Catalítica Selectiva). El sistema se basa en la inyección de amoníaco o
urea (que normalmente se comercializa mediante un compuesto llamado AdBlue) a
los gases de escape. Este compuesto reacciona con los óxidos de nitrógeno produciendo
nitrógeno y vapor de agua, los cuales no son contaminantes para el medio
ambiente. Se llaman catalíticos (a diferencia de los SNCR, reducción no
catalítica selectiva) porque emplean catalizadores con el fin de acelerar la
velocidad de la reacción química.
Para reducir los óxidos de azufre, existen
unos equipos llamados desulfuradores. Al igual que los SCR, el funcionamiento
se basa en inyectar una sustancia que reaccione químicamente con el gas
contaminante y el compuesto químico formado sea un gas nocivo o un sólido que
precipita en un recipiente habilitado para ello. Esta medida es muy utilizada
ya que es muy complicado y costoso reducir las emisiones de los óxidos de
azufre utilizando medias primarias, al contrario de lo que se hace con los óxidos
de nitrógeno.
  
CONCLUSIÓN
A nivel investigación, es posible analizar las emisiones
de los motores utilizando CFD (Mecánica de Fluidos Computacional),
pudiendo realizar simulaciones de diferentes patrones de inyección,
humidificación del aire de carga, cambio de diagramas de distribución,
ciclo Miller, recirculacion de gases de escape, y en general cualquier
párametro de funcionamiento del motor puede ser simulado y probado de
forma virtual por ordenador, con el correspondiente ahorro de tiempo y
dinero antes de llevar a cabo las modificaciones y sucesivas pruebas
reales en el motor.
En
anteriores ocasiones se han mostrado en este blog análisis del proceso de
barrido de motores. De la misma manera, se puede analizar el proceso de
combustión y emisiones contaminantes y con ello analizar el efecto que tiene
cada una de las medidas descritas. Tecnología Marítima ha hecho diversos
trabajos de este tipo en colaboración con el grupo de investigación
Innovaciones Marinas, de la Universidade da Coruña. En este momento la línea de
trabajo es análisis de los gases de escape utilizando medidas primarias, así
como catalizadores. Todo ello mediante CFD.
 
La utilidad de las herramientas modernas de modelado y
simulación con programas informáticos de simulación CFD son
actualmente indiscutibles, permitiendo ensayar de manera virtual diferentes
modelos o diseños antes de acometer la fabricación del prototipo industrial,
proporcionando con esta metodología de trabajo, enormes ventajas y beneficios por
ahorro de costes de fabricación de prototipos y acortamiento de los tiempos en
el desarrollo del producto.
LINKS:
- Revista Journal Of Maritime Research; Emissions from Marine Engines and Nox Reduction Methods - MAN Diesel & Turbo - HOMEPAGE
- Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña.
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| Publicado el 2014-04-11 12:04:42 por Isabel Lamas |
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