ESCOLA NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE
Departamento de Máquinas Marítimas
M427 - Navios-Tanques II
Marpol-Anexo VI
Controlo de emissões poluentes
Luis Filipe Baptista
Maio de 2007
Sumário
• Legislação da IMO sobre emissões
de gases poluentes (Marpol –
Anexo VI)
• Controlo de emissões de NOx
• Controlo de emissões de fumo
• Conclusões
Emissões de NOx e SOx devidas à
actividade marítima (2000)
Emissões de NOx a nível mundial
devidas à actividade marítima
Emissões de CO2 devidas à
actividade marítima (1994)
Marpol – Anexo VI
• Limites de NOx impostos pelo Anexo VI da Marpol
• A regulamentação aplica-se a partir da data de
entrada em vigor (19 de Maio de 2005) a todos os
navios com motores de potência igual ou superior
a 130 kW construídos a partir de 1 de Janeiro de
2000.
Marpol – Anexo VI
• Possíveis futuras reduções de
emissões a serem implementadas
pela IMO
Marpol – Anexo VI
• Os teores de enxofre nos combustíveis de
•
•
•
marinha (HFO) estão limitados pela convenção a
4,5 % de enxofre como limite máximo
Em áreas especiais (SECA), este teor está
limitado a 1,5 % de enxofre. Utilizando dispositivos especiais é possível libertar emissões até 6
g/kWh
Áreas especiais (SECA) actualmente existentes:
Mar Báltico
A partir de 2007, o Mar do Norte e o Canal da
Mancha passam a ser consideradas como uma
área especial SECA
Marpol – Anexo VI
• A Suécia, Japão e o estado da Califórnia (EUA)
decidiram limitar os níveis de emissões de NOx e
SOx a valores inferiores aos impostos pela IMO.
Estes estados adoptaram as suas próprias
regulamentações, que incluem:
– Desligar os motores dos navios atracados ao cais.
Estes passam a ser abastecidos de energia a partir de
terra
– Recomendar o tratamento dos gases de evacuação,
tendo em vista a redução das emissões
– Redução de velocidade dos navios em porto
– Aplicar taxas reduzidas aos navios em porto que
adoptem as regulamentações destes países/estados
Marpol – Anexo VI
• Regime de taxas portuárias em vigor
na Suécia
Desafios impostos aos
fabricantes de motores
• NOx : Elevados níveis de rendimento dos motores
•
implicam a emissão de elevados teores de NOx
Partículas : elevadas emissões de partículas, são
uma consequência de
–
–
–
–
–
–
Fuel óleo pesado - Heavy Fuel Oil (HFO)
Teores elevados de enxofre (< 4,5%)
Cinzas
Asfaltos
Resíduos provenientes de aditivos do óleo lubrificante
Emissão de fumo a baixos regimes
• Legislação aplicável
– Proliferação de legislação
– Inexistência de utilização de métodos comuns para a
medição de diversos parâmetros (ex: nível de fumo)
Gases de evacuação de motores
Diesel marítimos
Gases de evacuação de motores
Diesel marítimos
• Os gases poluentes (%vol) dos motores
Diesel marítimos lentos representam uma
pequena percentagem do total de gases
Formação dos NOx
• O azoto é um gás inerte. Durante a combustão
•
•
(entre 2000 K e 2500 K), o N2 combina-se com o
oxigénio formando óxidos de azoto (NO, NO2 e
NOx)
A formação de NOx depende da temperatura dos
gases queimados, o tempo de permanência dos
gases a alta temperatura na câmara de combustão e da quantidade de oxigénio presente.
Os motores a 2 tempos produzem mais NOx do
que os a 4 tempos, pois a combustão decorre
durante um período de tempo mais alargado, o
que permite criar uma maior concentração de
NOx
Formação dos NOx
• Um aumento de 100 ºC da temperatura
dos gases de evacuação provoca um
aumento de 10 na formação de óxidos NO
Implicações da redução de NOx no
rendimento dos motores
• A maior parte dos motores pode passar a
cumprir as exigências da Marpol-Anexo VI
através do ajuste do sistema de injecção.
• As alterações provocam em geral um
acréscimo de 2% no consumo de combustível nos motores a 2 tempos
• Nos motores a 4 tempos essas modificações, não implicam, em geral, um
aumento no consumo de combustível.
Métodos utilizados para reduzir
as emissões dos motores
• Motor
– Atraso ao início da injecção, aumento da relação de
compressão e aumento do excesso de ar
• Sistema de injecção de combustível
– Alterações no sistema de injecção. Alterações na
estratégia de injecção. Optimização do projecto dos
injectores
• Adição de água
– Emulsão água-combustível
– Adição directa de água (DWI - Direct Water Injection)
– Humidificação do ar de sobrealimentação
Métodos utilizados para reduzir
as emissões dos motores
• Recirculação de gases (EGR – Exhaust Gas
Recirculation)
– É muito usado na indústria automóvel, devido ao
facto de usarem combustíveis destilados.
– Não é ainda utilizado nos motores marítimos,
devido ao teor de partículas contidas nos gases.
Continua em estudo a sua futura aplicação aos
motores marítimos. Existem projectos a decorrer
na MAN-B&W e Wartsila-Sulzer.
• Pós-tratamento dos gases
– Selective Catalytic Reduction (SCR) – é muito
eficiente na redução drástica dos níveis de NOx
Programa de controlo de
emissões (Wartsila)
Programa de redução de NOx
(Wartsila)
Estratégias de redução de NOx
• Combustão modificada :
– Aumento da relação de compressão
– Atraso no início da injecção de combustível
– Aumento da taxa de injecção
• O pico de pressão é semelhante ao motor conven•
•
cional e ocorre para o mesmo ângulo de manivela,
apesar de a combustão se iniciar mais tarde
Reduzindo, após a compressão, o volume de gases
inicialmente queimados, produz-se uma redução no
teor dos NOx
O consumo específico de combustível -> até + 2%
Estratégias de redução de NOx
Estratégias de redução de NOx
• Combustão modificada para redução de NOx:
– Diagrama de pressão no cilindro de um motor a 2
tempos Wartsila-Sulzer RTA
Estratégias de redução de NOx
• Modificação dos orifícios dos injectores
– Para motores a 4 tempos utiliza-se injecção em leque
sem vórtice.
– Para motores a 2 tempos (direita) utilizam-se vários
injectores (2, 3) que produzem um elevado vórtice
(swirl).
Estratégias de redução de NOx
• Recirculação dos gases de evacuação (EGR)
– Para motores a 4 tempos, está a ser testada a
recirculação dos gases de evacuação em motores
a funcionar a gás (Wartsila).
– O consumo específico de combustível (BSFC)
aumenta e existem problemas de aplicação com
combustíveis pesados (HFO)
– No caso do motor queimar combustíveis pesados,
o grande problema consiste no facto de ser
preciso arrefecer e limpar os gases de resíduos
(cinzas, etc..) , antes de voltar a introduzi-los na
câmara de combustão
– Outra hipótese: reduzir a lavagem do cilindro, de
modo a reduzir a pureza do ar no seu interior.
Estratégias de redução de NOx
• Recirculação dos gases de evacuação (EGR)
– Ensaio com um motor a 4 tempos a gás (Wartsila)
Estratégias de redução de NOx
Adição de água
•Emulsão
•Injecção
directa de água
•Humidificação
Estratégias de redução de NOx
Emulsão Fuel/Água
• A emulsão de fuel com água, é uma forma de
•
•
•
introduzir água no processo de combustão
Usando esta estratégia, pode-se obter uma
redução de consumo de combustível devido a uma
melhor atomização das partículas de combustível
A MAN-B&W utiliza este sistema nos motores de
média velocidade. Reivindica uma redução de NOx
de 6-7 g/kWh para uma emulsão de 15 a 20% de
água do caudal de combustível.
Esta operação é estável para um período de
funcionamento de vários dias
Estratégias de redução de NOx
Emulsão Fuel/Água
• Desvantagens deste sistema:
– A emulsão não é sempre estável e diferenças na
qualidade do fuel podem provocar diferentes
comportamentos
– Podem ocorrer problemas severos de corrosão se
o sistema de injecção não for limpo com fuel
limpo, antes de se parar o motor
– A emulsão baixa a energia por volume fornecida
pela mistura. Deste modo, o sistema de injecção
deve ser mais volumoso (colectores e bombas
maiores) para produzir a mesma potência. Este
facto, faz aumentar a potência absorvida pelo
sistema de injecção.
Estratégias de redução de NOx
Injecção directa de água
Estratégias de redução de NOx
Injecção directa de água
Estratégias de redução de NOx
Injecção directa de água
Estratégias de redução de NOx
Injecção directa de água
Perfis de pressão de injecção de água e de combustível no cilindro para um motor de média velocidade
Estratégias de redução de NOx
Injecção directa de água
Estratégias de redução de NOx
Injecção directa de água
Estratégias de redução de NOx
Humidificação
• Utiliza uma relação água/combustível de
•
•
•
•
3/1
Utiliza água que é aquecida através do circuito
de água de circulação do motor
O ar de lavagem é aquecido até cerca de
70ºC.
Depois de humidificado, o ar de lavagem fica
com cerca de 98% de humidade relativa
O aumento de massa de ar resulta num
aumento da eficiência do sobrealimentador
Estratégias de redução de NOx
Humidificação
Estratégias de redução de NOx
Humidificação
• CASS – Computer Air Saturation System
(Wartsila) - Trata-se de um sistema parecido
•
•
•
•
ao da MAN-B&W para motores de média
velocidade
Utiliza uma relação água/combustível de
2/1
A água é injectado depois do sobrealimentador
A Wartsila reivindica uma redução de cerca de
80% dos teores de NOx, para valores da
ordem de 2-3 g/kWh
Não implica um acréscimo significativo do
consumo de combustível
Estratégias de redução de NOx
Humidificação
• CASS – Computer Air Saturation System
Comparação entre injecção
directa de água / humidificação
Estratégias de redução de NOx
Selective Catalytic Reaction
• Para obter a máxima eficiência do SCR em
•
motores Diesel, a temperatura dos gases de
evacução à saída do SCR, deve ser à volta
de 350 ºC
Como os motores a 2 e 4 tempos têm temperaturas de evacuação diferentes, a colocação do
SCR é feita da seguinte forma:
– Motores a 2 tempos: antes do sobrealimentador
– Motores a 4 tempos: após o sobrealimentador
Estratégias de redução de NOx
Selective Catalytic Reaction
Montagem em Motor Diesel semi-rápido
Estratégias de redução de NOx
Selective Catalytic Reaction
Montagem em Motor Diesel lento
Estratégias de redução de NOx
Selective Catalytic Reaction
Esquema de
montagem
do SCR –
Instalação
em motor
Diesel lento
(MAN-B&W)
Estratégias de redução de NOx
Selective Catalytic Reaction
Estratégias de redução de NOx
Selective Catalytic Reaction
Estratégias de redução de NOx
Selective Catalytic Reaction
Estratégias de redução de NOx
Selective Catalytic Reaction
• Problemas associados aos reactores SCR:
– Custo inicial elevado
– Elevado espaço necessário para a sua
instalação
– Eficiência baixa
– Elevada queda de pressão
– Tendência para criar depósitos de fuligem
– Tendência para sobreaquecer com o tempo de
utilização
– Reciclagem de reactores usados
– Segurança (manuseamento da amónia)
– Disponibilidade reduzida
Redução de partículas
(fumo)
• O aparecimento de emissões de fumo nos
motores Diesel convencionais a carga
parcial e a baixa velocidade, deve-se a:
– Pressões baixas de injecção de combustível
– Pressões baixas de sobrealimentação
• Soluções possíveis:
–
–
–
Sistema de injecção common-rail (CR)
Sobrealimentadores mais eficientes
Alteração da geometria das câmaras de
combustão
– Utilização de emulsão de água
Propostas dos fabricantes de para
reduzir as emissões de fumo
• Sistema de injecção de combustível:
– Pressões mais elevadas de injecção de combustível
– Common Rail (CR)
– Alterações nos injectores
Sistema de alimentação de ar:
– Maior débito e pressões de sobrealimentação mais
elevadas
• Motor:
– Alteração do desenho das câmaras de combustão
• Pós-tratamento dos gases:
– Pouco desenvolvido
Propostas dos fabricantes de para
reduzir as emissões de fumo
Estratégias usadas nos sistemas
Common-Rail (Wartsila)
Os injectores são controlados electronicamente
em separado e de forma independente
Estratégias usadas nos sistemas
Common-Rail (Wartsila)
Sequência de funcionamento dos injectores em
função da velocidade do motor
Níveis de fumo para diferentes
sistemas (Wartsila)
Redução de fumo - Câmara de
combustão (Wartsila)
Redução de fumo - Câmara de
combustão (MAN-B&W)
Redução de fumo - Câmara de
combustão (MAN-B&W)
Redução de fumo – Sistema
Common-Rail (Wartsila)
Redução de fumo – Sistema
Common-Rail (MAN-B&W)
Funcionamento do Sistema
Common-Rail (MAN-B&W)
Funcionamento do Sistema
Common-Rail (MAN-B&W)
Redução de fumo – Sistema
Common-Rail (Wartsila)
Certificado IAPP–International Air
Polution Prevention Certificate
• É um certificado comprovativo perante as
•
•
•
autoridades de que o navio cumpre as
normas respeitantes à Convenção Marpol –
Anexo VI
O certificado é requerido pelo armador do
navio sendo emitido pela Autoridade
Marítima de registo do navio
O certificado é válido por cinco anos
O certificado é emitido após a entrada em
vigor do Anexo VI da Marpol (19 de Maio
de 2005)
Certificado EIAPP – Engine
International Air Polution Prevention
• Adaptação do motor aos novos requesitos:
– Medir os níveis de NOx do motor
– Efectuar os ajustamentos necessários que podem ser
relativamente simples: modificar os injectores e
ajustar o sistema de injecção (VIT - Variable
Injection Timing e VVT – Variable Valve Timing)
• Medição de forma precisa dos níveis de
•
•
NOx dos gases após o “upgrade” do motor
Emissão de uma Ficha técnica com os
dados do motor revisto
Emissão do certificado EIAPP pela sociedade classificadora ou pela Autorid. Marítima
Ficha técnica do Certificado EIAPP –
Engine International Air Polution
Prevention
Conclusões
• As tecnologias actualmente disponíveis
•
permitem uma redução significativo dos
teores de NOx dos motores marítimos, de
modo a fixarem dentro dos limites impostos
pela Convenção MARPOL-Anexo VI, sem
que isso implique uma grande penalização
no rendimento dos motores
É possível, hoje em dia, com a utilização de
novas tecnologias, reduzir a emissão de
fumo dos motores. No entanto, este
aspecto necessita ainda de ser melhorado
pelos construtores de motores marítimos.