Determinación de la calidad de los motores diesel a partir de aceite de motor usado y residuos plásticos

Informe de investigación

Prefacio

Queremos dar las gracias a las siguientes personas por este proyecto:

Pyrolyze, Peter y Raymundo, gracias por dejarnos hacer este proyecto con vosotros. La colaboración ha sido muy agradable y es muy grato contribuir a su compromiso con un planeta más limpio

Martijn, gracias por guiar el proyecto. En particular, preparándonos para nuestra tarea de graduación y ayudándonos a prepararnos para el siguiente paso en el currículo escolar.

También queremos dar las gracias a ambas empresas, Bureau Veritas y VPS, por abrir sus laboratorios y contribuir al proyecto.

Resumen

El objetivo de este proyecto era realizar análisis cuantitativos y físicos de diferentes diésel Pyrolyze. Este gasóleo se produce a partir de residuos de aceite de motor y plásticos. Estos residuos se tratan con un proceso de pirólisis desarrollado por Pyrolyze. Las muestras de Pyrolyze son:

• Pirólisis sin filtrar de gasóleo de motor
• Gasóleo de pirólisis sin filtrar a partir de residuos plásticos (PS/PP/PE 1:1:1)
• Gasóleo de pirólisis filtrado a partir de residuos plásticos (PS/PP/PE 1:1:1)

Además, se utilizaron como referencia los siguientes motores diésel:

• Tinq gasoil
• Gasóleo Shell
• Gasóleo Shell v-power

Los protocolos de análisis utilizados proceden de la norma NEN-EN 590. La norma NEN-EN590 es un método que describe las propiedades cuantitativas y físicas que deben cumplir todos los combustibles diésel destinados al sector de la automoción en la Unión Europea. Las muestras se midieron en dos laboratorios, Bureau Veritas y VPS.

Los resultados muestran que las muestras pirolizadas no cumplen la norma EN590. Las densidades de las muestras analizadas son demasiado bajas y el contenido de azufre demasiado alto. El punto de inflamación del gasóleo procedente del aceite de motor era muy bajo, por lo que no se podía analizar. Los demás parámetros, contenido de agua, viscosidad, contenido de cenizas, contenido de manganeso, FAME y punto de inflamación del gasóleo plástico, se ajustan a las especificaciones de la norma NEN-EN590.

Los resultados de ambos laboratorios coinciden.

Abreviaturas utilizadas

El cuadro 1 muestra las abreviaturas que aparecen en el informe del estudio.

Cuadro 1 Abreviaturas con lista de significados

Índice

1.0 Introducción.
1.1 Objetivo
1.1.1 Pregunta principal.
1.1.2 Subpreguntas.
1.2 Investigación.
2.0 Material y método.
2.1 Muestras y productos químicos.
2.1.1 Muestras.
2.1.2 Productos químicos.
2.2 Equipamiento.
2.3 Método.
3.0 Resultados.
4.0 Discusión y conclusión.
Recomendaciones.
Bibliografía.
Apéndice.

1.0 Introducción

Durante este proyecto, se investigó la calidad de varios diésel producidos por Pyrolyze. Pyrolyze quiere ofrecer una solución a uno de los mayores problemas del siglo XXI, los residuos. Gracias a la innovadora tecnología de pirólisis, los residuos se convierten en materias primas aprovechables. Los residuos plásticos, el aceite de motor usado y los neumáticos viejos se convierten en 3 fracciones mediante pirólisis:

• Fracción de gas
• Fracción nafta
• Fracción diésel

La fracción gaseosa se utiliza como combustible para el proceso de pirólisis. La fracción de gasóleo procedente del sistema de pirólisis se filtra. La fracción filtrada de gasóleo y nafta puede venderse comercialmente como materia prima y/o combustible. En el reactor queda un residuo que se denomina negro de humo.

Pyrolyze se interesa por la calidad de sus 2 productos comercialmente útiles, la fracción diésel y la fracción nafta. También es interesante la comparación con productos comparables de proveedores existentes. Para este estudio, la calidad de la fracción de gasóleo se comparó con la del gasóleo procedente de diversas fuentes comerciales.

A continuación, la tarea consistió en analizar estos combustibles pirolizados utilizando el NEN-EN590 (NEN, 2017). La NEN-EN590 es una norma que describe las propiedades físicas y cuantitativas que deben cumplir todos los combustibles diésel para automóviles en la Unión Europea. El diésel Pyrolyze se compara con el diésel estándar B7 y el V-Power.

Los análisis fueron realizados por los empleadores de ambos estudiantes, Annemiek en Bureau Veritas y Remco en Veritas Petroleum Services (VPS). Aquí están los conocimientos y el equipo para analizar diversos parámetros internamente.

1.1 Objetivo

El objetivo del proyecto es determinar la calidad del gasóleo pirolizado.

Se ha formulado una pregunta principal con varias subpreguntas.

1.1.1 Cuestión principal

¿Es la calidad del gasóleo Pyrolyze comparable a la del gasóleo de los proveedores existentes en el mercado?

1.1.2 Subpreguntas

• ¿Qué parámetros son importantes para determinar la calidad del gasóleo?
• ¿Qué parámetros son importantes para el gasóleo que debe cumplir los requisitos medioambientales?
• ¿Cómo se compara el gasóleo Pyrolyze con los gasóleos disponibles en el mercado?
• ¿Cumple el gasóleo Pyrolyze los requisitos medioambientales?
• ¿Hay que mejorar la pirólisis de residuos?
• ¿Cuáles son las diferencias entre los resultados de ambos laboratorios?

1.2 Investigación

Pyrolyze proporcionó 3 tipos de muestras:

• Gasóleo sin filtrar de aceite de motor
• Gasóleo sin filtrar procedente de residuos plásticos (PS/PP/PE 1:1:1)
• Gasóleo filtrado a partir de residuos plásticos (PS/PP/PE 1:1:1)

Los residuos plásticos son una mezcla de diferentes plásticos seleccionados por Pyrolyze. Se mezclaron poliestireno (PS), polipropileno (PP) y polietileno (PE) en la proporción de 1 a 1 a 1 y se procesaron con el sistema de pirólisis en las fracciones.

El volumen suministrado por tipo de gasóleo es de aproximadamente 500 ml. Debido al pequeño volumen, no fue posible realizar todos los análisis de la NEN-EN590. La tabla 2 ofrece una visión general de los análisis realizados de acuerdo con la norma NEN-EN590. Se ha elaborado un resumen de los análisis realizados por cada laboratorio. El método utilizado para cada parámetro y la técnica con la que se realiza el análisis se muestran para ambos lobatorios. En las últimas columnas de la tabla se indican con colores las similitudes (verde) y las diferencias (rojo) de método entre los laboratorios. Naranja significa que 1 de los laboratorios no puede realizar este análisis.

Tabla 2. Visión general de los análisis con las técnicas asociadas de ambos laboratorios

Los productos pirolíticos y el material de referencia se analizaron en ambos laboratorios para los parámetros de la tabla 3. Esta tabla muestra las especificaciones que debe cumplir el diésel por parámetro según la norma NEN-EN590 (NEN, 2017). También se muestra el rango de medición por parámetro de ambos laboratorios. El color verde indica si el intervalo de análisis se encuentra dentro de las especificaciones especificadas. El color naranja indica que el análisis no puede realizarse en ese laboratorio.

Tabla 3.

Especificaciones generales según NEN-EN590 y rango de medición Bureau Veritas y VPS.

2.0 Material y método

2.1 Muestras y productos químicos

2.1.1 Muestras

Durante este proyecto se examinaron las siguientes muestras:

Muestras de pirólisis

• Pirólisis sin filtrar de gasóleo de motor
• Diésel de pirólisis sin filtrar a partir de residuos plásticos (PS/PP/PE 1:1:1)
• Diésel de pirólisis filtrado a partir de residuos plásticos (PS/PP/PE 1:1:1)

Material de referencia

• Tinq diesel
• Gasóleo Shell
• Shell v-power diesel

Los motores diesel Pyrolyze fueron entregados personalmente por Peter Klaren durante una breve visita al laboratorio de Bureau Veritas.

Los diésel de referencia se obtuvieron en una gasolinera.

2.1.2 Productos químicos

En el análisis de las muestras se utilizaron los siguientes productos químicos:

• Premisolf
• Aceite de parafina
• Xileno

2.2 Equipamiento

La tabla 4 muestra los análisis realizados con los equipos utilizados en ambos laboratorios durante el proyecto.

Tabla 4. Equipo utilizado durante el proyecto

2.3 Método

En este capítulo se describen los distintos métodos de análisis de los parámetros analizados. La tabla 5 muestra los parámetros analizados con los métodos ISO/ASTM utilizados en ambos laboratorios.

Cuadro 5 Métodos generales de ambos laboratorios

3.0 Resultados

Los resultados de esta investigación se recogen en las figuras siguientes. En estas figuras, los resultados de ambos laboratorios se muestran en recuadros. Las casillas con un recuadro de puntos son resultados de VPS y las casillas con un recuadro continuo son resultados de Bureau Veritas. Las figuras muestran las especificaciones según NEN_EN590 mediante una línea roja. Cuando un resultado está dentro de las especificaciones, la casilla es verde, cuando un resultado está fuera de las especificaciones, la casilla es roja.

Los textos de las figuras están en inglés porque así lo quiso mejor el cliente, para poder publicarlos directamente en su sitio web sin más explicaciones.

La figura 1 muestra los resultados del contenido de agua. Según las especificaciones NEN-EN590, la muestra puede contener un máximo de 200 mg/kg, lo que se indica con una línea roja en la figura. Las muestras y referencias de Pyrolyze cumplen las especificaciones de la norma NEN-EN590.

Figura 1. Resultados del contenido de agua

La figura 2 muestra los resultados de la viscosidad medida a 40°C. Según las especificaciones NEN-EN590, la viscosidad debe estar comprendida entre 2 y 4,45 mm2/s. La figura muestra que todas las muestras de Pyrolyze y las muestras de referencia están dentro de la especificación.

Figura 2. Resultados de viscosidad a 40°C

La figura 3 muestra los resultados del contenido de cenizas. Según la especificación NEN-EN590, la muestra puede contener un máximo de 0,01% m/m de cenizas tras la incineración. La figura muestra que las muestras de pirólisis y las muestras de referencia están dentro de la especificación.

Figura 3. Resultados del contenido de cenizas

La figura 4 muestra el contenido de manganeso. Según la especificación NEN-EN590, la muestra puede contener un máximo de 2 mg/L de manganeso. El manganeso sólo se ha analizado en el laboratorio de Bureau Veritas. Los resultados muestran que el gasóleo procedente de aceite de motor usado contiene una pequeña cantidad de manganeso. Los demás diésel Pyrolyze y los diésel de referencia no contienen manganeso. Todas las muestras cumplen las especificaciones.

Figura 4. Resultados del contenido de manganeso

La figura 5 muestra los resultados del contenido de ésteres metílicos de ácidos grasos. Según la especificación NEN-EN590, la muestra puede contener un máximo del 7% v/v. La figura muestra que existe una diferencia entre los diésel Pyrolyze y los diésel de referencia. Los diesel Pyrolyze no contienen FAME y los diesel de referencia sí contienen FAME. También se observa que los resultados se ajustan a las especificaciones de la norma NEN-EN590.

Figura 5. Resultados del éster metílico de ácidos grasos

La figura 6 muestra los resultados de los puntos de inflamación. Según la especificación NEN-EN590, el punto de inflamación debe ser de al menos 55°C. La figura muestra que todos los diésel de referencia y el diésel Pyrolyze de plástico cumplen las especificaciones. Bureau Veritas no ha podido determinar un punto de inflamación para todos los gasóleos Pyrolyze.

El punto de inflamación del gasóleo pirolizado a partir de aceite de motor se muestra en la figura con 0°C como resultado. Esto se debe a que el resultado es inferior a 40 (ISO2719).

Figura 6. Resultados del punto de inflamación

La figura 7 muestra los resultados de densidad. Según la especificación NEN-EN590

Las figuras 8 y 9 muestran los resultados del contenido de azufre. La figura 8 muestra el contenido de azufre analizado con el WDXRF. Las especificaciones NEN-EN590 establecen que el contenido de azufre no debe superar los 10 mg/kg. La figura muestra que los diésel Pyrolyze y el diésel de referencia no cumplen las especificaciones. El gasóleo pirolizado procedente del aceite de motor tiene un alto contenido de azufre en comparación con el gasóleo procedente del plástico.

Además del método WDXRF, las muestras fueron analizadas para azufre en un Coulómetro por Bureau Veritas. Los resultados pueden verse en la figura 9. Por lo tanto, aquí no se muestran los resultados de VPS. En la figura 9 se observa la misma tendencia que en la figura 8. El gasóleo pirolizado procedente del aceite de motor tiene un alto contenido de azufre en comparación con el gasóleo procedente del plástico. Ese gasóleo Shell v-power es el único que entra dentro de las especificaciones analizadas con la técnica del culombímetro.

Figura 8. Resultados contenido de azufre determinado por VPS (método XRF)

Figura 9. Resultados del contenido de azufre determinados por Bureau veritas (método del culombímetro)

Los datos brutos en los que se basan estas cifras se presentan en el Apéndice 2. Los certificados de Bureau Veritas también se incluyen en el Apéndice 1.

4.0 Debate y conclusiones

La calidad del gasóleo Pyrolyze no cumple los requisitos de una serie de parámetros. Algunos parámetros no se ajustan a las especificaciones de la norma NEN-EN590. El diésel Pyrolyze también difiere, en una serie de parámetros, de los diésel estándar analizados como referencia.

El gasóleo Pyrolyze no cumple las especificaciones de la norma NEN-EN590 en los siguientes parámetros:

• Azufre
• Densidad
• Punto de inflamación, sólo para aceite de motor

Los demás parámetros analizados sí se ajustan a las especificaciones.

El gasóleo Pyrolyze se diferencia de los gasóleos estándar por los siguientes parámetros:

• FAME
• Densidad
• punto de inflamación

Los resultados de densidad del gasóleo Pyrolyze no se ajustan a las especificaciones de la norma NEN-EN590. Los resultados están por debajo del límite inferior. La densidad de los diésel Pyrolyze es comparable. Los diésel de referencia sí cumplen las especificaciones.

El contenido de FAME en los gasóleos Pyrolyze es diferente del contenido de FAME de los gasóleos de referencia. El contenido de FAME es un valor que indica cuánto biodiésel hay en la muestra que se mezcla. Los diésel Pyrolyze se fabrican exclusivamente a partir de plástico o aceite de motor y, por tanto, no contienen FAME. La falta de biodiésel en el gasóleo pirolizado también puede causar la diferencia de densidad.

Los resultados del contenido de azufre de los diésel Pyrolyze están muy por encima del límite superior de las especificaciones de la norma NEN-EN590. El gasóleo de automoción, en particular, tiene un alto contenido de azufre. El aumento del contenido de azufre se debe a que el aceite de motor contiene compuestos azufrados. Éstos son en parte responsables de la lubricidad del aceite. Los motores diésel de plástico también quedan fuera de las especificaciones establecidas. Esto no tiene sentido, porque el plástico no contendría azufre. Es posible que el sistema se contaminara antes de pirolizar el lote de plástico. Las muestras de referencia de VPS tampoco cumplen las especificaciones de la norma NEN-EN590. Las concentraciones son muy bajas, lo que significa que el equipo y la calibración utilizados pueden no ser suficientes. Los diésel de referencia analizados en Bureau Veritas sí cumplen las especificaciones.

El punto de inflamación de los gasóleos de plástico Pyrolyze es superior al de los gasóleos de referencia. Esto puede deberse a la composición del gasóleo. Esto se puede comprobar comparando la investigación anterior de Pyrolyze y la universidad de ciencias aplicadas con los resultados de esta investigación.

El punto de inflamación del gasóleo pirolizado a partir del aceite de motor es demasiado bajo para determinarlo con las técnicas disponibles. Esto significa que la muestra contiene componentes muy volátiles, razón por la cual el punto de inflamación es tan bajo.

Recomendaciones

Pyrolyze ha dado un buen primer paso en el proceso que se está desarrollando. Podemos recomendar lo siguiente para optimizar el proceso:

Analice los demás parámetros enumerados en la norma NEN-EN590. Así se obtiene una visión más completa de los motores diésel y sus características. Especialmente el índice de cetano, el micro residuo de carbono en el 10% de residuo de dist (MCR 10%) y la destilación son parámetros que dicen mucho sobre el gasóleo.
En la investigación de seguimiento, podría decidirse aumentar el contenido de FAME. Esto significa que se puede añadir un porcentaje de biodiésel a las muestras existentes. De esta forma se puede ver si influye en los diesel y sus propiedades.
Durante este proyecto, los motores diésel se probaron con la norma NEN-EN590. Se trata de un requisito de calidad muy estricto. Es posible adaptar el gasóleo a otros mercados en los que los requisitos son menos estrictos. Un ejemplo es el uso del gasóleo como combustible en el sector marino.

El gasóleo de automoción presenta una serie de parámetros preocupantes para su utilización en el futuro. Especialmente el bajo punto de inflamación y el alto contenido de azufre son parámetros importantes para la calidad de los gasóleos. El proceso posterior a la pirólisis podría adaptarse, con la función de eliminar las fracciones ligeras del gasóleo. Esto mejoraría el punto de inflamación. Esto también podría afectar al contenido de azufre. Podría investigarse más sobre este tema.
Los diésel de plástico, filtrados y sin filtrar, contienen trazas de azufre. No está claro de dónde viene esto. Todavía podría haber contaminación en el sistema antes de la pirólisis, como resultado de la cual hay azufre en el gasóleo procedente del plástico. Esto podría investigarse para descartar que no salga azufre del plástico. Investigar el origen del azufre es un buen paso hacia unos diésel utilizables.

Bibliografía

ASTM. (2016, dic 01). ASTM D7111; Standard Test Method for Determination of Trace Elements in Middle Distillate Fuels by Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES). Obtenido de ASTM: https://www.astm.org/Standards/D7111.htm

ASTM. (2021, 28 de enero). ASTM D6304; Standard Test Method for Determination of Water in Petroleum Products, Lubricating Oils, and Additives by Coulometric Karl Fischer Titration. Obtenido de ASTM: https://www.astm.org/search/fullsite-search.html?query=D6304&

ISO. (1996, 01 de junio). ISO 12185; Crude petroleum and petroleum products – Determination of density – Oscillating U-tube method. Obtenido de ISO:iso.org/standard/21124.html

ISO. (2000, Nov 01). ISO 12927; Petroleum products – Determination of water – Coulometric Karl Fischer titration method. Obtenido de ISO: https://www.iso.org/standard/2730.html

ISO. (2001, 01 de octubre). ISO 6245; Petroleum products – Determination of ash. Obtenido de ISO: https://www.iso.org/standard/31156.html

ISO. (2003, 01 de julio). ISO 8754; Petroleum products – Determination of sulfur content – Energy-dispersive X-ray fluorescence spectrometry. Obtenido de ISO: https://www.iso.org/standard/30062.html

ISO. (2016, 01 de junio). ISO 2719; Determination of flash point – Pensky-Martens closed cup method. Obtenido de ISO: https://www.iso.org/standard/62263.html

ISO. (2018, 01 de agosto). ISO 20884; Petroleum products – Determination of sulfur content of automotive fuels – Wavelength-dispersive X-ray fluorescence spectrometry. Obtenido de ISO: https://www.iso.org/standard/74314.html

ISO. (2019, 01 de agosto). ISO 20846; Petroleum products – Determination of sulfur content of automotive fuels – Ultraviolet fluorescence method. Obtenido de ISO: https://www.iso.org/standard/74313.html

ISO. (2020, Sep 01). ISO 3104; Petroleum products – Transparent and opaque liquids – Determination of kinematic viscosity and calculation of dynamic viscosity. Obtenido de ISO: https://www.iso.org/standard/67965.html

NEN. (2017, nov 01). NEN-EN590; Combustibles para vehículos de carretera – Diesel – Requisitos y métodos de ensayo. Extraído de NEN: https://www.nen.nl/nen-en-590-2013-a1-2017-en-234751

NEN-EN. (2014, 01 de mayo). NEN-EN 14078; Productos petrolíferos líquidos – Determinación del contenido de ácidos grasos ésteres metílicos (FAME) en el destilado medio – Método de espectrometría infrarroja. Obtenido de NEN-EN: https://www.nen.nl/nen-en-14078-2014-en-195412

NEN-EN. (2014, nov 01). NEN-EN 16576; Combustibles para vehículos de carretera – Determinación del contenido de manganeso y hierro en el gasóleo – Método por espectrometría de emisión óptica con plasma acoplado inductivamente (ICP OES). Obtenido de NEN-EN: https://www.nen.nl/nen-en-16576-2014-en-201413

Anexo 1

Anexo 1: Certificados Bureau Veritas

Certificado Tinq diesel

Certificado Shell diesel

Certificado Shell V-Power

Certificado Pirólisis sin filtrar de gasóleo de motor

Certificado Gasóleo pirolizado sin filtrar de plástico mezclado

Certificado Pirólisis filtrada de mezclas de plástico

Anexo 2