INFLUENCIA DEL AZUFRE Y LA CONDUCCIÓN EN ALTURA
La presencia de Azufre en el combustible y el manejo especialmente en la Altura de la Sierra Ecuatoriana son condiciones que pueden perjudicar el funcionamiento del filtro de partículas de los vehículos diésel livianos. Bajo estas circunstancias se pueden desencadenar mayor cantidad de partículas de hollín, temperaturas insuficientes para oxidar, mayor consumo de combustible, mayor número de ciclos de regeneración y por ende una menor vida útil del sistema de depuración y hasta taponamientos del mismo. Esto hace necesario comprender el mecanismo por el cual son perjudiciales estas situaciones, de tal forma que permitan asesorar a nuestros clientes y cuidar sus vehículos.
Los vehículos livianos diésel van ganando terreno en el mercado ecuatoriano, constituyen una muy buena alternativa, sobre todo cuando el precio de este combustible es menor que el de la gasolina. Quedan en el pasado los vehículos lentos, sumamente ruidosos y que emitían grandes cantidades de humo, la tecnología de estos vehículos ha avanzado mucho y en cuanto a emisiones contaminantes la herramienta fundamental que se ha utilizado para controlarla a nivel mundial han sido los filtros de partículas. Es un hecho que los vehículos nuevos que a simple vista no presenten humo, sobre todo en su arranque, tendrían incorporado un filtro de partículas.
En nuestro mercado se encuentra difundido el término filtro de partículas, para designar al sistema de control de emisiones de un vehículo diésel moderno, sin embargo éste puede incluir generalmente el uso de varios dispositivos, siendo necesario realizar una distinción en cuanto e ellos y su mecanismo de acción:
Los efluentes producto de la combustión del diésel van a contener gases y partículas (sólidas y líquidas). En forma general las partículas van a estar formadas por el hollín sólido (carbón) y otros compuestos que pueden estar presentes en la misma superficie de la partícula de carbón o bien en la corriente gaseosa. Dichos compuestos pueden ser orgánicos, de azufre, óxidos metálicos y agua. La distribución de tamaño de estas partículas va estar dado por cómo se unen y forman, teniéndose dos modalidades. El primer modo es el de acumulación y está dado por la aglomeración de partículas sólidas de hollín y los componentes que acarrean. El otro modo es el de nucleación que corresponde a las partículas que se forman en base a aquellos compuestos semivolátiles que se enfrían tales como agua, ácido sulfúrico e hidrocarburos.
El DOC (Diesel Oxidation Catalyst) es generalmente el primer filtro de oxidación en un sistema de depuración con bajas caídas de presión, es decir sin mayores resistencias al flujo, en el cual se tienen compuestos catalizadores con el propósito de oxidar los compuestos, es decir de que ciertas partículas de hollín, hidrocarburos inquemados y otras especies pasen a monóxido carbono (CO) y si es posible a dióxido de carbono (CO2) el cual es sinónimo de una combustión completa. El nitrógeno del aire durante la combustión reacciona y forma óxidos de nitrógeno (NOx), los cuales al paso por este filtro se oxidarán y darán paso a la formación de dióxido de nitrógeno (NO2), el cual es muy importante para los procesos a llevarse a cabo en los siguientes dispositivos. Es muy importante mencionar que DOC no atrapa partículas.
En función del grado de remoción deseado se puede incorporar posteriormente cualquiera de los siguientes dispositivos, bien el llamado filtro de partículas (DPF Diesel Particulate Filter) o bien el catalizador de oxidación parcial de partículas (POC Particle Oxidation Catalyst).
El DPF tiene un grado de eficiencia de remoción superior y está formado generalmente por un monolito cerámico y catalizadores de oxidación impregnados. Este filtro va a retener totalmente las partículas y posteriormente va a oxidarlas mediante el mecanismo denominado regeneración. Este proceso puede ser pasivo o activo. Durante la regeneración pasiva, la corriente de gases producto de la operación normal de la conducción del vehículo, proveerá de una temperatura que permitirá realizar la oxidación de las partículas de hollín, sin embargo dado que los canales por donde pasa la corriente de gases son pequeños para fomentar la retención, puede presentarse una saturación de partículas, siendo necesario realizar una regeneración activa. El proceso de regeneración activa tiene por objeto elevar la temperatura para que se presenta una oxidación más rápida lo cual puede obtenerse mediante la inyección de combustible dentro del dispositivo y su posterior ignición o bien por el uso de resistencias eléctricas. La regeneración activa eliminará las partículas.
El DPF puede taponarse por la excesiva presencia de cenizas, por lo cual se sugiere que no se utilice con este dispositivo combustibles con alta presencia de azufre.
El POC es un dispositivo alternativo, que tiene una menor eficiencia de remoción de partículas pero es menos susceptible a taponarse dado que sus canales o vías por donde atraviesa el flujo son más amplias y supone menores caídas de presión. De igual manera dentro del POC existirá material catalítico de oxidación y su soporte puede ser metálico o cerámico. De igual manera se realizará el proceso de regeneración pasivo y activo. Tanto en el POC como en el DOF el NO2 y el O2 presente en la corriente de gas serán quienes oxiden a las partículas de carbón y otros compuestos. Producto de la oxidación el NO2 se reducirá y pasará a N2 (nitrógeno) siendo una reación deseada para disminuir óxidos de nitrógeno.
Posteriormente se suele colocar un sistema de reducción total de Nox, denominado Reducción Catalitica Selectiva (SCR), el proceso usa generalmente úrea y un catalizador dentro del dispositivo. La úrea automotriz se le conoce generalmente como ADBLUE, la cual es colocada en un pequeño reservorio. Dada la legislación ecuatoriana, que no exige una alta disminución de NOx, los vehículos generalmente no tiene este sistema.
Una vez comprendido en forma general el sistema de depuración, podrá entenderse la influencia que puede tener la alta presencia de azufre en el combustible y la conducción en la altura.
Respecto a la conducción en la altura, el proceso de combustión tenderá a ser incompleto y de por sí producirá una mayor presencia de partículas de hollín y compuestos inquemados y obviamente desencadenará una menor temperatura de combustión y de gases de salida. Se incrementará por tanto la probabilidad de taponamientos. La temperatura de los gases es un factor primordial de operación en los sistemas de oxidación y temperaturas muy bajas durante la regeneración pasiva no lograrán oxidar las partículas y causarán una acumulación de las mismas, siendo necesario que la regeneración activa se dé por más tiempo. Esto traerá como consecuencia que se inyecte mayor cantidad de combustible en el dispositivo y por ende se incremente el consumo, por otro lado se tendría mayor cantidad de ciclos de regeneración y por ende se llegaría más rápido a la terminación de la vida útil del dispositivo.
La presencia de azufre va a tener un impacto negativo debido a varios factores. El azufre se va a oxidar a SO2 y posteriormente a SO3 dadas las condiciones oxidantes presentes en el sistema de depuración. El SO3 es precursor de ácido sulfúrico y por ende se producirían mayor cantidad de partículas por nucleación. La presencia de azufre dará paso a la formación de partículas conformadas por compuestos de azufre y finalmente contribuirá a la saturación de los filtros, siendo más sensible obviamente en el DPF. Estudios como el llevado a cabo por Bielaczyc, P., Keskinen, J., Dzida, J., Sala, R. et al (2012), titulado "Performance of Particle Oxidation Catalyst and Particle Formation Studies with Sulphur Containing Fuels” demuestran que el azufre es perjudicial en un sistema DOC+POC y particularmente un contenido de 340 ppm puede producir hasta un 192% (38 g.) más de cenizas recolectadas en un ciclo estudiado, en comparación al contenido de cenizas (6 g.) correspondiente a 6 ppm. La presencia de mayor cantidad de partículas exigió que se realicen regeneraciones con más demora, registrándose 1 hora de regeneración con 350 ppm en relación a media hora con 6 ppm.
La oxidación de azufre a SO3 compite con otras reacciones de oxidación deseadas. La oxidación se da por la presencia de O2 y por NO2 como se explicó anteriormente y por lo tanto la reacción de oxidación a SO3 consume el NO2 y como consecuencia se tiene una menor conversión en la oxidación de otras especies. Así por ejemplo de acuerdo con el estudio mencionado con 350 ppm de azufre se logra una conversión de CO a CO2 de 54%, mientas que con 6 ppm se logra 99%.
El contenido de azufre de nuestro diésel es de 500 ppm, lo cual sumado a las condiciones de manejo en altura hacen reflexionar acerca del impacto que pueden tener en el sistema de depuración diésel. Si bien el fabricante de cada vehículo tiene la última palabra y es imperioso seguir sus direccionamientos, existen consejos que pueden compartirse a los clientes de nuestro taller que incluirían el evitar zonas de alto tráfico, recorrer trayectos largos a velocidades considerables, usar aceites lubricantes bajos en cenizas y reducir la probabilidad de formación de partículas a través de mejoradores de cetano y catalizadores de combustión.