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Cómo la espuma de aleación de níquel podría reducir las emisiones y el consumo de combustible
par Carroll McCormick
Revista de Níquel, Junio 2007 -- Conocida por su eficacia de combustible,
los vehículos de motor de diesel están atrayendo más y más atención en un momento en el que el sector de
transporte global es responsable de aproximadamente el 20% de las emisiones de dióxido de carbono.
En Europa el diesel impulsa una gran proporción de vehículos privados, así como la mayoría de los camiones
de transporte. En América del Norte los principales usuarios de diesel son las pequeñas furgonetas de
pasajeros, los autobuses y los camiones de transporte. Los modernos sistemas de tratamiento de escape de
diesel, aunque están diseñados para cumplir las normas de emisión, incrementan el consumo de combustible en
5-10% debido a la contrapresión causada por el hollín acumulado y la inyección periódica de diesel hacia los
sistemas de escape para quemar este hollín. Sin embargo, una reciente innovación podría reducir esa sanción
al usar una espuma de aleación de níquel para mejorar la eficacia de los sistemas de escape de diesel.
La tecnología del tratamiento de escape de diesel que permite a los automóviles y camiones cumplir con las
normas de emisión actuales y de corto periodo, se basa en un proceso de tres partes: catalizadores de
oxidación de diesel (DOCs) que convierten el monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados a dióxido de
carbono y vapor de agua, los filtros de particulado de diesel atrapan las partículas de hollín, y las
unidades llamadas DeNOx reducen los óxidos de nitrógeno a sus componentes de nitrógeno y oxígeno
gaseosos.
Inco Special Products (ISP), una unidad de negocio de CVRD Inco Limited, decidió que
podría mejorar los materiales de los filtros y de los portadores de catalizador (sustratos) en los sistemas
de tratamiento de escape, los cuales se componen de cerámicas, fibras y hojas de metal. La unidad de negocio
desarrolló un substrato de espuma de aleación resistente a la corrosión a alta temperatura basado en espuma
de níquel pura fabricada en China para vender a mercados de baterías recargables de níquel a nivel
mundial.
ISP crea productos de níquel especializados para aplicaciones avanzadas. Ddesarrollaron sus primeras
espumas de aleación de níquel de alta temperatura en el 2003. Las espumas permiten a los fabricantes diseñar
sistemas de tratamiento de escape de diesel con varias ventajas sobre los sistemas convencionales. Por
ejemplo, pueden ser incluidas en una amplia gama de formas más allá de la forma cilíndrica usual; también
serán más ligeras y pequeñas, requerirán menos catalizador de platino para lograr el mismo efecto catalítico,
y reducirán potencialmente el consumo de combustible.
Las pruebas están bien avanzadas y los fabricantes de autos seleccionados estarán acondicionando algunos
modelos con los nuevos sistemas ya a finales del 2007. ISP también está focalizando el mercado de camiones
estadounidense, donde nuevas directrices de emisión de diesel requerirán a los fabricantes de camiones
instalar sistemas de tratamiento en todos los vehículos modelo 2007. Recientemente se abrió la puerta a otro
mercado para los sistemas de tratamiento de escape de diesel cuando la Environmental Protection Agency de
Estados Unidos propuso establecer nuevas normas de emisión para locomotoras iniciando en 2009.
La espuma de níquel pura está hecha por electrodeposición de níquel en espuma de poliuretano que es de
hasta cuatro milímetros (mm) de grosor y un metro de ancho. Un proceso especial después quema el poliuretano,
dejando atrás la espuma de níquel pura. “Este material de níquel es un precursor para muchos otros productos,
tales como la espuma de aleación”, dice el Dr. Dirk Naumann, director de nueva tecnología y desarrollo de
mercado para ISP. “Podemos agregar otros elementos metálicos a la espuma para proporcionar atributos tales
como la resistencia a las altas temperaturas.”
La espuma de aleación desarrollada por ISP consiste de 50% níquel, 22 % hierro, 22 % cromo y 6% aluminio,
con buena resistencia a la oxidación en temperaturas tan altas como 1,100º C. Un proceso de metalurgia de
polvos es utilizado para cubrir la espuma de níquel con una solución aglutinante seguida de un polvo de
aleación. Un paso aglomerante, durante el cual el polvo de aleación y la espuma de níquel se difunden juntos;
produce una aleación homogénea de la composición deseada y las propiedades físicas requeridas. Éstas incluyen
resistencia mecánica, resistencia química, y los tamaños de los poros que pueden oscilar entre 450 micrones a
2 mm, dependiendo del precursor de espuma de níquel.
“La espuma de aleación es un excelente medio para atrapar hollín, y funciona de forma diferente a las
tecnologías de filtro de flujo-pared convencionales,” dice el Dr. Alexander Boehm, quien inventó el proceso
de transformación de níquel-a-aleación y está supervisando el desarrollo de los productos de espuma de
aleación de níquel en ISP. “Este es un filtro de lecho profundo. Confiamos en una combinación de difusión,
impacto inerte, e intercepción de línea de flujo para recolectar el hollín del gas. Estos mecanismos tienen
como objetivo los diferentes tamaños de partículas, incluyendo aquellas en la escala crítica del
nanómetro.”
La espuma de aleación también sirve como un substrato en el cual un catalizador puede ser aplicado para
llevar a cabo las funciones DOC y DeNOx.
La acción catalítica es mucho más efectiva en la espuma de aleación que en las estructuras convencionales
de flujo continuo, debido al efecto de mezcla de la estructura de espuma. Además, su área de superficie más
alta expone mucho más el escape de diesel al catalizador en su viaje más largo a través del lecho.
El resultado es un sistema de tratamiento que necesita ser sólo aproximadamente de la mitad del tamaño de
uno convencional, con la mitad del catalizador costoso (usualmente platino) necesario para limpiar el escape
de diesel hasta el punto requerido por las regulaciones de emisiones.
Para que los filtros continúen funcionando adecuadamente éstos tienen que ser regenerados periódicamente
al quemar el hollín acumulado. La regeneración pasiva ocurre en temperaturas por encima de los 250º C por la
reacción del hollín con el dióxido de nitrógeno para formar dióxido de carbono. Pero en el caso de la mayoría
de los sistemas, cuando un ciclo de operación del vehículo no aumenta la temperatura del sistema de escape lo
suficientemente alto para la regeneración pasiva, el combustible de diesel es agregado en intervalos para
quemar el hollín en las temperaturas que pueda funcionar tan altas como 1,000º C. Esto es llamado
regeneración activa.
Debido a que los filtros más pequeños tienen una masa térmica más baja, éstos se calientan a la
temperatura de regeneración activa más rápidamente, reduciendo las emisiones durante los arranques en frío. Y
debido a que la espuma de aleación puede tolerar cargas de hollín más altas que las que pueden los filtros de
cerámica, éstos requieren regeneración activa menos frecuente. Esto significa que menos combustible es
necesario para alcanzar la temperatura requerida para la regeneración activa, dando como resultado ahorros
potenciales de combustible. Dependiendo de las relaciones complejas con la contrapresión, el resultado podría
ser una reducción en el consumo global de combustible de vehículo y menos emisiones.
Esta es una buena noticia para el sector transporte el cual es un gran contribuyente para las emisiones de
dióxido de carbono a la atmósfera y está siendo observado muy cercanamente por las autoridades
reguladoras.
Carroll McCormick is a Montreal-based freelance writer..
Crédito de la fotografía: CRVD Inco and iStock
Dr. Dirk Naumann
Inco Special Products
2101 Hadwen Road
Mississauga, ON
L5K 2L3
Teléfono: 1-905- 403-3359
Sitio web: www.incosp.com
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