Los óxidos de nitrógeno son principalmente dos gases de nitrógeno diferentes: monóxido de nitrógeno u óxido nítrico (NO), y el dióxido de nitrógeno (NO2). Aunque existen otros como N2O2, N2O4, N2O, N2O3, N2O5 y NO3.
Una parte de las emisiones de NOx se debe a causas naturales (descomposición de nitrógeno orgánico, incendios forestales, actividad volcánica, tormentas, etc.). No obstante, la generación más importante se debe a la utilización de combustibles fósiles y los escapes de vehículos a combustión.
En la siguiente imagen se puede observar la composición de los gases de escape de un motor diésel.
Ilustración 1: Composición de los gases de escape de un motor diésel
Fuente: Eadic.com
En los procesos de combustión, los NOx pueden formarse de varias formas:
− NOx térmico: se produce a temperaturas muy elevadas por la oxidación del nitrógeno (N2) contenido en el aire. Debido a las altas temperaturas, el oxígeno y el nitrógeno presentes en el aire reaccionan entre sí para formar el NO. Según el físico soviético Yákov Zeldóvich las reacciones principales para la formación del NO en la combustión son las siguientes:
N2 + O ↔ NO + N
N + O2 ↔ NO + O
N + OH ↔ NO + H
Éste es el mecanismo principal de formación de NO en los procesos de combustión, produciendo hasta un 90% del NO emitido por los motores de combustión.
− NO del combustible: se produce a partir del nitrógeno contenido en el combustible. El hidrógeno y el carbono se oxidan durante la combustión y los átomos de nitrógeno se liberan como átomos inestables. Éste proceso depende poco de la temperatura y su importancia es mucho menor.
− NO súbito o prompt: en 1979, Fenimore demuestra experimentalmente que que la formación de NO no se puede explicar únicamente con la teoría de Zeldóvich y sugiere que se forma al reaccionar el nitrógeno existente en el aire, junto con radicales libres procedentes del combustible, y que se producen principalmente en las zonas de la cámara de combustión muy ricas en combustible y a altas temperaturas. A continuación, se detallan algunas de las reacciones responsables:
CH + N2 → HCN + N
C + N2 → CN + N
CH2 + N2 → HCN + NH
CH2 + N2 → H2 + CN + N
La primera de las reacciones es la dominante y la principal responsable de la creación de los NO súbitos, aunque su formación en motores de combustión interna no es significativa.
En la siguiente imagen se observa los tres diferentes tipos de formación de los NOx y de qué manera aumenta su formación a medida que aumenta la temperatura de combustión.
lustración 2: Temperaturas de formación de los NOx
Fuente: TFTEI
Una vez en la atmósfera, los NOx son participes en los fenómenos de formación del ozono o huminiebla fotoquímica, lluvia ácida, partículas sólidas y posibles productos cancerígenos que se encuentran suspendidos en el aire.
− Ozono/huminiebla fotoquímica: el NO se oxida a NO2
2NO + O2 → 2NO2
Tanto el NO2 procedente de la combustión como el de la oxidación del NO con el oxígeno en la atmósfera, se descomponen por la acción de la luz solar en NO y oxígeno atómico. Éste último es muy reactivo y reacciona con el oxígeno molecular del aire produciendo ozono.
NO2 + hv → NO + O
O + O2 → O3
El ozono que se crea es el troposférico, es decir, el que existe en el aire que respiramos, y no el estratosférico en la capa alta de la atmósfera, que es el que nos protege de la radiación ultravioleta del sol.
Lluvia ácida: los NOx y el SO2 contribuyen a la formación de la lluvia ácida, reaccionando con el vapor de agua para formar compuestos ácidos, que son los causantes de más del 90% de la lluvia ácida.
− Partículas sólidas: en la atmósfera, los NOx reaccionan con otros productos químicos en suspensión, para producir nitratos, y también promueve la transformación del SO2 en partículas de compuestos sulfatados.
1.2.Sistemas de reducción de emisiones de NOx
A la hora de reducir las emisiones de gases contaminantes existen muchas formas de hacerlo que se pueden clasificar de la siguiente forma:
Medidas primarias: con estas medidas lo que se trata de hacer es reducir la formación de los NOx durante el proceso de combustión mediante técnicas de control de dicho proceso. Estas medidas se pueden clasificar a su vez en dos categorías. Las que actúan sobre la temperatura pico de la combustión y las basadas en la relación aire/combustible. Algunas de estas medidas primarias son las siguientes:
− Modificación en el timing de la inyección de combustible: retrasando la inyección de combustible, se consigue reducir la presión máxima en el cilindro, reducir la temperatura pico y la temperatura media, pero al mismo tiempo reduce la eficiencia térmica del motor e incrementa el consumo de combustible y los productos inquemados.
Ilustración 3: Variación de las emisiones de NOx, el consumo de combustible y las partículas en función del ángulo de comienzo de la inyección y la presión de inyección.
Fuente: Manuel Pedro Ortega Monserrat
− Alta relación de compresión: al aumentar la relación de compresión se consigue menores emisiones y de NOx sin consumir tanto combustible como retrasando la inyección. Desafortunadamente, la temperatura pico aumenta y reducirla es muy complicado.
− Ajuste en la relación aire/combustible: variando la relación aire/combustible se consiguen variaciones importantes en las temperaturas pico y media y en la concentración de N2 y O2 en los gases de la mezcla. El principal problema surge a la hora de elegir la relación correcta para que el consumo de combustible y la potencia del motor no se vean muy afectados.
− Temperatura del aire de admisión: reduciendo la temperatura del aire de admisión se mejora el rendimiento volumétrico del aire y disminuye la temperatura de inicio de la combustión, lo que contribuye a reducir los NOx. El problema de este sistema, es que si se disminuye mucho la temperatura del aire admisión pueden producirse retrasos en el inicio de la combustión.
− Distribución del combustible en la cámara de combustión: distribuir correctamente el combustible en el cilindro influye en la transferencia de calor y en la distribución de temperaturas dentro del cilindro. Por estas razones es lógico que se reduzcan los NOx. Con este sistema hay que tener cuidado de mantener la temperatura en las paredes de la cámara de combustión para evitar el desgaste en las camisas del cilindro y en los aros del pistón.
Ilustración 4: Tipos de cámaras de combustión en motores diésel
Fuente: Manuel Pedro Ortega Monserrat
− Adición de agua o vapor: este método reduce la temperatura de la combustión lo cual hace disminuir la creación de los NOx introduciendo agua o vapor en la cámara de combustión. Existen varias formas de hacerlo:
− Emulsión de agua en el combustible.
− Inyección de agua directamente en la cámara de combustión.
Ilustración 5: Esquema de inyección de agua directamente en la cámara de combustible
Fuente: Manuel Pedro Ortega Monserrat
− Mezclado con el aire de admisión.
Ilustración 6: Esquema de inyección de agua en el sistema de admisión de aire
Fuente: Ingeniero marino
− Adición de vapor directamente en la cámara de combustión o en el sistema de admisión.
− Algunos de estos sistemas pueden combinarse entre sí o con medidas secundarias para conseguir mejores resultados.
− Medidas secundarias: con estas medidas lo que se intenta es reducir los NOx producidos por la combustión y que son expulsados al exterior a través de los gases de escape. También se les denomina sistemas de postratamiento de gases de escape. Los más destacados son los siguientes:
− Reducción catalítica selectiva (SCR): es el método de postratamiento de gases más utilizado y el estudio de nuestro trabajo. Éste sistema es muy eficiente a la hora de reducir los NOx, pero también tiene algunos inconvenientes que sobre todo son económicos.
− Absorción de NOx: estos sistemas tienen un coste demasiado elevado. Existen 3 tipos:
− Lavado con ácido sulfúrico.
− Proceso TYCO.
Ilustración 7: Esquema del proceso TYCO
Fuente: Manuel Pedro Ortega Monserrat
− Lavado con hidróxido de magnesio.
Ilustración 8: Esquema del proceso con hidróxido de magnesio
Fuente: Manuel Pedro Ortega Monserrat
− Reducción térmica de NOx o Reducción catalítica no selectiva (SNCR): los NOx se reducen a N2 inyectando amoniaco o urea en el flujo de gases de escape a altas temperaturas (entre 900 y 1000 °C) sin usar un catalizador.
− Inyección de ozono: inyectando ozono en los gases de escape, se oxida tanto el NO como el NO2 dando lugar a N2O5, que, al ser altamente soluble en agua, se puede disolver en un scrubber y convertirlo en HNO3.
En ambiente marítimo, la Organización Marítima Internacional (OMI) establece:
Para vehículos ligeros, las normas son Euro 1, Euro 2, Euro 3, Euro 4 y Euro 5; mientras que para los vehículos pesados, se utilizan los números romanos: Euro I, Euro II, Euro III, Euro IV, y Euro V (Wikipedia, 2022).
La primera norma EURO 0, entró en vigor en 1988, aunque a partir de 1992, con la EURO 1, se empezaron a intensificar estas regulaciones con vehículos a diésel y gasolina, implantando un catalizador que reducían y transformaban los gases de la unidad, evolucionando considerablemente con las normas Euro 2, Euro 3 y Euro 4.
FUENTES:
- Roberto Pérez Díaz, Sistema de Reducción Catalítica Selectiva (SCR) del buque Villa de Teror, Escuela Politécnica Superior de Ingeniería Sección Náutica, Máquinas y Radioelectrónica Naval-Universidad de La Laguna - Santa Cruz de Tenerife - 2021
- Óxidos de nitrógeno (NOx) – Regla 13
- 4DPF: Descubre las Normas Globales de Emisiones: Un futuro más limpio.
- ¿Qué son las normas EURO y cuál es su impacto? - GEJOSA Transportes
