Намаляване на NOx чрез емулгиране на масло/вода

Известно е, че азотните оксиди (NO_x) представляват непосредствена опасност за човешкото здраве и състоянието на околната среда. Мобилните и стационарните дизелови и бензинови двигатели допринасят в голяма степен за световните емисии на NO_x . Емулгирането на горивото с вода е начин за намаляване на емисиите на NO_x от двигателите. Ултразвуковото емулгиране е ефективно средство за получаване на фино диспергирани емулсии гориво/вода.

Леките и товарните автомобили, самолетите, електрогенераторите, мотокарите, климатичните инсталации и котлите отделят големи количества прахови частици (PM) и NO_x при изгарянето на нефтопродукти. NO_x обозначава смеси от азотен моноксид (NO) и азотен диоксид (NO₂), както и N₂O, NO₃, N₂O₄ и N₂O₅. Азотният моноксид и азотният диоксид допринасят за образуването на приземен озон и смог и са опасни за околната среда и хората. Екологичните нормативни изисквания ограничават емисиите на замърсители на въздуха чрез затягане на пределно допустимите стойности. Емисиите от двигателите включват и серен диоксид (SO₂) вследствие на серните съединения в горивото. Този проблем се намалява чрез хидродесулфуризация или десулфуризация, подпомагана с ултразвук.

Работа с емулсия гориво/вода

През последните години е извършена значителна изследователска работа върху влиянието на водата върху нивата на емисиите на NO_x . Изследвани са характеристиките на горене при различни обемни съотношения гориво:вода от 1:1 до 19:1. В повечето случаи за стабилизиране на емулсията са добавяни от 1 до 2 обемни процента повърхностноактивно вещество.

Основни сведения за горенето

Изгарянето на горивото генерира топлинна и механична енергия. Механичната част може да се използва за задвижване на бутала или турбини за осигуряване на тяга или производство на електроенергия. В повечето двигатели топлинната енергия не се използва. Това води до по-ниска термодинамична ефективност.

Приблизително 90% от NO_x , получени при изгарянето на горивото, са NO. NO се образува предимно чрез окисление на атмосферния азот (N₂). Добавената към горивото вода понижава температурата на горене поради изпаряването си. Когато водата в емулсията гориво–вода се изпарява, околното гориво също се изпарява. Това увеличава повърхностната площ на горивото. По-ниската температура и по-доброто разпределение на горивото водят до по-малко образуване на NO_x.

Ултразвуково емулгиране

Много изследвания показват, че въвеждането на вода при изгарянето на горивото намалява емисиите на NO_x . Водата може да се добави чрез образуване на емулсия гориво/вода по два начина:

• нестабилизирана: емулгиране на вода в горивото в потока преди впръскването
• стабилизирана: производство на стабилна емулсия гориво/вода, която да се използва като алтернативно гориво, пригодно за директна замяна без модификации

Canfield (1999) обобщава намаляването на NO_x чрез използването на вода и други добавки:

• нестабилизирана емулсия
  • добавена вода, об.%: от 10 до 80%
  • NO_x – намаляване с: от 4 до 60%
• стабилизирана емулсия
  • добавена вода, об.%: от 25 до 50%
  • NO_x – намаляване с: от 22 до 83%

Емулсия

Емулсията е смес от по принцип несмесващи се течности (фази), например масло и вода. В процеса на емулгиране дисперсната фаза (напр. вода) се въвежда в течната фаза (напр. масло). Чрез прилагане на интензивно срязване се намалява размерът на частиците (= размерът на капките) на дисперсната фаза. Колкото по-малък е размерът на частиците, толкова по-стабилна е получената емулсия. Допълнителна стабилност може да се постигне чрез въвеждане на повърхностноактивни вещества или стабилизатори. Щракнете върху графиката по-горе , за да видите примерни резултати от ултразвуковото емулгиране на 10% вода в моторно масло (Velocite 3, Mobil Oil, Хамбург, Германия). Това изследване е проведено от Behrend и Schubert (2000).

Ултразвук

При ултразвукова обработка на течности с висока интензивност звуковите вълни, които се разпространяват в течната среда, предизвикват редуващи се цикли на високо налягане (свиване) и ниско налягане (разреждане), като скоростта на редуване зависи от честотата. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висока интензивност създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да поглъщат енергия, те се свиват рязко по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. По време на имплозията локално се достигат много високи температури (прибл. 5 000K) и налягания (прибл. 2 000atm). Имплозията на кавитационното мехурче също така създава течни струи със скорост до 280m/s.

Доказано е, че ултразвукът създава много хомогенни емулсии на вода в масло (w/o) и масло във вода (o/w) чрез интензивното кавитационно срязване. Тъй като параметрите на ултразвуковата обработка могат да се контролират добре, размерът и разпределението на частиците могат да се регулират прецизно и да се възпроизвеждат. Обикновено ултразвукът се прилага в реактор с проточна клетка. Следователно емулсията може да се произвежда непрекъснато в потока. Поради тази причина ултразвуковата обработка може да се използва за получаване на стабилизирани и нестабилизирани емулсии.

Таблицата по-долу показва общия капацитет за обработка при различни нива на ултразвукова мощност.

Ултразвуково дегазиране и обезпенване

Ултразвукът помага също да се намали количеството въздушни мехурчета в емулсионната смес. Изображението вдясно показва ефекта на ултразвуковата обработка върху съдържанието на мехурчета (последователни изображения през 5sec. отляво надясно). Тъй като промените в съдържанието на мехурчета причиняват колебания в момента на впръскване, дегазирането, обезвъздушаването и обезпенването чрез ултразвукова обработка подобряват работата на двигателя.

Ултразвуково технологично оборудване

Hielscher е водещият доставчик на ултразвукови устройства с голям капацитет в световен мащаб. Тъй като Hielscher произвежда ултразвукови процесори с мощност до 16kW за едно устройство, няма ограничение за размера на инсталацията или капацитета за обработка. Групи от няколко системи с мощност 16kW се използват за производство на големи обеми горива, пригодни за директна замяна без модификации. Промишлената обработка на горива не изисква много ултразвукова енергия. Действителната потребност от енергия може да се определи с помощта на ултразвуков процесор с мощност 1kW в лабораторен мащаб. Всички резултати от такива лабораторни изпитвания могат да бъдат лесно пренесени към по-голям мащаб.

Разходи за ултразвукова обработка

Ултразвуковата обработка е ефективна технология за обработка. Разходите за ултразвукова обработка произтичат главно от инвестицията
в ултразвукови устройства, разходите за енергия и комунални услуги и поддръжката. Изключителната енергийна ефективност (вижте графиката) на ултразвуковите устройства на Hielscher помага за намаляване на разходите за енергия и комунални услуги.

Литература

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Влияние на вискозитета на непрекъснатата фаза върху емулгирането с ултразвук, в: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Влияние на изгарянето на емулсия дизелово гориво–вода върху емисиите на NO_x от дизелов двигател, в: Магистърска теза, представена пред школата за следдипломно обучение на Университета на Флорида, 1999.