MXPA04000241A - Metodo para reducir las emisiones de humo y de particulas para motores alternativos encendidos por compresion. - Google Patents

Abstract

Se presenta un metodo para reducir las emisiones de humo y de particulas de un gas de escape de un motor alternativo encendido por compresion mediante la adicion a un combustible de petroleo liquido de un aditivo que contiene un compuesto de hierro soluble en aceite y un compuesto con exceso estequiometrico de magnesio.

Description

MÉTODO PARA REDUCIR LAS EMISIONES DE HUMO Y DE PARTÍCULAS PARA MOTORES ALTERNATIVOS ENCENDIDOS POR COMPRESIÓN ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 1. Campo técnico La presente invención se refiere, e términos generales, a un catalizador de combustión pará motores alternativos encendidos por compresión que t operan con combustibles de petróleo líquidos, y en particular la presente invención se refiere a un catalizador de combustión que contiene un compuesto de magnesio en exceso estequiométrico combinado con un compuesto de hierro soluble. 2. Descripción de la técnica anterior Se conocen varios metales que mejoran la combustión en generadores de vapor y turbinas de combustión. [Véase, Boiler Fuel Additives for Pollution Reduction and Energy Savings {Aditivos de combustibles para generadores de vapor para la reducción de la contaminación y ahorros de energía}, editado por Eliot, 1978] . Esos metales incluyen hierro, manganeso y cobre de la primera fila de los metales de transición de la tabla periódica, varios metales alcalinos térreos (bario, calcio) y otros tales como cerio, platino y paladio. El manganeso es ampliamente utilizado como catalizador de combustión en generadores de vapor con aceite residual que contiene frecuentemente contaminantes de combustible, como por ejemplo vanadio. El hierro es generalmente aceptado como un catalizador de combustión menos eficaz. Todos los elementos antes mencionados, cuando se utilizan solos, tienen efectos negativos como catalizador de combustión. El manganeso, generalmente considerado como el catalizador de combustión más eficaz, forma depósitos de bajo punto de fusión y cancela los efectos del magnesio sobre el control de los depósitos de vanadio/sodio/calcio/potasio. El hierro cataliza la formación de trióxido de azufre a partir de dióxido de azufre incrementado la corrosión de "extremo frío" (área de escape) y problemas de "lluvia" de ácido sulfúrico. El cobre es menos eficaz que el hierro o que el manganeso. El calcio forma depósitos difíciles de remover con otros metales contaminantes. El bario forma sales tóxicas. El cerio no es eficaz debido a su peso elemental mayor. Se ha demostrado que estos metales reducen el humo en no más que 50% en concentraciones de hasta aproximadamente 50 ppm en una base de peso/peso según el método de prueba 5 de la Environmental Protection Agency [Agencia de Protección del Medio Ambiente] (EPC M-5) . Las emisiones de humo fueron también reducidas a niveles aceptables cuando se agregó un compuesto soluble en aceite al combustible para un motor de turbina de combustión Westinghouse modelo D501-F 150 MW equipado con cámaras de combustión de alta turbulencia con bajos niveles de Nox. Resultados similares fueron logrados en generadores de vapor Mitsubishi 300 MW y en calentadores de de proceso de refinería. (Rising, B., Particulate Emission Reduction Using Additives [Reducción de emisiones de partículas mediante la utilización de aditivos], Technical Paper TP-98010, 9 de Enero de 1998, Westinghouse Power Corp., Orlando, FL 32826-2399) . Los motores de turbinas de combustión son conocidos por producir una cantidad excesiva de emisiones de humo y partículas durante el ciclo de arranque debido a una combustión inestable, especialmente cuando se utilizan combustibles de tipo queroseno. Esto puede deberse a gotas de combustible de gran tamaño lo que resulta en una combustión ineficaz. Compuestos de hierro solubles en aceite reducen las emisiones de humo de los escapes de las turbinas de combustión en hasta un 80% en concentraciones de hierro de hasta 30 PPM cuando tales motores operan en combustibles de petróleo líquido. Esto se ha demostrado en un motor de turbinas de combustión, por ejemplo el motor modelo D501-F 150 MW de Westinghouse. Un producto de dispersión de óxido de hierro se conoce por reducir las emisiones de humo en motores de turbinas de combustión. El producto de dispersión alcanzó una reducción máxima de humo ha 55 PPM de hierro (Fe) en comparación con un producto soluble en aceite que alcanzó una reducción máxima a 30 PPM de Fe. Esto puede atribuirse a la diferencia entre una solución soluble en aceite del producto de hierro a nivel molecular en comparación con un producto de dispersión que tiene un tamaño promedio de partículas de 0.5 a 1.0 micrómetro . Compuestos de manganeso (Mn) y hierro (Fe) de tipo de dispersión han sido utilizados para reducir las emisiones de humo en motores diesel para uso marítimo de baja velocidad (150 - 400 rpm) . Sin embargo, estos compuestos producen un material sólido en la fase gaseosa. Los motores Diesel para uso marítimo pueden tolerar tales materiales sólidos en fase gaseosa puesto que tales motores tienen grandes tolerancias de tamaños de pistón y de orificio en comparación con motores diesel de velocidades más altas. Además, los motores Diesel para uso marítimo consumen grandes cantidades de aceite en el proceso de combustión, lo que puede ayudar a reducir la acumulación de material sólido. Motores de velocidad media (450 a 1000 rpm) y de alta velocidad (más que 1000 rpm) no pueden tolerar altos niveles de contaminación de aceite de cárter proveniente de los conductos de combustión. Sin embargo, los compuestos de manganeso y hierro de tipo dispersión no tienen ninguna relación sinérgica para catálisis de la combustión. Los compuestos de magnesio con exceso estequiométrico (Mg) reducen los depósitos en los motores de combustión operados por combustibles de petróleo líquido que contienen contaminantes metálicos a nivel de huellas, por ejemplo vanadio, plomo, sodio, potasio y calcio. Estos contaminantes forman depósitos corrosivos de bajo punto de fusión en partes metálicas calientes en motores alternativos, por ejemplo motores Diesel para uso marítimo de baja velocidad. Sin embargo, se sabe que el magnesio forma sales de alto punto de fusión con el vanadio, sodio y otros contaminantes de combustible. Como resultado. Se utilizan compuestos con exceso estequiométrico de magnesio como aditivos para combustible para motores alternativos, como por ejemplo motores de tipo Diesel con el objeto de reducir los efectos de estos contaminantes. Por ejemplo, un compuesto de magnesio con exceso estequiométrico ha sido utilizado en un motor de tipo Diesel estacionario de 6 MW de 18 cilindros Wartsilla V32 para mitigar los efectos de depósitos y corrosión provenientes del combustible de aceite residual utilizado. Sin embargo, no se conocen aditivos para combustible que contiene magnesio para motores Diesel, que reducen las emisiones del humo y de partículas. A la fecha, habido un aditivo para combustible para reducir las emisiones de humo y de partículas provenientes de motores alternativos de alta compresión y alta velocidad (mas que 1000 rpm) , como por ejemplo motores de tipo diesel. Existe la necesidad de un aditivo para combustible que incluye un catalizador de combustión para reducir las emisiones de humo y partículas de motores Diesel para autobuses, camiones y automóviles que operan con combustibles Diesel como por ejemplo combustibles refinados de grado número 2. La presente invención cumple estas necesidades así como otras necesidades. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Se ha descubierto un método para reducir las emisiones de humo y de partículas provenientes de motores alternativos encendidos por compresión como por ejemplo motores de tipo diesel de alta velocidad y de velocidad media que operan con un combustible de petróleo líquido. Este método incluye la adición al combustible de petróleo líquido de un aditivo para combustible que contiene un compuesto de hierro soluble en aceite y un compuesto de magnesio en exceso estequiométríco . El aditivo para combustible puede contener aproximadamente cinco partes de hierro (en peso de metal) y aproximadamente una parte magnesio (en peso de metal) . Cuando se agrega el aditivo para combustible al combustible de petróleo líquido, el contenido de hierro es de preferencia 50 PPM, en peso. Emisiones de humo y de partículas provenientes de motores Diesel son reducidas en más del 90% utilizando la composición y método de esta invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA DE LA PRESENTE INVENCIÓN Se ha mostrado que el hierro se comporte como un catalizador verdadero basado en la teoría cinética. La explicación de estos resultados se presenta con detalles en un documento técnico elaborado por el docto Walter May, titulado "Combustión Turbine Exhaust Particulate Emission Reduction: A Mechanístic Discussión" [Reducción de las emisiones de partículas de escape de turbina de combustión: un comentario mecánico] . Así mismo, los antecedentes de este mecanismo fueron presentados por Bruce Rising en el PowerGen Show en Dallas, TX, en Diciembre de 1997. El documento técnico del doctor May ofrece un mecanismo de de catálisis basado en consideraciones de química cuántica. La actividad muy elevada de la combinación hierro-magnesio fue totalmente inesperada, especialmente el nivel de tratamiento de 50 PPM de hiero (Fe) . Un examen de los espectros de magnesio, hierro, cobre y manganeso indica que las lincas espectrales del magnesio complementan las líneas espectrales del hierro. No se observan duplicados ni refuerzos. Los espectros del magnesio, en sí, no proporcionan energía en las áreas que seguirán consumiendo hidrocarburos después del enfriamiento de la temperatura. Sin embargo, se cree que los espectros del magnesio son sinérgicos con los espectros de hierro para proporcionar cuantos (paquetes) energía que soportan y continúan la reacción de hidrocarburo con oxígeno después del enfriamiento de la temperatura a un nivel inferior a las temperaturas que soportarían normalmente la combustión. Por consiguiente, el magnesio soporta el efecto catalítico del hierro de manera sinérgica lo que resulta en un catalizador mucho más eficaz que el hierro solo . La composición de esta invención es un compuesto de hierro soluble en aceite y un compuesto de magnesio en exceso estequiométrico . Esta composición cataliza la combustión de combustibles de petróleo liquido en motor alternativo encendido por compresión como por ejemplo motores Diesel, cuando se agrega a tales combustibles. La combustión catalizada resulta en un desempeño mejorado del motor, una potencia incrementada del motor y una mayor eficiencia del combustible. Los motores de tipo diesel presentan una situación significativamente diferente de las turbinas de combustión, calentadores de proceso y generadores de vapor en la medida en que los motores de tipo Diesel son motores de pistones alternativos. La energía proveniente del combustible se desprende de una serie de "explosiones" discretas en lugar de un sistema de combustión constante. Los motores de tipo Diesel presentan también un problema con paredes de cilindro de muescas de aro de pistón, cabeza de pistón, válvulas, asiento de válvulas y turbo cargadores. Como resultado no es un progreso natural de turbinas de combustión, calentadores de proceso generadores de vapor hasta motores de tipo Diesel. Además los motores de tipo Diesel para uso en automóviles de alta velocidad, presentan problemas significativamente diferentes en comparación con los motores marítimos de baja velocidad o bien en comparación con los motores estacionarios para plantas generadoras de velocidad media. Eso se debe a la velocidad mayor de los aros que se desplazan en las paredes del cilindro y a la abertura de las válvulas por tiempo unitario. La dispersión o los aditivos de combustible de tipo pasta son conocidos por producir materiales sólidos que causarían una abrasión severa y un desgaste de las partes del motor, lo que provocaría rápidamente una falla del motor. El método para reducción de las emisiones de humo y partículas a partir de un gas de escape proveniente de un motor alternativo encendido por compresión que opera en un combustible de petróleo líquido incluye la adición de un aditivo para combustible a dicho combustible de petróleo líquido, dicho aditivo para combustible comprende un compuesto de hierro soluble en aceite y un compuesto de magnesio con exceso estequiométrico . La composición de la presente invención incluye un aditivo para combustible que contiene de aproximadamente 3.0 a 8.0 partes de hierro, en peso, por aproximadamente una parte de magnesio, en peso. De preferencia de 4.0 a aproximadamente 7.0 partes de hierro, en peso, por 1.0 parte de magnesio, en peso. Con mayor preferencia, de aproximadamente 5.0 partes de hierro, en peso, por aproximadamente 1 parte de magnesio, en peso . Los compuestos de hierro solubles en aceite de la presente invención se seleccionan entre carboxilato, dicarboxilato, sulfonato, fosfonato de hierro y compuesto emparedado como por ejemplo diciclopentadienilo y diciclopentadienil-carbonilo y mezclas de los mismos. Los carboxilatos de hierro se elaboran a partir de ácidos carboxilicos que contienen 8 ó más átomos de carbono para solubilidad en aceite. Los compuestos de magnesio con exceso estequiométrico de esta invención se seleccionan entre carboxilato, sulfonato y mezclas de los mismos. EJEMPLO 1 La composición de aditivos para combustible puede también formularse en forma de un concentrado que contiene aproximadamente 5.5% de hiero, en peso, y aproximadamente 1.1% de magnesio, en peso. Diluciones de este concentrado pueden elaborarse para comodidad de uso. Para tratara 100 litros de combustible de tipo diesel el peso del combustible del tipo diesel ha tratar es de 80 kg, con base en una densidad de 0.8 gm/cc. Para una concentración de hierro de 50 PPM de Fe la cantidad de hierro soluble en aceite que se requiere es de aproximadamente 4 g de Fe . Se agrega una cantidad suficiente de compuestos de hierro soluble en aceite y magnesio en exceso estequiométrico al combustible de tal manera que se agreguen aproximadamente 4 g de hierro a aproximadamente 100 litros de combustible. Otros volúmenes y/o pesos pueden ser utilizados para tratar un volumen dado y/o un peso dado de combustible con varias concentraciones de aditivo para combustible. Este aditivo para combustible ha sido probado en vehículos para pasajeros que tienen motores de tipo Diesel, como por ejemplo camionetas de tipo pickup, minivan, y vehículos comerciales tales como autobuses locales y foráneos y camiones de carga foráneos . EJEMPLO 2 El compuesto de hierro soluble en aceite de esta invención puede prepararse en un lote individual en cantidades de laboratorio. El aparato requerido es un frasco de 1000 mi de fondo redondo de tres cuellos, con camisa de calentamiento, controlador de temperatura, termómetro de 0 a 400°C, agitador central montado con un motor y controlador, condensador y bomba de vacío con trampa. Los reactivos son los siguientes: Óxido de hierro 79 gramos Ácido carboxilico 720 gramos (MW> 200) Solvente de proceso de alto 215 gramos punto de ebullición El aparato es ensamblado con el termómetro en un cuello externo y agitador en el centro. Conecte un condensador al frasco en la posición de reflujo. Agregue solvente de alto punto de ebullición, ácido carboxilico (> 200 MW) al reactor. Caliente a 90°C. Agregue óxido de hierro y caliente a 110°C. Agregue ácido carboxilico (> 45 MW) y caliente a 140°C. Someta a reflujo durante una hora. Remueva el agua de la reacción con el ácido carboxilico. Caliente a más que 200°C hasta que el solvente de alto punto de ebullición y el agua estén removidos. Cuando el agua deja de evaporarse, coloque el condensador en la posición de destilación, aplique el vacio y remueva el solvente restante. Retorne el solvente de alto punto de ebullición y/o HAN o combustible No. 2 para alcanzar la concentración deseada de hierro. EJEMPLO 3 El compuesto con exceso estequiométrico de magnesio de esta invención puede prepararse en un solo lote en cantidades de laboratorio. El aparato requerido es un frasco de 1,000 mi de fondo redondo de 3 cuellos que tiene una camisa de calentamiento, un controlador de temperatura, un termómetro de 0 a 400°C, un agitador montado en centro con un motor y controlador, condensador y bomba de vacio con trampa. Los reactivos son los siguientes: Hidróxido de magnesio 195 gramos Ácido sulfónico (MW > 200) 37 gramos Ácido carboxilico (MW > 200) 99 gramos Ácido carboxilico (MW > 45) 2 gramos Solvente de proceso de alto 215 gramos punto de ebullición Solvente aromático alto 138 gramos El aparato es ensamblado con el termómetro en un cuello externo, agitador en el centro. Conecte el condensador al frasco en la posición de reflujo. Agregue solvente de alto punto de ebullición, ácido carboxilico (> 200 M ) y ácido sulfónico al reactor. Caliente a 90 °C. Agregue hidróxido de magnesio y caliente a 110°C. Agregue ácido carboxilico (> 45 MW) y caliente a 140°C. Someta a reflujo durante una hora. Remueva agua de reacción con los ácidos carboxílicos . Caliente a más de 280°C hasta la remoción del solvente de alto punto de ebullición y agua. Cuando el agua deja de evaporarse, coloque el condensador en la posición de destilación, aplique vacio y remueva el solvente restante. Retorne el solvente de alto punto de ebullición y/o HAN o bien combustible No. 2 para alcanzar la concentración deseada de magnesio. La presente invención tiene varias ventajas. Las emisiones de humo y partículas a partir de motores alternativos encendidos por compresión son reducidas en más del 90% con base en observaciones visuales, utilizando el método y la composición de hierro soluble en aceite y magnesio en exceso estequiómetrico de esta invención. Motores alternativos encendidos por compresión que utilizan el método y la composición de esta invención produjeron también una potencia incrementada durante la aceleración del vehículo y operan en forma más suave con menos vibración y "golpeteo". Además, la eficiencia del combustible de tales motores se elevó también desde un mínimo de 10% hasta alcanzar 20%. En pruebas empíricas en campo, no ha habido reportes de problemas de mantenimiento ni daño al motor como resultado de la utilización de un aditivo para combustible que contiene la composición de esta invención. Mientras la presente invención ha sido descrita y/o ilustrada con referencia particular a un catalizador de combustión para motores alternativos encendidos por compresión, por ejemplo, motores Diesel, que operan en combustibles de petróleo líquido, se observará que la presente invención no se limita a la(s) modalidad (es) particular (es) descrita(s). Será aparente a las personas con conocimientos en la materia que el alcance de la presente invención incluye el uso del catalizador de combustión en otros motores alternativos diferentes de los específicamente descritos. Además, las personas con conocimientos en la materia observarán que la invención descrita arriba es susceptible de variaciones y modificaciones otras que las específicamente descritas. Se entenderá que la presente invención incluye todas las variaciones y modificaciones que se encuentran dentro del espíritu y alcance de la invención. Se contempla que el alcance de la presente invención no se limite a la especificación sino que sea definido por las reivindicaciones adjuntas .

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES Un método para reducir las emisiones de humo y partículas a partir de un gas de escape proveniente de un motor alternativo encendido por compresión que opera con un combustible de petróleo líquido, dicho método comprende el paso de: agregar un aditivo para combustible a dicho combustible de petróleo líquido, dicho aditivo para combustible comprende un compuesto de hierro soluble en aceite y un compuesto de magnesio en exceso estequiométrico, que contiene de aproximadamente 3 partes a aproximadamente 8 partes de hierro por aproximadamente 1 parte de magnesio, en peso . Un método de conformidad con la reivindicación 1, en donde dicho compuesto de hierro soluble en aceite se selecciona dentro del grupo que consiste de un carboxilato, dicarboxilato, sulfonato, fosfonato de hierro, y compuesto emparedado, por ejemplo diciclopentadienilo y diciclopentadienil-carbonilo, y mezclas de los mismos, dicho compuesto de magnesio en exceso estequiométrico se selecciona dentro del grupo que consiste de carboxilato, sulfonato y mezclas de los mismos . Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho aditivo para combustible contiene de aproximadamente 4 partes a aproximadamente 7 partes de hierro por aproximadamente 1 parte del magnesio, en peso. Un método de conformidad con cualguiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho aditivo para combustible contiene aproximadamente 5 partes de hierro por aproximadamente 1 parte de magnesio, en peso . Un método de conformidad con lo reclamado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho combustible de petróleo liquido contiene aproximadamente 50 PPM de hierro, con base en peso, después de agregar el aditivo para combustible. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el humo y la materia en partículas en dicho gas de escape se reducen en por lo menos 90% en peso. Un método de conformidad con lo reclamado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho motor alternativo encendido por compresión es un motor Diesel que opera dentro de un rango de aproximadamente 400 a 1,000 revoluciones por minuto hasta aproximadamente 1,000 a 4,000 revoluciones por minuto. Un método para catalizar la combustión de un combustible de petróleo líquido en un motor alternativo encendido por compresión, dicho método comprende el paso de: agregar un compuesto de hierro soluble en aceite y un compuesto de magnesio en exceso estequiomét ico a dicho combustible de petróleo liquido, la cantidad de hierro que se agrega es de aproximadamente 3 partes a aproximadamente 8 partes por aproximadamente 1 parte de magnesio, en peso; y en donde dicho motor tiene un desempeño de motor mejorado, una potencia de motor incrementada y una mayor eficiencia de combustible.