Smanjenje NOx emulzifikacijom ulja/vode

Azotni oksidi (NO_x) poznati su kao neposredno opasni po zdravlje ljudi i okoliša. Mobilni i stacionarni dizelski i benzinski motori u velikoj mjeri doprinose svjetskim NO_x emisijama. Emulzifikacija goriva vodom jedan je od načina za smanjenje NO_x emisija motora. Ultrazvučna emulzifikacija djelotvorno je sredstvo za proizvodnju finih emulzija goriva i vode.

Automobili i kamioni, zrakoplovi, električni generatori, viljuškari, klima-uređaji i kotlovi proizvode velike količine čestica (PM) i NO_x sagorijevanjem naftnih derivata. NO_x odnosi se na smjese azotnog monoksida (NO) i azotnog dioksida (NO₂) kao i N₂O, NO₃, N₂O₄ i N₂O₅. Azotni monoksid i azotni dioksid doprinose prizemnom ozonu i smogu te su opasni po okoliš i ljude. Propisi o zaštiti okoliša bave se emisijama zagađivača zraka pooštravanjem ograničenja. Emisije motora također sadrže sumpor-dioksid (SO₂) kao posljedicu sumpornih spojeva u gorivu. Ovaj problem se smanjuje hidrodesulfurizacijom ili ultrazvučno potpomognutom desulfurizacijom.

Pogon na emulziju goriva i vode

Posljednjih godina obavljeno je mnogo istraživanja o utjecaju vode na NO_x nivoe emisije. Za svojstva sagorijevanja ispitani su različiti zapreminski odnosi goriva i vode od 1:1 do 19:1. U većini slučajeva dodavano je 1 do 2 zapreminska procenta surfaktanta radi stabilizacije emulzije.

Osnove sagorijevanja

Sagorijevanjem goriva nastaju toplotna i mehanička energija. Mehanički dio može se koristiti za pogon klipova ili turbina radi pokretanja vozila ili proizvodnje električne energije. U većini motora toplotna energija se ne koristi. To dovodi do niže termodinamičke efikasnosti.

Otprilike 90% NO_x nastalog procesom sagorijevanja goriva čini NO. NO nastaje prvenstveno oksidacijom atmosferskog azota (N₂). Voda dodana gorivu snižava temperaturu sagorijevanja zbog isparavanja vode. Kada voda u emulziji goriva i vode ispari, isparava i okolno gorivo. Time se povećava površina goriva. Niža temperatura i bolja raspodjela goriva dovode do manjeg stvaranja NO_x.

Ultrazvučna emulzifikacija

U mnogim je radovima pokazano da uvođenje vode u sagorijevanje goriva dovodi do smanjenja NO_x emisija. Voda se može dodati formiranjem emulzije goriva i vode na dva načina:

• nestabilizirana: inline emulzifikacija vode u gorivo prije ubrizgavanja
• stabilizirana: proizvodnja stabilne emulzije goriva i vode koja se koristi kao drop-in alternativa gorivu

Canfield (1999) sažima smanjenje NO_x korištenjem vode i drugih aditiva:

• nestabilizirana emulzija
  • dodana voda u vol%: 10 do 80%
  • smanjenje NO_x za: 4 do 60%
• stabilizirana emulzija
  • dodana voda u vol%: 25 do 50%
  • smanjenje NO_x za: 22 do 83%

Emulzija

Emulzija je smjesa općenito nemješljivih tečnosti (faza), kao što su ulje i voda. Tokom procesa emulzifikacije disperzna faza (npr. voda) uvodi se u tečnu fazu (npr. ulje). Primjenom visokog smicanja, smanjuje se veličina čestica (= veličina kapljica) disperzne faze. Što je veličina čestica manja, to je nastala emulzija stabilnija. Dodatna stabilnost može se postići uvođenjem surfaktanata ili stabilizatora. Kliknite na gornju grafiku da biste vidjeli primjere rezultata ultrazvučne emulzifikacije 10% vode u motornom ulju (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Njemačka). Ovu studiju proveli su Behrend i Schubert (2000).

Ultrazvuk

Pri ultrazvučnoj obradi tečnosti visokim intenzitetima zvučni talasi koji se šire kroz tečni medij uzrokuju naizmjenične cikluse visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđenje), pri čemu učestalost ovisi o frekvenciji. Tokom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni talasi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tečnosti. Kada mjehurići dosegnu zapreminu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju, silovito kolabiraju tokom ciklusa visokog tlaka. Ovaj fenomen naziva se kavitacija. Tokom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (otprilike 5.000K) i tlakovi (otprilike 2.000atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također rezultira tečnim mlazevima brzine do 280m/s.

Dokazano je da ultrazvuk stvara vrlo homogene emulzije vode u ulju (w/o) i ulja u vodi (o/w) djelovanjem visokog kavitacijskog smicanja. Budući da se parametri ultrazvučne obrade mogu dobro kontrolisati, veličina i raspodjela čestica dobro su podesive i ponovljive. Ultrazvuk se tipično primjenjuje u reaktoru s protočnom ćelijom. Stoga se emulzija može proizvoditi kontinuirano inline. Zbog toga se ultrazvučna obrada može koristiti za proizvodnju stabiliziranih i nestabiliziranih emulzija.

Tabela u nastavku prikazuje opće kapacitete obrade za različite nivoe ultrazvučne snage.

Ultrazvučno otplinjavanje i uklanjanje pjene

Ultrazvuk također pomaže da se smanji količina zračnih mjehurića u smjesi emulzije. Slika desno prikazuje učinak ultrazvučne obrade na sadržaj mjehurića (slike napretka u razmacima od 5 s, slijeva nadesno). Budući da varijacije u sadržaju mjehurića uzrokuju fluktuacije u trenutku ubrizgavanja, otplinjavanje, odzračivanje i uklanjanje pjene ultrazvučnom obradom poboljšava performanse motora.

Ultrazvučna procesna oprema

Hielscher je vodeći dobavljač ultrazvučnih uređaja velikog kapaciteta, u cijelom svijetu. Budući da Hielscher proizvodi ultrazvučne procesore do 16kW snage po pojedinačnom uređaju, ne postoji ograničenje veličine postrojenja niti kapaciteta obrade. Klasteri od nekoliko sistema od 16kW koriste se za proizvodnju velikih količina drop-in goriva. Industrijska obrada goriva ne zahtijeva mnogo ultrazvučne energije. Stvarna potrebna energija može se odrediti pomoću ultrazvučnog procesora od 1kW u laboratorijskoj (stolnoj) skali. Svi rezultati takvih laboratorijskih ispitivanja mogu se jednostavno prenijeti na veću skalu.

Troškovi ultrazvučne obrade

Ultrazvučna obrada je djelotvorna tehnologija obrade. Troškovi ultrazvučne obrade nastaju uglavnom zbog ulaganja
u ultrazvučne uređaje, komunalnih troškova i održavanja. Izvanredna energetska efikasnost (vidi dijagram) Hielscher ultrazvučnih uređaja pomaže u smanjenju komunalnih troškova.

Literatura

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Utjecaj viskoznosti kontinuirane faze na emulzifikaciju ultrazvukom, u: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Učinci sagorijevanja emulzije dizela i vode na emisije NO_x dizelskih motora, u: magistarski rad predstavljen poslijediplomskoj školi Univerziteta Floride, 1999.