Determinação da qualidade dos motores diesel a partir de óleos de motor usados e de plásticos usados

Relatório de investigação

Prefácio

Gostaríamos de agradecer às seguintes pessoas por este projeto:

Pyrolyze, Peter e Raymundo, obrigado por nos deixarem realizar este projeto convosco. A colaboração foi muito agradável e é muito bom contribuir para o vosso compromisso com um planeta mais limpo

Martijn, obrigado por orientar o projeto. Em particular, preparando-nos para a nossa tarefa de graduação e ajudando-nos a prepararmo-nos para a próxima etapa do currículo escolar.

Gostaríamos também de agradecer a ambas as empresas, Bureau Veritas e VPS, por terem aberto os seus laboratórios e contribuído para o projeto.

Resumo

O objetivo deste projeto era realizar análises quantitativas e físicas em diferentes motores diesel Pyrolyze. Este gasóleo é produzido a partir de resíduos de óleo de motor e de plásticos. Estas formas de resíduos são tratadas com um processo de pirólise desenvolvido pela Pyrolyze. As amostras Pyrolyze são:

Gasóleo de pirolise não filtrado de óleo de motor
Gasóleo de pirolise não filtrado de resíduos de plásticos (PS/PP/PE 1:1:1)
Gasóleo de pirolise filtrado de resíduos de plástico (PS/PP/PE 1:1:1)

Além disso, foram utilizados como referência os seguintes motores diesel:

Gasóleo Tinq
Gasóleo da Shell
Gasóleo Shell v-power

Os protocolos de análise utilizados provêm da norma NEN-EN 590. A NEN-EN590 é um método que descreve as propriedades quantitativas e físicas que todos os combustíveis diesel para o sector automóvel devem cumprir na União Europeia. As amostras foram medidas em dois laboratórios, o Bureau Veritas e o VPS.

Os resultados mostram que as amostras Pyrolyze não cumprem a norma EN590. As densidades das amostras analisadas são demasiado baixas e o teor de enxofre é demasiado elevado. O ponto de inflamação do gasóleo do óleo de motor era muito baixo, tornando-o não analisável. Os outros parâmetros, teor de água, viscosidade, teor de cinzas, teor de manganês, FAME e ponto de inflamação do gasóleo plástico, estão dentro das especificações da norma NEN-EN590.

Os resultados dos dois laboratórios são concordantes.

Abreviaturas utilizadas

O quadro 1 apresenta as abreviaturas que aparecem no relatório do estudo.

Quadro 1 Abreviaturas com lista de significados

Índice

1.0 Introdução.
1.1 Objetivo
1.1.1 Questão principal.
1.1.2 Subquestões.
1.2 Investigação.
2.0 Material e método.
2.1 Amostras e produtos químicos.
2.1.1 Amostras.
2.1.2 Produtos químicos.
2.2 Equipamento.
2.3 Método.
3.0 Resultados.
4.0 Discussão e conclusão.
Recomendações.
Bibliografia.
Apêndice.

1.0 Introdução

Durante este projeto, foi realizada uma investigação sobre a qualidade de vários motores diesel produzidos pela Pyrolyze. A Pyrolyze quer oferecer uma solução para um dos maiores problemas do século XXI, os resíduos. Com a inovadora tecnologia de pirólise, os resíduos são convertidos em matérias-primas utilizáveis. Os resíduos de plástico, o óleo de motor usado e os pneus velhos são convertidos em 3 fracções através da pirólise:

Fração de gás
Fração de nafta
Fração de gasóleo

A fração de gás é utilizada como combustível para o processo de pirólise. A fração de gasóleo do sistema de pirólise é filtrada. O gasóleo filtrado e a fração de nafta podem ser vendidos comercialmente como matéria-prima e/ou combustível. No reator fica um resíduo, designado por negro de fumo.

A Pyrolyze está interessada na qualidade dos seus 2 produtos comercialmente úteis, a fração de gasóleo e a fração de nafta. A comparação com produtos comparáveis de fornecedores existentes também é de interesse. Para este estudo, a qualidade da fração de gasóleo foi comparada com a do gasóleo de diferentes fontes comerciais.

A tarefa consistia então em analisar estes combustíveis pirolíticos utilizando a norma NEN-EN590 (NEN, 2017). A NEN-EN590 é uma norma que descreve as propriedades físicas e quantitativas que todo o gasóleo para automóveis deve cumprir na União Europeia. O gasóleo Pyrolyze é comparado com o gasóleo normal B7 e V-Power.

As análises foram efectuadas pelo empregador de ambos os estudantes, Annemiek no Bureau Veritas e Remco na Veritas Petroleum Services (VPS). Aqui estão os conhecimentos e o equipamento para analisar vários parâmetros internamente.

1.1 Objetivo

O objetivo do projeto é determinar a qualidade do gasóleo Pyrolyze.

Foi formulada uma pergunta principal com uma série de sub-perguntas.

1.1.1 Questão principal

A qualidade do gasóleo Pyrolyze é comparável à do gasóleo dos fornecedores de gasóleo existentes no mercado?

1.1.2 Subquestões

Que parâmetros são importantes para determinar a qualidade do gasóleo?
Que parâmetros são importantes para o gasóleo que deve cumprir os requisitos ambientais?
Como é que o Pyrolyze diesel se compara com os diesel disponíveis no mercado?
O gasóleo Pyrolyze cumpre os requisitos ambientais?
A pirólise de resíduos deve ser melhorada?
Quais são as diferenças nos resultados de ambos os laboratórios?

1.2 Investigação

A Pyrolyze forneceu 3 tipos de amostras:

Gasóleo não filtrado de óleo de motor
Gasóleo não filtrado de resíduos de plástico (PS/PP/PE 1:1:1)
Gasóleo filtrado de resíduos de plástico (PS/PP/PE 1:1:1)

Os resíduos de plástico são uma mistura de diferentes plásticos seleccionados pela Pyrolyze. O poliestireno (PS), o polipropileno (PP) e o polietileno (PE) foram misturados na proporção de 1 para 1 para 1 e processados com o sistema Pyrolysis nas fracções.

O volume fornecido por tipo de gasóleo é de aproximadamente 500 ml. Devido ao pequeno volume, não foi possível efetuar todas as análises da norma NEN-EN590. O quadro 2 apresenta uma visão geral das análises efectuadas de acordo com a norma NEN-EN590. Foi elaborado um resumo das análises efectuadas para cada laboratório. O método utilizado para cada parâmetro e a técnica com que a análise é efectuada são apresentados para ambos os lobatórios. Nas últimas colunas do quadro, as semelhanças (verde) e as diferenças (vermelho) de método entre os laboratórios são indicadas a cores. Laranja significa que 1 dos laboratórios não pode efetuar esta análise.

Tabela 2. Visão geral das análises com técnicas associadas de ambos os laboratórios

Os produtos do Pyrolyze e o material de referência foram analisados em ambos os laboratórios para os parâmetros da tabela 3. Este quadro apresenta as especificações que o gasóleo deve cumprir por parâmetro, de acordo com a norma NEN-EN590 (NEN, 2017). É igualmente apresentada a gama de medição por parâmetro de ambos os laboratórios. A cor verde indica se o intervalo de análise se encontra dentro das especificações. A cor laranja indica que a análise não pode ser efectuada nesse laboratório.

Quadro 3.

Especificações gerais de acordo com a norma NEN-EN590 e gama de medição Bureau Veritas e VPS.

2.0 Material e método

2.1 Amostras e produtos químicos

2.1.1 Amostras

As seguintes amostras foram examinadas durante este projeto:

Amostras de pirólise

Não filtrado Pirolisar gasóleo de óleo de motor
Gasóleo de pirólise não filtrado de resíduos plásticos (PS/PP/PE 1:1:1)
Gasóleo de pirólise filtrado de resíduos de plástico (PS/PP/PE 1:1:1)

Material de referência

Gasóleo Tinq
Gasóleo da Shell
Shell v-power diesel

Os motores diesel Pyrolyze foram entregues pessoalmente por Peter Klaren durante uma breve visita ao laboratório do Bureau Veritas.

Os motores diesel de referência foram obtidos numa estação de serviço.

2.1.2 Produtos químicos

Foram utilizados os seguintes produtos químicos na análise das amostras:

Premisolf
Óleo de parafina
Xileno

2.2 Equipamento

A Tabela 4 mostra as análises realizadas com equipamento utilizado em ambos os laboratórios durante o projeto.

Quadro 4. Equipamento utilizado durante o projeto

2.3 Método

Este capítulo descreve os diferentes métodos de análise dos parâmetros analisados. A tabela 5 mostra os parâmetros analisados com os métodos ISO/ASTM utilizados em ambos os laboratórios.

Quadro 5 Métodos de síntese de ambos os laboratórios

3.0 Resultados

Os resultados desta investigação são apresentados nas figuras seguintes. Nestas figuras, os resultados dos dois laboratórios são apresentados em caixas. Uma caixa com um traço a tracejado corresponde aos resultados da VPS e as caixas com um traço contínuo correspondem aos resultados do Bureau Veritas. As figuras mostram as especificações de acordo com a norma NEN_EN590 através de uma linha vermelha. Quando um resultado está dentro das especificações, a caixa é verde, quando um resultado está fora das especificações, a caixa é vermelha.

Os textos das figuras estão em inglês porque o cliente assim o quis, de modo a poderem ser publicados diretamente no seu sítio Internet sem mais explicações.

A figura 1 mostra os resultados do teor de água. De acordo com as especificações NEN-EN590, a amostra pode conter um máximo de 200 mg/kg, o que é indicado por uma linha vermelha na figura. As amostras e referências da Pyrolyze estão dentro das especificações de acordo com a norma NEN-EN590.

Figura 1. Resultados do teor de água

A figura 2 mostra os resultados da viscosidade medida a 40°C. De acordo com as especificações NEN-EN590, a viscosidade deve situar-se entre 2 e 4,45 mm2/s. A figura mostra que todas as amostras Pyrolyze e as amostras de referência estão dentro da especificação.

Figura 2. Resultados de viscosidade a 40°C

A figura 3 mostra os resultados do teor de cinzas. De acordo com a especificação NEN-EN590, a amostra pode conter um máximo de 0,01% de cinzas m/m após a incineração. A figura mostra que as amostras de pirólise e as amostras de referência estão dentro da especificação.

Figura 3. Resultados do teor de cinzas

A figura 4 mostra o teor de manganês. De acordo com a especificação NEN-EN590, a amostra pode conter um máximo de 2 mg/L de manganês. O manganês só foi analisado no laboratório Bureau Veritas. Os resultados mostram que o gasóleo de óleo de motor usado contém uma pequena quantidade de manganês. Os outros motores diesel Pyrolyze e os motores diesel de referência não contêm manganês. Todas as amostras estão dentro das especificações.

Figura 4. Resultados do teor de manganês

A figura 5 mostra os resultados do teor de ésteres metílicos de ácidos gordos. De acordo com a especificação NEN-EN590, a amostra pode conter um máximo de 7% v/v. A figura mostra que existe uma diferença entre os motores diesel Pyrolyze e os motores diesel de referência. Os motores diesel Pyrolyze não contêm FAME e os motores diesel de referência contêm FAME. Verifica-se também que os resultados estão dentro das especificações da norma NEN-EN590.

Figura 5. Resultados do éster metílico de ácidos gordos

A figura 6 mostra os resultados dos pontos de inflamação. De acordo com a especificação NEN-EN590, o ponto de inflamação deve ser de, pelo menos, 55°C. A figura mostra que todos os gasóleos de referência e o gasóleo Pyrolyze feito de plástico estão dentro das especificações. O Bureau Veritas não conseguiu determinar um ponto de inflamação para todos os combustíveis Pyrolyze.

O ponto de inflamação do gasóleo Pyrolyze a partir de óleo de motor é apresentado na figura com 0°C como resultado. Isto deve-se ao facto de o resultado ser inferior a 40 (ISO2719).

Figura 6. Resultados do ponto de inflamação

A figura 7 mostra os resultados da densidade. De acordo com as especificações NEN-EN590

As figuras 8 e 9 mostram os resultados do teor de enxofre. A figura 8 mostra o teor de enxofre analisado com o WDXRF. As especificações NEN-EN590 indicam que o teor de enxofre não deve exceder 10 mg/kg. A figura mostra que os gasóleos Pyrolyze e o gasóleo de referência não cumprem as especificações. O gasóleo de pirolise do óleo de motor tem um elevado teor de enxofre em comparação com o gasóleo de plástico.

Além do método WDXRF, as amostras foram analisadas para enxofre num Coulómetro do Bureau Veritas. Os resultados desta ação podem ser vistos na figura 9. Por isso, não são apresentados aqui os resultados do VPS. A mesma tendência pode ser observada na figura 9 e na figura 8. O gasóleo de pirólise a partir de óleo de motor tem um elevado teor de enxofre em comparação com o gasóleo de plástico. Este gasóleo Shell v-power é o único gasóleo que se enquadra nas especificações analisadas com a técnica do coulómetro.

Figura 8. Resultados teor de enxofre determinado por VPS (método XRF)

Figura 9. Resultados do teor de enxofre determinados pelo Bureau veritas (método do coulómetro)

Os dados brutos em que se baseiam estes valores são apresentados no Apêndice 2. Os certificados do Bureau Veritas são igualmente incluídos no apêndice 1.

4.0 Discussão e conclusão

A qualidade do gasóleo Pyrolyze não satisfaz os requisitos de um certo número de parâmetros. Alguns parâmetros não se enquadram nas especificações da norma NEN-EN590. O gasóleo Pyrolyze também difere, numa série de parâmetros, dos gasóleos padrão analisados como referência.

O gasóleo Pyrolyze não cumpre as especificações NEN-EN590 para os seguintes parâmetros:

Enxofre
Densidade
Ponto de inflamação, apenas para óleo de motor

Os outros parâmetros analisados estão dentro das especificações.

O gasóleo Pyrolyze difere dos gasóleos normais nos seguintes parâmetros:

FAME
Densidade
ponto de inflamação

Os resultados de densidade para o gasóleo Pyrolyze não se enquadram nas especificações da norma NEN-EN590. Os resultados são inferiores ao limite inferior. A densidade dos motores diesel Pyrolyze é comparável. Os motores diesel de referência estão de facto dentro das especificações.

O teor de FAME nos gasóleos Pyrolyze é diferente do teor de FAME dos gasóleos de referência. O teor de FAME é um valor que indica a quantidade de biodiesel existente na amostra que é misturada. Os motores diesel Pyrolyze são fabricados exclusivamente a partir de plástico ou óleo de motor e, por conseguinte, não contêm FAME. A falta de biodiesel no gasóleo de pirólise também pode causar a diferença de densidade.

Os resultados relativos ao teor de enxofre dos motores diesel Pyrolyze estão muito acima do limite superior das especificações da norma NEN-EN590. O gasóleo proveniente do óleo de motor, em particular, tem um elevado teor de enxofre. O aumento do teor de enxofre deve-se ao facto de o óleo do motor conter compostos de enxofre. Estes são parcialmente responsáveis pela lubricidade do óleo. Os motores diesel de plástico também não cumprem as especificações estabelecidas. Isto não faz sentido, porque o plástico não conteria enxofre. É possível que o sistema tenha sido contaminado antes de o lote de plástico ter sido pirolisado. As amostras de referência do VPS também não cumprem as especificações da norma NEN-EN590. As concentrações são muito baixas, o que significa que o equipamento e a calibração utilizados podem não ser suficientes. Os motores diesel de referência analisados pelo Bureau Veritas cumprem efetivamente as especificações.

O ponto de inflamação dos combustíveis plásticos Pyrolyze é superior ao dos combustíveis de referência. Isto pode dever-se à composição do gasóleo. Este facto pode ser verificado comparando a investigação anterior da Pyrolyze e da Universidade de Ciências Aplicadas com os resultados desta investigação.

O ponto de inflamação do gasóleo Pyrolyze a partir de óleo de motor é demasiado baixo para ser determinado com as técnicas disponíveis. Isto significa que a amostra contém componentes altamente voláteis, razão pela qual o ponto de inflamação é tão baixo.

Recomendações

A Pyrolyze deu um bom primeiro passo no processo que está a ser desenvolvido. Podemos recomendar o seguinte para otimizar o processo:

Analisar os outros parâmetros indicados na norma NEN-EN590. Esta informação dá uma imagem mais completa dos motores diesel e das suas características. Especialmente o índice de cetano, o resíduo de microcarbono em 10% de resíduo dist (MCR 10%) e a destilação são parâmetros que dizem muito sobre o gasóleo.
Numa investigação posterior, poder-se-ia decidir aumentar o teor de FAME. Isto significa que pode ser adicionada uma percentagem de biodiesel às amostras existentes. Desta forma, pode verificar-se se tem influência sobre os dieseis e as suas propriedades.
Durante este projeto, os motores diesel foram testados em relação à norma NEN-EN590. Trata-se de um requisito de qualidade muito rigoroso. É possível adaptar o gasóleo a outros mercados onde as exigências são menos rigorosas. Um exemplo é a utilização de gasóleo como combustível no sector marítimo.

O gasóleo proveniente do óleo de motor apresenta uma série de parâmetros que são preocupantes para a sua utilização no futuro. Especialmente o baixo ponto de inflamação e o alto teor de enxofre são parâmetros importantes para a qualidade dos motores diesel. O processo após a pirólise poderia ser adaptado, com a função de remover as fracções leves do gasóleo. Isto melhoraria o ponto de inflamação. Isto também pode afetar o teor de enxofre. Poderiam ser efectuados mais estudos sobre este assunto.
Os motores diesel de plástico, não filtrados e filtrados, contêm vestígios de enxofre. Não se sabe ao certo de onde é que isto vem. Pode ainda haver contaminação no sistema antes da pirólise, o que resulta na presença de enxofre no gasóleo de plástico. Este facto pode ser investigado a fim de excluir a possibilidade de o enxofre não sair do plástico. Investigar a origem do enxofre é um bom passo em direção a combustíveis utilizáveis.

Bibliografia

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