Study of the oxidation and pyrolysis of different oxygenated compounds proposed as alternative fuels

Resumen

La legislación relativa a las emisiones de NOX y hollín provenientes de los motores diésel es cada vez más restrictiva. Una posibilidad para reducir dichas emisiones es la parcial o total substitución del combustible diésel. En este campo, estudios en motores diésel revelan el uso de compuestos oxigenados como una buena alternativa. Sin embargo, los varios procesos que ocurren simultáneamente en un motor dificultan una comprensión profunda de los mecanismos responsables de dichas reducciones. Así, con el objeto de explorar la aplicación de los compuestos oxigenados como biocombustibles o aditivos, es necesario estudiar los procesos de oxidación y pirólisis de dichos compuestos bajo condiciones bien controladas de laboratorio, acompañado por estudios cinéticos que ayuden a interpretar y a entender los mecanismos de reacción que ocurren durante dichos procesos. Esta Tesis Doctoral se presenta como compendio de publicaciones, las cuales se adjuntan al final de esta memoria. Su objetivo ha sido el de contribuir con el conocimiento del proceso de oxidación y pirólisis de algunos de los compuestos oxigenados propuestos en la literatura como combustibles alternativos, específicamente: 2,5-dimetilfurano (2,5-DMF), 2-metilfurano (2-MF), carbonato de dimetilo (DMC) y dimetoximetano (DMM). La investigación incluye: 1) experimentos de oxidación en reactores tubulares de flujo en un amplio rango de temperatura y estequiometría, específicamente, oxidación a presión atmosférica de 2,5-DMF y 2-MF, en ausencia y en presencia de NO (contaminante que se forma en la cámara de combustión), y la oxidación a altas presiones de 2,5-DMF y DMC; 2) mediciones de los tiempos de retardo de ignición de DMC con diferentes estequiometrías, temperaturas y presiones; 3) pirólisis (formación de hollín) de 2,5-DMF, 2-MF, DMC y DMM en un reactor tubular de flujo, en un amplio intervalo de temperatura, con diferentes concentraciones de combustible; y 4) caracterización del hollín mediante experimentos de reactividad con O2 y NO, y por técnicas instrumentales. Los resultados experimentales obtenidos en los reactores de flujo, de onda de choque y máquina de compresión rápida permitieron conocer el régimen de combustión de los distintos compuestos oxigenados estudiados y validar, en un amplio intervalo de condiciones de operación, los modelos cinéticos químicos detallados desarrollados para describir la fase gas, tanto de la oxidación como de la pirólisis. 2,5-DMF y 2-MF tuvieron una mayor capacidad para formar hollín que el DMC y DMM debido a sus estructuras cíclicas. Sin embargo, los experimentos de reactividad mostraron que las muestras de hollín obtenidas en la pirólisis de 2,5-DMF y 2-MF son más reactivas, especialmente con NO. La caracterización instrumental reveló que todas las muestras de hollín analizadas contenían carbón cristalino de estructura turboestrática con algo de carbón amorfo altamente desordenado. En general, las muestras con baja relación C/H, alta área superficial, cristalitas pequeñas, bajo grado de organización y alta naturaleza amorfa fueron más reactivas.