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SISTEMI DI ABATTIMENTO > NOx

NOX
Progettazione di motori a basse emissioni di NOx
Allo stato attuale, la progettazione dei motori rappresenta il principale approccio considerato, ad esempio, dall'Annesso VI di MARPOL per ridurre le emissioni di NOx nell'atmosfera.
Gli standard sono normalmente ottenuti mediante:
-      accurata progettazione della combustione a partire dalla forma della camera di combustione e delle camere ausiliarie;
-      accurata progettazione dei flussi gassosi nel cilindro per assicurare una miscelazione appropriata;
-      appropriata progettazione dei tempi di apertura e chiusura delle valvole;
-      appropriata temporizzazione dell'iniezione di carburante.
L'ottimizzazione dei motori è complessa: generalmente l'approccio che si segue è quello di ottenere delle miscele tali da impedire alti picchi delle temperature di combustione al fronte di fiamma, che è laddove l'NOx si forma più facilmente.
D'altro canto, la normativa pone dei vincoli ai cambiamenti e modifiche che possono essere effettuate sul motore, come, ad esempio, i tempi di iniezione o quelli di azione delle valvole.
La certificazione è data utilizzando combustibili distillati in cicli definiti e controllati.

Riduzione catalitica selettiva (SCR)
Il principio su cui si basa la SCR è quello secondo il quale i gas di scarico, mescolati con un reagente (preferibilmente ammoniaca) e passando attraverso un catalizzatore, subiscono una scomposizione dell'NOx contenuto in essi in N2, acqua e O2.
Questa tecnologia è stata già utilizzata su un certo numero di navi riuscendo ad ottenere la riduzione delle emissioni di NOx, principalmente per i motori ausiliari. L'SCR può essere integrata ad altri sistemi di abbattimento delle emissioni inquinanti, come, ad esempio, a impianti di scrubbing per la rimozione degli SOx.
Ci sono però delle criticità che rendono la tecnologia dell'SCR di difficile installazione e scarsa affidabilità:
-      l'ammoniaca è un materiale difficile da maneggiare per cui è più comune l'utilizzo dell'urea che, una volta iniettata nel flusso caldo dei gas di scarico, si converte in gran parte in ammoniaca;
-      l'efficienza della conversione dipende dal buon controllo dell'iniezione dell'urea. Un'iniezione troppo bassa o troppo alta nei flussi di scarico riduce l'efficienza e l'efficacia.
-      il catalizzatore, spesso rivestito di uno strato ceramico, provoca cadute di pressione con conseguenti impatti sulle prestazioni del motore. Maggiore è la riduzione richiesta, maggiori risultano essere le cadute di pressione;
-      i catalizzatori vengono danneggiati dai sali di solfato per cui si deteriorano tanto più rapidamente quanto maggiori sono le concentrazioni di solfati. Questo problema può essere affrontato in due modi: non avendo composti di zolfo nei gas esausti oppure operando a temperature sufficientemente alte per prevenire la formazione di sali di solfato;
-      il catalizzatore ha una durata ridotta per cui è necessaria la sua sostituzione dopo alcuni anni;
-      la fuga di ammoniaca a valle del processo di SCR è pericolosa, per cui sono necessari dei rigorosi controlli;
-      deve essere reso disponibile un sistema di fornitura dell'urea da utilizzare nel processo.
Oltre alla tecnologia SCR, esiste anche una variante che non fa uso di catalizzatori: la SNCR (Selective Non Catalytic Reduction). Le differenze tra le due modalità sono mostrate nella tabella seguente:

Irraggiamento con fascio di elettroni
Un altro processo di trasformazione chimica che non utilizza catalizzatore è la riduzione mediante irraggiamento con fascio di elettroni; l'ammoniaca viene attivata dal flusso di elettroni e reagisce con NOx e SOx formando solfato d'ammonio e nitrato d'ammonio in polvere, che separato con filtri a maniche o elettrostatici, è utilizzabile in agricoltura come fertilizzante.
Non risultano applicazioni, anche di tipo sperimentale, in campo navale.

Emulsione del combustibile
L'aggiunta di appropriati additivi ai combustibili può modificare i processi di combustione allo scopo di ridurre la formazione di NOx.
Se come additivo si considera l'acqua, essa viene incorporata e distribuita insieme al combustibile sotto forma di piccole goccioline che esplodono quando il combustibile si riscalda durante l'iniezione nel cilindro, assicurando così una ottimale miscelazione di aria e combustibile e una combustione più controllata.
I combustibili così ottenuti sono noti come "emulsion fuel": in essi la percentuale di acqua è di circa il 20% del volume di combustibile.
La miscelazione dell'acqua con il combustibile può servire anche a sciogliere altri additivi rendendo possibili ulteriori modifiche dei processi di combustione.

Humid Air Motors (HAM)
L'impatto benigno dell'acqua sui processi di combustione accresce la possibilità di mandare acqua ai cilindri sotto forma di aria umida di combustione: è questo il concetto su cui si basano gli HAM. Essi lavorano mandando vapore acqueo nel flusso di aspirazione ottenendo, di conseguenza, un'efficace riduzione degli NOx.
Il sistema (secondo una stima del 1999) è in grado di fornire un'efficienza di riduzione del 70-80% ad un costo pressoché pari a quello dell'SCR.
I problemi che si presentano sono i seguenti:
-      è necessario far evaporare grossi volumi di acqua, comparabili con quelli di combustibile, per creare abbastanza aria umida per l'ottenimento delle riduzioni desiderate. Ciò richiede un elevato apporto di calore che viene fornito da uno scambio di calore con l'aria compressa calda, a valle del motore turbocompressore. Questo comporta il fatto che sotto carichi bassi il calore può non essere sufficiente e in tal caso il sistema HAM non viene utilizzato;
-      sotto carichi variabili (quando è più difficile ottenere una combustione ottimale) è difficile controllare adeguatamente l'umidità.