La combustión de combustible fósil en motores de diesel tan fundamentales para la economía mundial, produce tanto emisiones de NOx como de MP. Afortunadamente existe una tecnología que reduce ambos. Esta tecnología también puede aumentar la eficiencia del combustible y por lo tanto reduce las emisiones de gas de efecto invernadero. La tecnología que puede proporcionar esta "triple corona" de beneficios ambientales y económicos es la tecnología de combustible emulsionado (EFT).
Una emulsión es una mezcla de dos fases líquidas inmiscibles, una de las cuales (la fase interna-agua&aditivo) está dispersa en la otra (la fase continúa-combustible). Una emulsión toma las características de la fase continua. Por lo tanto, las emulsiones toman las características del combustible, no del agua.
Las emulsiones son inherentemente inestables. Con el tiempo se separarán en dos estados de los materiales de las fases dispersa y continua. Para mantener la composición de una emulsión, los agentes activos de superficie o “surfactantes”, se incorporan en la producción de una emulsión estos agentes surfactantes revisten las gotas de agua distribuidas durante toda la fase continua (combustible) e impide que las gotas de agua se unan y coalezcan.
Tecnología de Emulsión de Propiedad de APT
La Tecnología de Propiedad de APT crea mezclas estables de combustibles emulsionados que contienen porcentajes variables de contenido de agua. La tecnología de emulsión puede ser aplicada para unir diversos combustibles base con agua, creando una amplia gama de productos ambientalmente amigables que reducen la contaminación tanto por los óxidos de nitrógeno (NOx) como por el material particulado (MP) que se generan durante el proceso de combustión.
APT proporciona su tecnología gracias al conocimiento único de los componentes críticos de la producción de combustible emulsionado, así como de su proceso de combustión.
Componentes de la producción de combustibles emulsionados
APT ha desarrollado tecnologías y protocolos para la fabricación de emulsiones rentables y altamente estables. La producción de estas emulsiones involucra el uso de paquetes de aditivos químicos, un proceso de mezcla mecánica y el conocimiento técnico. La combinación precisa y la aplicación de estos componentes producen emulsiones que son robustas y estables y que pueden tolerar el enorme calor y presión al cual están sujetos los combustibles antes de la combustión en un motor a diesel, horno o caldero. Las características únicas de los combustibles emulsionados únicamente ocurren si el combustible permanece como emulsión en el punto de combustión. Las tecnologías de APT producen de manera confiable combustibles emulsionados estables de calidad y norma consistente.
Los componentes esenciales para la producción de combustibles emulsionados APT son:
Aditivos APT;
Unidades de Mezcla APT; y
"Know-How" de APT.
Aditivos APT
Los Aditivos de APT son un grupo de fórmulas líquidas de su propiedad que unen químicamente agua y productos de petróleo para formar emulsiones estables. Los aditivos APT normalmente representan de 0.5% a aproximadamente 2% del combustible terminado. APT ha desarrollado diferentes combinaciones de aditivos para las emulsiones de diesel,fuel oil, biodiesel y residuales.
Los Aditivos APT se fabrican según las normas de APT por proveedores químicos de operaciones internacionales y distinguida reputación que pueden cumplir con los estrictos requerimientos de APT. La formulación de los Aditivos APT está protegida en ciertos casos por patentes y otros son objeto de secretos comerciales.
Los Aditivos APT son líquidos relativamente baratos, de fácil transporte, almacenamiento y uso. Por lo general tienen una vida útil muy larga (en algunos casos hasta un año).
Unidades de Mezcla APT
Las unidades de mezcla que se requieren para la producción de emulsiones de diesel, fuel oil y residual de petróleo son ampliamente diferentes en diseño y aplicación. Sin embargo, una característica común de estas unidades es que son relativamente baratas, sencillas de fabricar y operan con un requerimiento mínimo de servicio y mantenimiento.
Las unidades de mezcla APT las fabrican compañías de ingeniería de reputación, con operaciones internacionales que pueden cumplir con los estrictos requerimientos de APT. Las unidades de mezcla APT están protegidas en ciertos casos por patentes y secretos comerciales.
Las unidades de mezcla APT son por lo general unidades automáticas, autónomas que consisten de una diversidad de mezcladores, motores, bombas, medidores e inyectores, en los cuales se procesan agua, un combustible base y Aditivos APT.
Para producir combustibles emulsionados, la computadora de las unidades de mezcla APT mide, monitorea y controla una diversidad de parámetros operativos, incluyendo temperatura, presión, tasas de flujo y variables de motor. Si cualquiera de los parámetros varían de los limites operativos prefijados, una alarma se lo notificará al operador. Si no se realiza un cambio dentro de un período fijo, la unidad automáticamente dejará de producir. Para asegurar una calidad consiste de producto, el operador tiene únicamente un acceso limitado a los parámetros operativos. El personal autorizado de APT (controlado por autenticación de contraseña) puede hacer cambios a los parámetros operativos si fuera necesario. Además, el Sistema de Control permite un acceso remoto de APT para evaluar las operaciones pasadas, diagnosticar cualquier problema y hacer los cambios si fuere necesario.
Las unidades de mezcla APT pueden ser aumentadas o reducidas para atender las necesidades de sus clientes; sin embargo, generalmente, las unidades de mezcla APT para la producción de combustibles emulsionados producen:
Emulsiones de Diesel Oil - 14 barriles (600 galones, 2,200 litros o 2 toneladas) por hora;
Emulsiones de Fuel Oil - 428 barriles (18,000 galones, 68,000 litros o 58 toneladas) por hora; y
Emulsiones de Residual - 189 barriles (7,900 galones, 30,000 litros o 26 toneladas) por hora.
Conocimientos Especializados de APT
La Tecnología APT fue y continúa siendo una pionera en el campo de la tecnología de combustibles emulsionados. Durante la década anterior, APT ha descubierto mucho acerca de las propiedades, características de combustión y requerimientos de manejo de combustibles emulsionados.
La Tecnología APT incluye numerosas normas de protocolos y control de calidad para sus productos que van desde la materia prima, producción, almacenamiento, entrega y uso. Muchos de estos conocimientos especializados se obtuvieron de las amplias pruebas de los productos en motores a diesel, turbinas de combustión, hornos y calderos. Muchas de estas pruebas se llevaron a cabo en entornos comerciales, en los sitios de los clientes, laboratorios independientes, en casa y en el campo.
Combustión de Emulsiones
Los Combustibles Emulsionados APT son una mezcla de combustibles líquidos tradicionales como diesel, nafta, fuel oil pesado, Biodiesel y agua. El agua está presente como gotas de tamaño microscópico distribuidas en toda la Base de Combustible. Este tipo de emulsión se conoce como una emulsión de fase oleosa. Como resultado, la emulsión final tiene muchas de las características físicas de su Combustible base (refiérase a la Figura 1).
En el caso de combustibles de fase acuosa que tienen un contenido superior de agua tal como el ROE, ocurre lo contrario y el combustible base se suspende como gotas microscópicas en el agua. Como resultado, la emulsión final puede tener características de manejo similares al agua.
Los Combustibles Emulsionados APT se fabrican con un combustible base y agua mediante el enlace químico de los Aditivos APT y al pasar los tres líquidos a través de la unidad de mezcla APT.
Figura 1: Diagrama que ilustra una emulsión de fase oleosa
Gotas de H2O que han sido emulsionadas con un stock de petróleo.
Cada molécula de H2O está rodeada por petróleo lo que crea gotas emulsionadas.
Por que el agua funciona luego de la combustión
Aunque estamos familiarizados con la frase "el agua y el aceite no se mezclan" la mayor parte de las personas no comprenden que la combustión de cualquier hidrocarburo producirá una cantidad significativa de agua en forma de vapor a causa de la reacción del hidrógeno en el combustible y el oxígeno del aire. De hecho, dependiendo del tipo de combustible, la masa de agua que se crea durante la combustión puede ser mayor que la masa de la fuente de combustible. En otras palabras, la tecnología de combustible emulsionado de APT solo altera la secuencia en la cual se introduce el agua en la combustión, no introduciendo el agua como un nuevo compuesto.
La reacción de combustión del metano ilustra esto. Químicamente, el proceso de combustión consiste de una reacción entre el metano y el oxígeno en el aire. Esta reacción química resulta en la producción de dióxido de carbón (CO2), agua (H2O) y una gran cantidad de energía. La siguiente reacción del metano (masa molecular relativa de 16) conduce dos moléculas de agua a combustión completa, con una masa total relativa de 36 (siendo el peso molecular del agua de 18).
CH4 + 2O2 > CO2 + 2H2O
Este ejemplo proporciona una ilustración simplificada dado que típicamente hay otros elementos presentes tales como nitrógeno en el aire y otros componentes del combustible.
Por qué el agua trabaja antes que la combustión
La tecnología de APT crea mezclas estables de combustibles emulsionados que contienen porcentajes variables de contenido de agua. La tecnología de emulsión puede aplicarse para unir diversas bases de combustible con agua creando una amplia gama de productos ambientalmente amigables que reducen tanto la contaminación con NOx y MP que se crea durante el proceso de combustión.
La tecnología de emulsión no es nueva - y funciona1. Atomiza mejor el combustible mediante la vaporización de agua, permitiendo una combustión más fría y más completa (refiérase a la Figura 2 abajo). En emulsiones en base a diesel o biodiesel, las partículas submicrónicas de agua son arrastradas al petróleo a través de un proceso de mezcla de alta fricción que usa un aditivo para unir molecularmente el agua y el petróleo junto en una emulsión estable. Las emulsiones son única tecnología de combustible que simultáneamente reduce tanto las emisiones de NOx como de material particulado (MP).
El NOx térmico se reduce debido al efecto de enfriamiento del agua y el MP se reduce por los cambios cinéticos en la combustión.
Figura 2: Emulsiones como un mecanismo para la reducción de emisiones
El contenido de agua y la estabilidad de los combustibles emulsionados de APT producen sus características únicas de combustión. Por ejemplo, cuando un combustible base se rocía en la cámara de combustión (sea un motor a diesel, una caldera de vapor o un horno), se atomiza en gotas que tienen un tamaño de 20 a 100 micrones. Debido a que únicamente la superficie de cada gota de combustible expuesta al aire puede quemarse, las gotas de combustible líquido de mayor tamaño no se queman completamente y deja que el carbón que no se quema se reúna en las superficies de una cámara de combustión o se escape como partículas en los gases de escape. Esto reduce la eficiencia térmica general y aumenta las emisiones contaminantes (refiérase a la Figura 3 a continuación).
Figura 3: Combustión de Base de combustible
A diferencia del combustible base, cuando las gotas de combustible emulsionadas se rocían en la cámara de combustión, se atomizan por una segunda ocasión como resultado de la violenta transformación de su contenido de agua en vapor. Esta transformación de agua en vapor rompe el petróleo que rodea esa agua en gotas mucho menores (refiérase a la Figura 4 a continuación).
Figura 4: Combustión de Combustible Emulsionado
Las gotas más pequeñas tienen un área de superficie mucho mayor lo que mejora de manera significativa la eficiencia de la combustión. Esta característica de combustión única de los combustibles emulsionados se la conoce comúnmente como "atomización secundaria". Un efecto secundario del agua que se transforma en vapor es que las temperaturas pico de combustión se reducen, lo que resulta en la menor formación de emisiones NOx que causan smog. Los cambios en la cinética de combustión también reduce de manera significativa las emisiones de MP que resultan de una combustión incompleta.
APT está comprometida en un programa activo de investigación y desarrollo para ampliar su portafolio de soluciones ambientales - desarrollando tecnologías avanzadas para atender las cada vez más exigentes regulaciones ambientales y las presiones para reducir el contenido de carbono de los combustibles ante los cambios climáticos mundiales y el hecho de que el petróleo sea un recurso no-renovable.
APT explora otras tecnologías ambientales relacionadas que permitan a los científicos de APT aprovechar su experiencia en las ciencias químicas, mecánicas y de combustión. Por ejemplo, dentro de sus estudios químicos APT está explorando la aplicación de su tecnología de emulsión en la industria petroquímica en la cual las emulsiones temporales pueden usarse para acelerar reacciones químicas tales como la oxidación. Dentro de los estudios mecánicos, APT está explorando oportunidades de modificaciones físicas y mejoras a motores y calderos para que respondan mejor a otros combustibles alternativos tales como los biocombustibles. Dentro de los estudios de combustión, APT está explorando como su entendimiento de las propiedades únicas de las emulsiones pueden aplicarse a nuevas generaciones de aditivos de combustible. Finalmente, APT también usa su talentoso y único equipo de científicos para evaluar otras tecnologías potenciales que pueden estar disponibles bajo acuerdos de licenciamiento.
Las tecnologías que se desarrollan o analizan actualmente incluyen: desulfurización por oxidación de aceites ligeros, generación de hidrógeno de energía solar y conversión a metano, una nueva generación de baterías de larga vida y reciclaje de aceite de motor usado.
Nota: 1) La Sociedad de Ingenieros Automotrices (The Society of Automotive Engineers) ha publicado cientos de reportes de validación técnica.
