NOx and O3 above a tropical rainforest: an analysis with a global and box model

A cross-platform field campaign, OP3, was conducted in the state of Sabah in Malaysian Borneo between April and July of 2008. Among the suite of observations recorded, the campaign included measurements of NOx and O3 – crucial outputs of any model chemistry mechanism. We describe the measurements of these species made from both the ground site and aircraft. We then use the output from two resolutions of the chemistry transport model p-TOMCAT to illustrate the ability of a global model chemical mechanism to capture the chemistry at the rainforest site. The basic model performance is good for NOx and poor for ozone. A box model containing the same chemical mechanism is used to explore the results of the global model in more depth and make comparisons between the two. Without some parameterization of the nighttime boundary layer – free troposphere mixing (i.e. the use of a dilution parameter), the box model does not reproduce the observations, pointing to the importance of adequately representing physical processes for comparisons with surface measurements. We conclude with a discussion of box model budget calculations of chemical reaction fluxes, deposition and mixing, and compare these results to output from p-TOMCAT. These show the same chemical mechanism behaves similarly in both models, but that emissions and advection play particularly strong roles in influencing the comparison to surface measurements.

Design and development of a low NOx Coanda ejector burner

Small gaseous combustion systems are being targeted by strict pollution legislation which will provide challenges to reduce the NOx being emitted. A novel type of gas burner has been successfully designed and developed which incorporates a Coanda ejector to promote recirculation of flue gas from the burner exit. This provides a combustion system which gives very low emissions of NOx and CO, whilst maintaining a high degree of flame stability over a range of air/fuel ratios and fuel flow rates. Recirculation of flue gas was obtained by manipulating the aerodynamics of the system, without the aid of external duct work or moving parts. The design of the burner allowed very low pollutant emissions near stoichiometric conditions, resulting in high temperatures of the exit gas. Potential applications of this type of burner are in small and intermediate furnaces where low NOx emissions are required. Moreover, very high-temperature applications, such as glass furnaces could benefit in both cost and pollutant emissions from such a burner.

Latitudinal variation of the effect of aviation NOx emissions on atmospheric ozone and methane and related climate metrics

We evaluate the response to regional and latitudinal changes in aircraft NOx emissions using several climate metrics (radiative forcing (RF), Global Warming Potential (GWP), Global Temperature change Potential (GTP)). Global chemistry transport model integrations were performed with sustained perturbations in regional aircraft and aircraft-like NOx emissions. The RF due to the resulting ozone and methane changes is then calculated. We investigate the impact of emission changes for specific geographical regions (approximating to USA, Europe, India and China) and cruise altitude emission changes in discrete latitude bands covering both hemispheres. We find that lower latitude emission changes (per Tg N) cause ozone and methane RFs that are about a factor of 6 larger than those from higher latitude emission changes. The net RF is positive for all experiments. The meridional extent of the RF is larger for low latitude emissions. GWPs for all emission changes are positive, with tropical emissions having the largest values; the sign of the GTP depends on the choice of time horizon.

Potencialidade do uso de solução alcalina do íon ferrato (VI) na oxidação de óxidos de nitrogênio (NOx) presentes em emissões gasosas

O ferrato(VI) de potássio, composto fortemente oxidante, foi testado em uma coluna de absorção de gases a fim de remover o NO presente em gases oriundos de fontes fixas de queima de combustíveis fósseis. O poder oxidativo do ferrato(VI) e seu comportamento através da cinética de decaimento do NO foram avaliados com o propósito de melhor entender a reação de oxidação. O sistema lavador de gases foi constituído por três subsistemas: o primeiro, um cilindro contendo uma mistura de NO/N2 com concentrações de NO de 50 e 98 ppm; o segundo, os lavadores de gases, constituído por dois reatores/lavadores com capacidade de 1.000 mL que foram completados com 600 mL de solução lavadora e com 400 mL de anéis de Rasching de vidro e um terceiro, reator/lavador que continha 400 mL da mesma solução dos demais, sem os anéis; o terceiro subsistema, constituído por equipamentos analisadores de NO e NO2. Os equipamentos de medição foram os da marca Oldham, modelo TX 2000, para NO, com escala de medida de 0-100 ppm NO e TX 2000, para NO2, com escala de medida de 0-30 ppm NO2. O ferrato(VI) de potássio foi obtido via úmida e analisado por volumetria de oxidaçãoredução. Os testes de oxidação foram realizados à temperatura de 25oC ± 0,5oC e pressão de uma atmosfera. Inicialmente, testou-se técnicas padrões de remoção de NO de gases a frio. Hidróxido de sódio e hidróxido de potássio tem sido empregados comercialmente na remoção de NOx. As soluções de hidróxido de potássio e de sódio apresentaram a mesma remoção de NO quando a concentração inicial do NO no gás foi de 50 ppm. A maior eficiência de remoção de NO deu-se para a razão molar de 5 OH  / 1 NO em cinco minutos de tempo de detenção, utilizando solução de ferrato(VI): 86% para a concentração inicial de 50 ppm e 85% para a concentração inicial de 98 ppm. Os resultados experimentais mostram que a solução de ferrato(VI) de potássio apresentou eficiência de remoção 25% superior à das outras soluções testadas. Apesar das reações de oxidação do NO serem bastante complexas, em função dos resultados analíticos realizados em termos de nitritos e nitratos, pode -se concluir que o NO é oxidado a NO2 e este passa a NO2 - e NO3 2- em solução, confirmando o mecanismo proposto por diversos autores. A abordagem cinética mostrou que a reação de oxidação pelo íon ferrato(VI) é de primeira ordem em relação ao NO e a constante média de velocidade de reação resultante dos dados experimentais foi de 9,80 x 10-4 s-1. A viabilidade técnica do uso do ferrato(VI) de potássio como oxidante do NOx em torres absorvedoras de gases foi comprovada, pois o composto mostrou-se um eficiente oxidante para o NO nas condições testadas.

Experimental measurements of the NOx and CO concentrations operating in oscillatory and non-oscillatory burning conditions

The effects of combustion driven acoustic oscillations in carbon monoxide and nitrogen oxides emission rates of a combustor operated with liquefied petroleum gas (LPG) were investigated. Because the fuel does not contain nitrogen, tests were also conducted with ammonia injected in the fuel, in order to study the formation of fuel NOx. The main conclusions were: (a) the pulsating combustion process is more efficient than the non-pulsating one and (b) the pulsating combustion process generates higher rates of NOx, with and without ammonia injection, as shown by CO and NO concentrations as function of the O-2 concentration. An increase in the LPG flow rate, keeping constant the air to fuel ratio, increased the acoustic pressure amplitude and the frequency of oscillation. The injection of ammonia had no influence on either pressure amplitude or frequency. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Increase on incineration capacity and NOx control for air enrichment in the experimental simulation of aqueous residue incineration

An experimental investigation of air enrichment in a combustion chamber designed to incinerate aqueous residues is presented. Diesel fuel and liquefied petroleum gas (LPG) were used independently as fuels. An increase of 85% in the incineration capacity was obtained with nearly 50% O-2 in the oxidant gas, in comparison to incineration with air only. The incineration capacity continues increasing for enrichment levels above 50% O-2 , although at a lower pace. For complete oxy-flame combustion (100% O-2 ), the increase of the incineration capacity was about 110% relative to the starting conditions and about 13.5% relative to the condition with 50% O-2 . The CO concentration measured near the flame front decreases drastically with the increase of O-2 content in the oxidant gas. At the chamber exit, the CO concentration was always near zero, indicating that the chamber residence time was sufficient to complete fuel oxidation in any test setting. For diesel fuel, the NOx was entirely formed in the first region of the combustion chamber. For diesel fuel, there was some increase in the NOx concentration up to 35% of O-2 ; this increase became very sharp after that. From 60 ppm, at operation with air only, the NOx concentration raises to 200 ppm at 35% O-2 , and then to 2900 ppm at 74% O-2 . The latter corresponds to six times more NOx in terms of the ratio of mass of NO to mass of residue, compared to the situation of combustion with air only. For LPG, the NOx concentrations reached 4200 ppm at 80% O-2 , corresponding to nine times more, also in terms of the ratio of mass of NO to mass of residue, in comparison with combustion with air only. Results of different techniques used to control the NOx emission during air enrichment are discussed: (a) variation of the recirculated zone intensity, (b) increase of the spray Sauter mean diameter, (c) fuel staging, (d) oxidizer staging, and (e) ammonia injection. The present paper shows that NOx emission may be controlled without damage of the increase of incineration capacity by the enrichment and with low emission of partial oxidation pollutants such as CO.

NOx and CO emissions and soot presence in partially premixed acoustically excited flames

The pulsating combustion process has attracted interest in current research because its application in energy generation can offer several advantages, such as fuel economy, reduced pollutants formation, increased rate of convective heat transfer and reduced investment, when compared with other new techniques of combustion. An experimental study has been conducted with the objective of investigating the effects of combustion driven acoustic oscillations in the emission rates of combustion gases, especially carbon monoxide and nitrogen oxides, and soot presence in partial premixed flames in confined partially premixed liquefied petroleum gas flames. The results basically showed that a more uniform fuel/air mixture due to the presence of an acoustic field increases the NOx emissions in operations close to stoichiometric equivalence ratios and the frequency is the most important parameter. Carbon monoxide and soot reduced significantly.

Lightning activity in Brazilian thunderstorms during TROCCINOX: implications for NOx production

During the TROCCINOX field experiment in January and February 2005, the contribution of lightning-induced nitrogen oxides (LNOx) from tropical and subtropical thunderstorms in Southern Brazil was investigated. Airborne trace gas measurements (NO, NOy, CO and O-3) were performed up to 12.5 km with the German research aircraft Falcon. During anvil penetrations in selected tropical and subtropical thunderstorms of 4 and 18 February, NOx mixing ratios were on average enhanced by 0.7-1.2 and 0.2-0.8 nmol mol(-1) totally, respectively. The relative contributions of boundary layer NOx (BL-NOx) and LNOx to anvil-NOx were derived from the NOx-CO correlations. on average similar to 80-90% of the anvil-NOx was attributed to LNOx. A Lightning Location Network (LINET) was set up to monitor the local distribution of cloud-to-ground (CG) and intra-cloud (IC) radiation sources (here called 'strokes') and compared with lightning data from the operational Brazilian network RINDAT (Rede Integrada Nacional de Deteccao de Descargas Atmosfericas). The horizontal LNOx mass flux out of the anvil was determined from the mean LNOx mixing ratio, the horizontal outflow velocity and the size of the vertical cross-section of the anvil, and related to the number of strokes contributing to LNOx. The values of these parameters were derived from the airborne measurements, from lightning and radar observations, and from a trajectory analysis. The amount of LNOx produced per LINET stroke depending on measured peak current was determined. The results were scaled up with the Lightning Imaging Sensor (LIS) flash rate (44 flashes s(-1)) to obtain an estimate of the global LNOx production rate. The final results gave similar to 1 and similar to 2-3 kg(N) per LIS flash based on measurements in three tropical and one subtropical Brazilian thunderstorms, respectively, suggesting that tropical flashes may be less productive than subtropical ones. The equivalent mean annual global LNOx nitrogen mass production rate was estimated to be 1.6 and 3.1 Tg a(-1), respectively. By use of LINET observations in Germany in July 2005, a comparison with the lightning activity in mid-latitude thunderstorms was also performed. In general, the same frequency distribution of stroke peak currents as for tropical thunderstorms over Brazil was found. The different LNOx production rates per stroke in tropical thunderstorms compared with subtropical and mid-latitude thunderstorms seem to be related to the different stroke lengths (inferred from comparison with laboratory data and observed lengths). In comparison, the impact of other lightning parameters as stroke peak current and stroke release height was assessed to be minor. The results from TROCCINOX suggest that the different vertical wind shear may be responsible for the different stroke lengths.

Study of utilization of petrol engine equipped with exhaust gas recirculation (EGR) and catalytic converter to reduce consumption and NOx emission

Study of consumption rate and gaseous pollutant emission from engine tests simulating real work conditions, using spark point manually controlled and exhaust gas recirculation (EGR) in diverse proportion levels. The objective of this work is to re-examine the potential of the EGR conception, a well-known method of combustion control, employed together electronic fuel injection and three-way catalytic converter closed-loop control at a spark ignition engine, verifying the performance characteristics and technical availability of this conception to improve pollution control, fuel economy at low torque drive condition and to improve the engine exhaust components useful life. The pollutant emissions and consumption levels under operational conditions simulations were analysed and compared with the expected by concerning theory and real tests performed by EGR equipped engines by factory. Copyright © 2006 Society of Automotive Engineers, Inc.

Expression profiles of fetal membrane nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidases (NOX) 2 and 3 differentiates spontaneous preterm birth and pPROM pathophysiologies

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Correlation Between Apparent Activation Energy and NOx emission of renewable diesel from sugar cane, biodiesel, fossil diesel and their blends

Biofuels and their blends with fossil fuel are important energy resources, which production and application have been largely increased internationally. This study focus on the development of a correlation between apparent activation energy (Ea) and NOx emission of the thermal decomposition of three pure fuels: farnasane (renewable diesel from sugar cane), biodiesel and fossil diesel and their blends. Apparent Activation energy was determined by using thermogravimetry and Model-Free Kinetics. NOx emission was obtained from the European Stationary Cycle (ESC) with OM 926LA CONAMA P7/Euro 5 engine. Results showed that there is a linear correlation between apparent activation energy and NOx emission with R2 of 0,9667 considering pure fuels and their blends which is given as: NOx = 2,2514Ea - 96,309. The average absolute error of this correlation is 2.96% with respect to the measured NOx value. The main advantage of this correlation is its capability to predict NOx emission when either a new pure fuel or a blend of fuels is proposed to use in enginees.

Aportación a la investigación sobe la reducción de las emisiones de NOx en grupos diesel utilizados para generación de energía eléctrica

Programa de doctorado: Energía y Medio Ambiente

Sviluppi di catalizzatori per l'abbattimento di NOx in presenza di ossigeno

Il traffico veicolare è la principale fonte antropogenica di NOx, idrocarburi (HC) e CO e, dato che la sostituzione dei motori a combustione interna con sistemi alternativi appare ancora lontana nel tempo, lo sviluppo di sistemi in grado di limitare al massimo le emissioni di questi mezzi di trasporto riveste un’importanza fondamentale. Sfortunatamente non esiste un rapporto ottimale aria/combustibile che permetta di avere basse emissioni, mentre la massima potenza ottenibile dal motore corrisponde alle condizioni di elevata formazione di CO e HC. Gli attuali sistemi di abbattimento permettono il controllo delle emissioni da sorgenti mobili tramite una centralina che collega il sistema di iniezione del motore e la concentrazione di ossigeno del sistema catalitico (posto nella marmitta) in modo da controllare il rapporto aria/combustibile (Fig. 1). Le marmitte catalitiche per motori a benzina utilizzano catalizzatori “three way” a base di Pt/Rh supportati su ossidi (allumina, zirconia e ceria), che, dovendo operare con un rapporto quasi stechiometrico combustibile/comburente, comportano una minore efficienza del motore e consumi maggiori del 20-30% rispetto alla combustione in eccesso di ossigeno. Inoltre, questa tecnologia non può essere utilizzata nei motori diesel, che lavorano in eccesso di ossigeno ed utilizzano carburanti con un tenore di zolfo relativamente elevato. In questi ultimi anni è cresciuto l’interesse per il controllo delle emissioni di NOx da fonti veicolari, con particolare attenzione alla riduzione catalitica in presenza di un eccesso di ossigeno, cioè in condizioni di combustione magra. Uno sviluppo recente è rappresentato dai catalizzatori tipo “Toyota” che sono basati sul concetto di accumulo e riduzione (storage/reduction), nei quali l’NO viene ossidato ed accumulato sul catalizzatore come nitrato in condizioni di eccesso di ossigeno. Modificando poi per brevi periodi di tempo le condizioni di alimentazione da ossidanti (aria/combustibile > 14,7 p/p) a riducenti (aria/combustibile < 14,7 p/p) il nitrato immagazzinato viene ridotto a N2 e H2O. Questi catalizzatori sono però molto sensibili alla presenza di zolfo e non possono essere utilizzati con i carburanti diesel attualmente in commercio. Obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di ottimizzare e migliorare la comprensione del meccanismo di reazione dei catalizzatori “storage-reduction” per l’abbattimento degli NOx nelle emissioni di autoveicoli in presenza di un eccesso di ossigeno. In particolare lo studio è stato focalizzato dapprima sulle proprietà del Pt, fase attiva nei processi di storage-reduction, in funzione del tipo di precursore e sulle proprietà e composizione della fase di accumulo (Ba, Mg ed una loro miscela equimolare) e del supporto (γ-Al2O3 o Mg(Al)O). Lo studio è stato inizialmente focalizzato sulle proprietà dei precursori del Pt, fase attiva nei processi di storage-reduction, sulla composizione della fase di accumulo (Ba, Mg ed una loro miscela equimolare) e del supporto (γ-Al2O3 o Mg(Al)O). E’ stata effettuata una dettagliata caratterizzazione chimico-fisica dei materiali preparati tramite analisi a raggi X (XRD), area superficiale, porosimetria, analisi di dispersione metallica, analisi in riduzione e/o ossidazione in programmata di temperatura (TPR-O), che ha permesso una migliore comprensione delle proprietà dei catalizzatori. Vista la complessità delle miscele gassose reali, sono state utilizzate, nelle prove catalitiche di laboratorio, alcune miscele più semplici, che tuttavia potessero rappresentare in maniera significativa le condizioni reali di esercizio. Il comportamento dei catalizzatori è stato studiato utilizzando differenti miscele sintetiche, con composizioni che permettessero di comprendere meglio il meccanismo. L’intervallo di temperatura in cui si è operato è compreso tra 200-450°C. Al fine di migliorare i catalizzatori, per aumentarne la resistenza alla disattivazione da zolfo, sono state effettuate prove alimentando in continuo SO2 per verificare la resistenza alla disattivazione in funzione della composizione del catalizzatore. I principali risultati conseguiti possono essere così riassunti: A. Caratteristiche Fisiche. Dall’analisi XRD si osserva che l’impregnazione con Pt(NH3)2(NO2)2 o con la sospensione nanoparticellare in DEG, non modifica le proprietà chimico-fisiche del supporto, con l’eccezione del campione con sospensione nanoparticellare impregnata su ossido misto per il quale si è osservata sia la segregazione del Pt, sia la presenza di composti carboniosi sulla superficie. Viceversa l’impregnazione con Ba porta ad una significativa diminuzione dell’area superficiale e della porosità. B. Caratteristiche Chimiche. L’analisi di dispersione metallica, tramite il chemiassorbimento di H2, mostra per i catalizzatori impregnati con Pt nanoparticellare, una bassa dispersione metallica e di conseguenza elevate dimensioni delle particelle di Pt. I campioni impregnati con Pt(NH3)2(NO2)2 presentano una migliore dispersione. Infine dalle analisi TPR-O si è osservato che: Maggiore è la dispersione del metallo nobile maggiore è la sua interazione con il supporto, L’aumento della temperatura di riduzione del PtOx è proporzionale alla quantità dei metalli alcalino terrosi, C. Precursore Metallo Nobile. Nelle prove di attività catalitica, con cicli ossidanti e riducenti continui in presenza ed in assenza di CO2, i catalizzatori con Pt nanoparticellare mostrano una minore attività catalitica, specie in presenza di un competitore come la CO2. Al contrario i catalizzatori ottenuti per impregnazione con la soluzione acquosa di Pt(NH3)2(NO2)2 presentano un’ottima attività catalitica, stabile nel tempo, e sono meno influenzabili dalla presenza di CO2. D. Resistenza all’avvelenamento da SO2. Il catalizzatore di riferimento, 17Ba1Pt/γAl2O3, mostra un effetto di avvelenamento con formazione di solfati più stabili che sul sistema Ba-Mg; difatti il campione non recupera i valori iniziali di attività se non dopo molti cicli di rigenerazione e temperature superiori ai 300°C. Per questi catalizzatori l’avvelenamento da SO2 sembra essere di tipo reversibile, anche se a temperature e condizioni più favorevoli per il 1.5Mg8.5Ba-1Pt/γAl2O3. E. Capacità di Accumulo e Rigenerabilità. Tramite questo tipo di prova è stato possibile ipotizzare e verificare il meccanismo della riduzione. I catalizzatori ottenuti per impregnazione con la soluzione acquosa di Pt(NH3)2(NO2)2 hanno mostrato un’elevata capacità di accumulo. Questa è maggiore per il campione bimetallico (Ba-Mg) a T < 300°C, mentre per il riferimento è maggiore per T > 300°C. Per ambedue i catalizzatori è evidente la formazione di ammoniaca, che potrebbe essere utilizzata come un indice che la riduzione dei nitrati accumulati è arrivata al termine e che il tempo ottimale per la riduzione è stato raggiunto o superato. Per evitare la formazione di NH3, sul catalizzatore di riferimento, è stata variata la concentrazione del riducente e la temperatura in modo da permettere alle specie adsorbite sulla superficie e nel bulk di poter raggiungere il Pt prima che l’ambiente diventi troppo riducente e quindi meno selettivo. La presenza di CO2 riduce fortemente la formazione di NH3; probabilmente perché la CO2, occupando i siti degli elementi alcalino-terrosi lontani dal Pt, impedisce ai nitriti/nitrati o all’H2 attivato di percorrere “elevate” distanze prima di reagire, aumentando così le possibilità di una riduzione più breve e più selettiva. F. Tempo di Riduzione. Si è migliorata la comprensione del ruolo svolto dalla concentrazione dell’agente riducente e dell’effetto della durata della fase riducente. Una durata troppo breve porta, nel lungo periodo, alla saturazione dei siti attivi, un eccesso alla formazione di NH3 Attraverso queste ultime prove è stato possibile formulare un meccanismo di reazione, in particolare della fase riducente. G. Meccanismo di Riduzione. La mobilità dei reagenti, nitriti/nitrati o H2 attivato è un elemento fondamentale nel meccanismo della riduzione. La vicinanza tra i siti di accumulo e quelli redox è determinante per il tipo di prodotti che si possono ottenere. La diminuzione della concentrazione del riducente o l’aumento della temperatura concede maggiore tempo o energia alle specie adsorbite sulla superficie o nel bulk per migrare e reagire prima che l’ambiente diventi troppo riducente e quindi meno selettivo.