Este estudio evaluó el efecto del contenido de azufre en combustibles diesel en las emisiones de un motor. Se probaron combustibles con 50, 500 y 2100 ppm de azufre a diferentes velocidades del motor. Los resultados mostraron que trabajar con combustibles de bajo contenido de azufre redujo significativamente las emisiones de material particulado PM2.5 y PM total, y que las altas velocidades del motor también redujeron las emisiones. El estudio concluye que usar combustibles de bajo azufre y conducir de manera eficiente pueden mejor

1. EFECTO DEL CONTENIDO DE AZUFRE DEL COMBUSTIBLE DIESEL EN LAS EMISIONES DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN Enrique Posada R. Asesor y Director de Proyectos Especiales INDISA S.A.

3. METODOLOGÍA Monitoreo de PM2.5 en fuentes fijas: método 201A  >PM10 PM2.5 <  <PM10  <PM2.5

4. Motor estudiado

5. Equipo de muestreo de MP

6. Equipo de muestreo de MP que clasifica según tamaños

7. CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DEL MOTOR Estudio con 50 diesel de 50 ppm de S Velocidad del motor [rpm] Carga [Nm] Acelerador [%] Consumo de Aire [Nm3/h] Consumo de Comb. [mg/s] Consumo específico De comb. [g/KWh] Potencia [KW] T de entrada al motor [°C] T de salida del motor [°C] T de gases de escape [°C] 1770 26,0 40,2 96 478 367 4,69 69,03 82,1 344 2420 95,0 73,4 181 1600 239 24,08 78,63 87,2 662 Estudio con diesel de 500 ppm de S 1770 26,0 40,6 98 501 379 4,76 67,16 82,9 366 2420 95,0 72,8 176 1647 248 23,89 80,25 89,2 708 Estudio con diesel de 2100 ppm de S 1770 26,0 41,1 97 513 388 4,75 77,57 85,7 371 2420 95,0 70,9 173 1652 249 23,89 78,83 87,2 706

8. CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN Es posible apreciar a simple vista como la velocidad del motor influye directamente en la cantidad de gases generados. Velocidad (rpm) Carga [Nm] O (%) CO [%] CO2 % NO X [ppm] Opacidad [%] Estudio con 50 diesel de 50 ppm de S 1770 26 16,6 0,03 3,0 542,4 0,06 2420 95 13 0,01 5,58 1459 2,34 Estudio con diesel de 500 ppm de S 1770 26 16,4 0,02 3,2 604 0,2 2420 95 12,6 0,01 5,9 1192 3,78 Estudio con diesel de 2100 ppm de S 1770 26 16,3 0,03 3,28 700 0,3 2420 95 12,5 0,01 5,98 1575 3,4

9. RESULTADOS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN Es posible reconocer en la tabla que el impacto sobre las emisiones de la potencia de operación del motor es mayor que el impacto del contenido de azufre en el diesel. Concentración de azufre en el diesel ppm 50 50 500 500 2.1 2.1 Potencia de operación del motor HP 6.29 32.29 6.38 32.04 6.37 32.04 velocidad o condición del motor RPM 1770 2420 1770 2420 1770 2420 Emisión de PM mayor de 10 µg Kg/ton diesel 4.45 0.42 2.61 0.59 2.69 0.67 Emisión de PM entre 2.5 y 10 µg Kg/ton diesel 2.35 2.61 4.31 0.97 3.14 3.99 Emisión de PM menor de 2.5 µg Kg/ton diesel 3.74 0.98 5.33 0.95 9.92 3.44 Emisión de PM menor de 10 µ g Kg/ton diesel 6.09 3.59 9.64 1.92 13.06 7.43 Emisión CO2 Kg/ton diesel 3,638 2,959 3,424 2,746 3,204 3,022 Emisión NOx Kg/ton diesel 65.8 78.7 64.9 56.5 68.3 81.0 Emisión CO Kg/ton diesel 23.2 3.4 15.0 3.0 22.4 3.2 Exceso de aire % 460 147 396 117 362 141

10. FACTORES DE EMISIÓN Azufre en el diesel ppm 50 500 2.100 50 500 2.100 Velocidad del motor rpm 1.770 1.770 1.770 2.420 2.420 2.420 Consumo de combustible kg/hr 1,72 1,80 1,85 5,76 5,93 5,95 Eficiencia % 22,4 21,7 21,1 34,3 33,1 33,0 Exceso de aire % 460 396 362 146 117 140 Rendimiento equivalente de vehículo km/kg 9,7 9,4 9,1 14,8 14,3 14,2 Potencia mecánica del motor kw 4,7 4,8 4,7 24,1 23,9 23,9 Emisiones de PM 2,5 kg/ton diesel 3,8 5,5 8,8 0,8 0,8 2,5 Emisiones de PM total kg/ton diesel 10,6 12,6 13,9 3,3 2,1 6,0 Emisiones de CO kg/ton diesel 23,3 15,1 23,0 3,4 3,0 3,3 Azufre del combustible emitido como SO2 % 25,6 82,2 95,9 64,5 96,4 76,7 Azufre del combustible emitido como PM 2,5 % 8,7 35,8 60,4 15,8 34,9 31,0 Carbón OC kg/ton diesel 2,234 3,303 5,239 0,275 0,218 0,526 Carbón EC kg/ton diesel 0,060 0,068 0,175 0,293 0,328 0,949 Carbón total kg/ton diesel 2,294 3,372 5,413 0,568 0,547 1,475 Hidrógenos y oxígenos asociados con OC kg/ton diesel 1,191 1,761 2,793 0,147 0,116 0,280 Carbono total y sus O y H asociados kg/ton diesel 3,485 5,132 8,206 0,715 0,663 1,755 Iones kg/ton diesel 0,207 0,267 0,307 0,029 0,038 0,729 Óxidos kg/ton diesel 0,029 0,050 0,155 0,054 0,067 0,040 Azufre kg/ton diesel 0,0132 0,0389 0,0546 0,0043 0,0068 0,2081 BaO kg/ton diesel 0,0044 0,0024 0,1083 0,0193 0,0558 0,0006 Fe2O3 kg/ton diesel 0,0005 0,0018 0,0009 0,0019 0,0010 0,0161 ZnO kg/ton diesel 0,0001 0,0000 0,0300 0,0000 0,0082 0,0000 Nitratos kg/ton diesel 0,0468 0,0554 0,0383 0,0046 0,0036 0,0032 Fosfatos kg/ton diesel 0,0470 0,0031 0,0005 0,0000 0,0007 0,0008 Sulfatos kg/ton diesel 0,0396 0,1166 0,1638 0,0130 0,0203 0,6244

11. Se observa que no se tuvo impacto sobre el funcionamiento mecánico del motor por haber trabajado con los distintos contenidos de azufre. Se aprecia que el motor trabajó bastante mejor con altas revoluciones y que en cada velocidad ensayada los rendimientos no se alteran con el contenido de S.

12. MATERIAL PARTÍCULADO TOTAL (PMtotal) Se observa una disminución de las emisiones al trabajar con bajos contenidos de azufre. Estas disminuciones al pasar de trabajar con 2100 ppm a 50 ppm son del orden del 28 % para el trabajo 1770 rpm y del orden del 48 % para el trabajo a 2420 rpm. Igualmente se observa que las emisiones al trabajar a bajas velocidades son del orden de 5 veces más grandes.

13. MATERIAL PARTÍCULADO PM2.5 Se observa una disminución de las emisiones al trabajar con bajos contenidos de azufre. Estas disminuciones al pasar de trabajar con 2100 ppm a 50 ppm son del orden del 59 % para el trabajo 1770 rpm y del orden del 69 % para el trabajo a 2420 rpm. Igualmente se observa que las emisiones al trabajar a bajas velocidades son del orden de 6.7 veces más grandes.

14. GENERALIDADES DEL ESTUDIO Este gráfico muestra el impacto separado del trabajo con los tres tipos de combustibles sobre las emisiones de PM2.5, jugando con las potencias mecánicas del motor (que en este caso están asociadas con la velocidad de giro y las eficiencias, a mayores potencias mecánicas, en estos ensayos, mayores eficiencias y mayores velocidades de giro).

15. COMPOSICIÓN DEL PM2.5 S en diesel, ppm 2100 2100 500 500 50 50 V. del motor rpm 1770 2420 1770 2420 1770 2420 Análisis de iones CLORURO % masa 0,001 0,036 0,065 0,077 0,044 0,035 NITRATO % masa 0,437 0,124 1,007 0,463 1,244 0,571 FOSFATO % masa 0,006 0,031 0,057 0,093 1,251 0,002 SULFATO % masa 1,871 24,490 1,268 1,724 1,053 1,618 SODIO % masa 0,573 1,145 0,998 0,880 1,275 2,964 AMONIO % masa 0,067 0,507 0,051 0,163 0,153 0,078 POTASIO % masa 0,247 0,178 0,329 0,359 0,013 0,779 CALCIO % masa 0,191 1,707 0,149 0,169 0,324 0,212 MAGNESIO % masa 0,040 0,246 0,032 0,029 0,057 0,048 LITIO % masa 0,007 0,008 0,002 0,001 0,044 0,064 BROMO % masa 0,038 0,004 0,007 0,014 0,044 0,064 FLUORURO % masa 0,026 0,110 0,042 0,032 0,018 0,226 TOTAL IONES % masa 3,503 28,586 4,008 4,005 5,518 6,662 Análisis de carbonos CT (carbono total) % masa 58,61 63,46 58,65 148,08 ND 100,68 OC (carbono orgánico) % masa 56,72 22,63 57,46 59,18 ND 48,72 EC (carbono elemental) % masa 1,89 40,83 1,19 88,90 ND 51,95

16. COMPOSICIÓN DEL PM2.5 Los óxidos de mayor contenido en el material partículado estudiado son los que se muestran en la tabla. Sin embargo, en el total de las especies contenidas en las partículas estos óxidos representan en promedio el 4.51% de la masa No se observan patrones claros en la formación de óxidos, a excepción del SO3 que se genera en mayores cantidades cuando el motor tiene una velocidad de 2420rpm. Análisis de elementos por XRF llevados a óxidos S en diesel. ppm 2100 2100 500 500 50 50 V del motor rpm 1770 2420 1770 2420 1770 2420 SO 3 % masa 0.716 2.495 0.301 1.828 0.238 1.085 Fe 2 O 3 % masa 0.010 0.630 0.033 0.131 0.014 0.239 ZnO % masa 0.343 0.000 0.001 1.060 0.002 0.003 BaO % masa 1.237 0.022 0.044 7.198 0.117 2.398 otros óxidos % masa 0.196 0.923 0.974 0.293 0.820 3.683

17. CONCLUSIONES DEL ESTUDIO Se pudo apreciar mediante los resultados que trabajar con diesel de menor contenido de azufre tiene un impacto directo y positivo en la disminución de las emisiones de PM2.5 El impacto de las condiciones de trabajo del motor puede ser mucho mayor que el del cambio del contenido de azufre en el combustible. Por esta razón es posible establecer que la disciplina de los conductores tiene una influencia muy fuerte en la emisión de contaminantes. La situación encontrada para el PM total es semejante a la encontrada para el PM 2.5, si bien el impacto del contenido de azufre en el combustible es mayor. Se observa una clara disminución de las emisiones al trabajar con bajos contenidos de azufre. Es de esperar que la ciudad experimente una sana reducción de las concentraciones de PM 2.5 en el ambiente urbano, dada la importancia de los vehículos diesel en las emisiones. Pero este beneficio puede estar opacado si no se trabaja decisivamente en garantizar altas eficiencias de trabajo en los motores de los vehículos y en el desarrollo de prácticas operativas que eviten la inestabilidad y las bajas velocidades de giro de los motores.

18. MUCHAS GRACIAS POR SU AMABLE ATENCIÓN