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Calidad del biodiesel ydesempeño de los motores
Presentación de la Norma UNIT 1100:2005Biodiesel (B100) – Combustible para mezcla con destilados
medios de petróleo
Paysandú, Junio de 2006
Ing Quím Edison SaucedoJefe del Departamento de Apoyo Tecnológico
ANCAP, División Medio Ambiente, Seguridad Industrial y Gestión de Calidadesaucedo@ancap.com.uy
Criterios generales que guiaron el trabajo de normalización en UNIT (1)
• Elaborar una norma separada para el biodiesel neto (B100), independiente de otros productos conexos o derivados (destilados medios de petróleo y mezclas), apto en sí mismo para uso en motores diesel, pero dirigido principalmente a la preparación de mezclas.
• Tipificar el producto de una manera amplia en base a su origen, pero sin indicar materias primas o procesos de elaboración específicos.
• Tomar como referencia principal las normas EN 14214 y ASTM D 6751.
Criterios generales que guiaron el trabajo de normalización en UNIT (2)
• Suprimir algunas propiedades en base a su menor significación o superposición entre ellas.
• Adoptar límites de especificación mínimos aceptables.• Adoptar los métodos de ensayo prescriptos en las referencias
seleccionadas.
• Siguiendo las referencias anteriores:
Tomar como base las especificaciones existentes para el gasoil de petróleo (ANCAP, ASTM D 975, EN 590, WWFC 2002), diseñado para motores diesel de encendido por compresión.Incorporar requisitos propios del biodiesel para aquellas propiedades que han revelado un efecto importante en el desempeño del motor.
El desempeño del motor diesel se evalúa en base a las siguientes características
• Facilidad de arranque• Desarrollo de potencia• Nivel de ruido• Economía de combustible• Desgaste (lubricidad)• Operabilidad a baja temperatura• Duración del filtro• Emisiones de escape
• Facilidad de arranque• Desarrollo de potencia• Nivel de ruido• Economía de combustible• Desgaste (lubricidad)• Operabilidad a baja temperatura• Duración del filtro• Emisiones de escape
El funcionamiento del motor, evaluado según esas características, depende de:
• el diseño del motor
• el combustible
Problemas potenciales del motor operado con biodiesel neto o con mezclas de alto tenor (1)
• Taponamiento y obstrucción de filtros.• Bloqueo de toberas y orificios de inyección y de conductos, pasajes y
drenajes del sistema de alimentación de combustible.• Aumento de la presión de inyección con excesiva caída de presión.• Pegado y rotura de anillos de pistón.• Formación de depósitos sobre inyectores, pistones y ranuras de pistón.• Atascamiento de la bomba de combustible por viscosidades altas.• Escasez de alimentación de combustible al motor (caída de potencia)
por viscosidades altas.• Desgaste acelerado de válvulas, agujas y pistones de la bomba de
inyección y de los inyectores.
• Taponamiento y obstrucción de filtros.• Bloqueo de toberas y orificios de inyección y de conductos, pasajes y
drenajes del sistema de alimentación de combustible.• Aumento de la presión de inyección con excesiva caída de presión.• Pegado y rotura de anillos de pistón.• Formación de depósitos sobre inyectores, pistones y ranuras de pistón.• Atascamiento de la bomba de combustible por viscosidades altas.• Escasez de alimentación de combustible al motor (caída de potencia)
por viscosidades altas.• Desgaste acelerado de válvulas, agujas y pistones de la bomba de
inyección y de los inyectores.
Problemas potenciales del motor operado con biodiesel neto o con mezclas de alto tenor (2)
• Corrosión de metales.• Degradación severa del aceite lubricante: disminución
inicial de viscosidad, seguida de un aumento después de varias horas. Disminución del número básico y aumento del número ácido.
• Remoción de suciedades incrustadas en el tanque y en el sistema de alimentación de combustible.
• Problemas de arranque y operación en frío.• Hinchamiento, endurecimiento y fragilización de
elastómeros (sellos, tuberías, juntas), recubrimientos de cables eléctricos y pegamentos.
• Corrosión de metales.• Degradación severa del aceite lubricante: disminución
inicial de viscosidad, seguida de un aumento después de varias horas. Disminución del número básico y aumento del número ácido.
• Remoción de suciedades incrustadas en el tanque y en el sistema de alimentación de combustible.
• Problemas de arranque y operación en frío.• Hinchamiento, endurecimiento y fragilización de
elastómeros (sellos, tuberías, juntas), recubrimientos de cables eléctricos y pegamentos.
Causas atribuibles a las propiedades del biodiesel
• Formación de depósitos por exceso de metales formadores de cenizas.
• Abrasión por cenizas.• Formación de sedimentos por polimerización o
cristalización de moléculas pesadas.• Cristalización y gelificación a bajas temperaturas.• Oxidación, polimerización y degradación a ácidos,
aldehídos y cetonas.• Hidrólisis de los ésteres con formación de ácidos libres.• Acumulación de agua, crecimiento microbiano y
formación de lodos asociados.• Baja volatilidad del combustible
• Formación de depósitos por exceso de metales formadores de cenizas.
• Abrasión por cenizas.• Formación de sedimentos por polimerización o
cristalización de moléculas pesadas.• Cristalización y gelificación a bajas temperaturas.• Oxidación, polimerización y degradación a ácidos,
aldehídos y cetonas.• Hidrólisis de los ésteres con formación de ácidos libres.• Acumulación de agua, crecimiento microbiano y
formación de lodos asociados.• Baja volatilidad del combustible
Criterios de calidad específicos exigidos al biodiesel
• Ausencia de ácidos grasos libres.• Limitación de los ésteres poli-insaturados.
• Conversión completa de los triglicéridos a mono-alquil ésteres.
• Remoción completa de:la glicerina producidael catalizadorel exceso de alcohol
Elevada conversión de triglicéridos a monoglicéridos
Contenido de:
• ésteres monoalquílicos (> 96,5 %)• monoglicéridos . . . . . . (≤ 0,8 %) • diglicéridos . . . . . . . . (≤ 0,2 %)• triglicéridos . . . . . . . . (≤ 0,2 %)• glicerina total . . . . . . . (≤ 0,25 %)
Hinchamiento de elastómeros
Fotos: Robert Bosch GmbH
O-ring de caucho nitrilo deformado
Depósitos sobre el inyector de combustible
Gasoil, 200 h operación
SME, éster metílico de soja
Foto: Instituto de Pesquisas Tecnologicas (IPT), Brasil
Purificación de los ésteres monoalquílicos
Quitar los remanentes de:
• glicerina libre• catalizador
(cenizas sulfatadas, sodio y potasio)• metanol empleado en exceso• ácidos grasos libres (índice de acidez)• agua y sedimentos (agua libre y agua total)• calcio y magnesio
Fotos: Robert Bosch GmbH
Depósitos insolubles de productos de
envejecimiento del biodiesel
Acumulación de lodo en bancada de válvulas de camión tractor operado con B20
Desgaste del pistón de válvula de alivio de bomba de combustible de un camión tractor operado con B20.
Despiece de inyector de combustible desgastado, perteneciente a camión tractor operado con B20
Fuente: McCormick, RL et.al., Operating Experience and Teardown Analysis for Engines Operated on Biodiesel Blends (B20), NRELCP-540-38509, 2005.
Oxidación por agua libre
Eje de accionamiento y embrague de bomba distribuidora oxidados
Fotos: Robert Bosch GmbH
Oxidación y taponamiento de filtros
RME: Éster metílico de colza
GasoilFotos: Robert Bosch GmbH
Limitación de algunos componentes perjudiciales
• éster del ácido linolénico• ésteres de ácidos poli-insaturados
(≥ 4 dobles enlaces)• fósforo
Laqueado de piezas
Pistón de bomba distribuidorarotativa laqueado por sustancias insolubles de la polimerización
del biodiesel
Pistón nuevo
Fotos: Robert Bosch GmbH
Limitación de algunas propiedadesfísicas/ operativas
• viscosidad• número de cetano• corrosividad• formación de residuo carbonoso • punto de inflamación• propiedades en frío
Corrosión por ácidos
Piezas de latón atacadas por el ácido fórmico producido en la degradación de los ésteres metílicos de colza (RME)
Fotos: Robert Bosch GmbH
Depósitos sobre el inyector de combustible
Gasoil
RME, 70000 km
RME, 97000 kmGlicéridosNa2CO3
Fotos: Robert Bosch GmbH
Efecto del alcohol sobre el punto de inflamación del biodiesel
-25
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0
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0 20 40 60 80 100
Concentración de biodiesel en la mezcla
Pu
nto
de
En
turb
iam
ien
to, ºC
SojaCanolaSebo vacuno
Punto de enturbiamiento mezclas de gasoil con biodiesel de distintos orígenes
Fuente: Kinast, J.A., “Production of Biodiesel from Multiple Feedstocks and Properties of Biodiesel and Biodiesel/ Diesel Blends”, NREL/SR-510-31460, 2003
-30
-25
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Concentración de biodiesel en la mezcla, %
Pu
nto
de
es
cu
rrim
ien
to, ºC
SojaCanolaSebo vacuno
Punto de escurrimiento mezclas de gasoil con biodiesel de distintos orígenes
Fuente: Kinast, J.A., “Production of Biodiesel from Multiple Feedstocks and Properties of Biodiesel and Biodiesel/ Diesel Blends”, NREL/SR-510-31460, 2003
Estabilidad
• tiempo de inducción Rancimat
Corrosión por ácido fórmico
Punta de inyector97000 km con RME
Detalle
Fotos: Robert Bosch GmbH
Las propiedades del B100 recogidas en la Norma UNIT 1100 pueden ser:
del grueso de sus componentesDependientes
o de impurezas o componentes minoritarios
el desempeño inmediato
o el desempeño a largo plazoQue afecten
directamente el desempeño del motor, o bien
al medio ambiente, la seguridad, la saludQue afecten
afectadas por la estabilidad del combustible
o relativamente invariantes en el tiempo(En un marco temporal)
Comparación de especificaciones para elgasoil ANCAP (abril 2005) y el biodiesel UNIT 1100:2005
(1)
Gasoil ANCAP Biodiesel UNIT 1100mín Máx mín Máx
Contenido de ésteres % ---- ---- 96,5 ----
Viscosidad a 40 ºC mm2/s 1,8 5,8 1,9 6,0
Punto de inflamación ºC 52 ---- 100 ----
Residuo de carbón % ---- 0,15 * ---- 0,10
Número de cetano ---- 45 ---- 45 ---
Contenido de cenizas sulfatadas % ---- 0,005 * ---- 0,02
Contenido de agua y sedimentos % (v/v) ---- 0,05 ---- 0,05
Contenido de agua (Karl Fischer) mg/kg ---- ---- ---- 500
Corrosión de la tira de cobre ---- ---- Clase 3 ---- Clase 3
Propiedad Unidad
Comparación de especificaciones para elgasoil ANCAP (abril 2005) y el biodiesel UNIT 1100:2005
(2)
Gasoil ANCAP Biodiesel UNIT 1100mín Máx mín Máx
Estabilidad a la oxidación, 110 ºC Horas ---- ---- 6,0 ---
Índice de acidez mg KOH/g ---- ---- ---- 0,80
Éster de ácido linolénico % ---- ---- ---- 12,0
Ésteres poli-insaturados (≥ 4 =) % ---- ---- ---- 1,0
Contenido de alcohol % ---- ---- ---- 0,20
Contenido de monoglicéridos % ---- ---- ---- 0,80
Contenido de diglicéridos % ---- ---- ---- 0,20
Contenido de triglicéridos % ---- ---- ---- 0,20
Glicerol libre % ---- ---- ---- 0,02
Propiedad Unidad
Comparación de especificaciones para elgasoil ANCAP (abril 2005) y el biodiesel UNIT 1100:2005
(3)
Gasoil ANCAP Biodiesel UNIT 1100
Mín Máx mín Máx
Glicerol total % ---- ---- ---- 0,25
Punto de escurrimiento ºC ---- - 5 ---- ----
Punto de enturbiamiento ºC ---- ---- ---- Informar
Punto de taponamiento de filtro en frío (CFPP) ºC ---- 0 * ---- Informar
Destilación 90% recuperado ºC ---- 360 ---- ----
Contenido de azufre total % ---- 0,80 ---- ----
Contenido de sodio + potasio mg/kg ---- ---- ---- 10
Contenido de calcio + magnesio mg/kg ---- ---- ---- 5
Contenido de fósforo mg/kg ---- ---- ---- Informar
Propiedad Unidad
Impacto sobre las emisiones de escape
Fuente: US EPA, A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions, Draft Technical Report, October 2002.
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Muchas gracias