Snížení NOx pomocí emulgace olej/voda

Oxidy dusíku (NO_x) jsou známy tím, že bezprostředně ohrožují zdraví lidí i životní prostředí. Mobilní a stacionární dieselové a benzinové motory se výraznou měrou podílejí na celosvětových NO_x emisích. Emulgace paliva s vodou je jedním ze způsobů, jak snížit NO_x emise motorů. Ultrazvuková emulgace je účinným prostředkem k výrobě jemných emulzí paliva a vody.

Osobní a nákladní automobily, letadla, elektrické generátory, vysokozdvižné vozíky, klimatizační jednotky a kotle produkují velká množství pevných částic (PM) a NO_x spalováním ropných produktů. NO_x označuje směsi oxidu dusnatého (NO) a oxidu dusičitého (NO₂) a rovněž N₂O, NO₃, N₂O₄ a N₂O₅. Oxid dusnatý a oxid dusičitý přispívají ke vzniku přízemního ozonu, smogu a jsou nebezpečné pro životní prostředí i člověka. Ekologická legislativa reaguje na emise látek znečišťujících ovzduší zpřísňováním limitů. Emise motorů zahrnují také oxid siřičitý (SO₂) vznikající ze sloučenin síry v palivu. Tento problém se zmírňuje hydrodesulfurizací nebo ultrazvukem podporovanou desulfurizací.

Provoz na emulzi paliva a vody

V posledních letech bylo provedeno mnoho prací zaměřených na vliv vody na úroveň NO_x emisí. Z hlediska spalovacích vlastností byly testovány různé objemové poměry palivo:voda od 1:1 do 19:1. Ve většině případů bylo ke stabilizaci emulze přidáno 1 až 2 objemová procenta povrchově aktivní látky.

Základy spalování

Spalováním paliva vzniká tepelná a mechanická energie. Mechanickou část lze využít k pohonu pístů nebo turbín pro pohon vozidel či výrobu elektřiny. Ve většině motorů se tepelná energie nevyužívá. To vede k nižší termodynamické účinnosti.

Přibližně 90% NO_x vznikajících při spalování paliva tvoří NO. NO vzniká především oxidací vzdušného dusíku (N₂). Voda přidaná do paliva snižuje teplotu spalování v důsledku odpařování vody. Když se voda v emulzi paliva a vody odpaří, odpaří se i okolní palivo. Tím se zvětší povrch paliva. Nižší teplota a lepší distribuce paliva vedou k nižší tvorbě NO_x.

Ultrazvuková emulgace

Mnoho prací prokázalo, že zavedení vody do spalování paliva vede ke snížení NO_x emisí. Vodu lze přidat vytvořením emulze paliva a vody dvěma způsoby:

• nestabilizovaná: inline emulgace vody do paliva před vstřikem
• stabilizovaná: výroba stabilní emulze paliva a vody určené k použití jako přímo zaměnitelná (drop-in) alternativa paliva

Canfield (1999) shrnuje snížení NO_x dosažené použitím vody a dalších aditiv:

• nestabilizovaná emulze
  • přidaná voda v obj. %: 10 až 80%
  • NO_x sníženo o: 4 až 60%
• stabilizovaná emulze
  • přidaná voda v obj. %: 25 až 50%
  • NO_x sníženo o: 22 až 83%

Emulze

Emulze je směs obecně nemísitelných kapalin (fází), jako je olej a voda. Během procesu emulgace se dispergovaná fáze (např. voda) zavádí do kapalné fáze (např. oleje). Velikost částic (= velikost kapek) dispergované fáze se zmenšuje působením vysokého smyku. Čím menší je velikost částic, tím stabilnější je vzniklá emulze. Další stability lze dosáhnout přidáním povrchově aktivních látek nebo stabilizátorů. Klikněte na obrázek výše a zobrazí se ukázkové výsledky ultrazvukové emulgace 10% vody v motorovém oleji (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburk, Německo). Tuto studii provedli Behrend a Schubert (2000).

Ultrazvuk

Při sonikaci kapalin o vysoké intenzitě vedou zvukové vlny šířící se v kapalném prostředí ke střídání cyklů vysokého tlaku (komprese) a nízkého tlaku (zředění), jejichž rychlost závisí na frekvenci. Během cyklu nízkého tlaku vytvářejí ultrazvukové vlny o vysoké intenzitě v kapalině malé vakuové bubliny neboli dutiny. Když bubliny dosáhnou objemu, při kterém již nemohou absorbovat energii, během cyklu vysokého tlaku prudce kolabují. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze se lokálně dosahuje velmi vysokých teplot (přibližně 5 000K) a tlaků (přibližně 2 000atm). Imploze kavitační bubliny má rovněž za následek vznik proudů kapaliny o rychlosti až 280m/s.

Bylo prokázáno, že ultrazvuk vytváří velmi homogenní emulze vody v oleji (w/o) a oleje ve vodě (o/w) díky vysokému kavitačnímu smyku. Protože parametry sonikace lze dobře řídit, je velikost částic a jejich distribuce dobře nastavitelná a reprodukovatelná. Ultrazvuk se obvykle aplikuje v reaktoru s průtokovou celou. Emulzi lze proto vyrábět kontinuálně v inline režimu. Z tohoto důvodu lze sonikaci použít k výrobě stabilizovaných i nestabilizovaných emulzí.

Níže uvedená tabulka ukazuje obecné zpracovatelské kapacity pro různé úrovně ultrazvukového výkonu.

Ultrazvukové odplyňování a odpěňování

Ultrazvuk také pomáhá snížit množství vzduchových bublin ve směsi emulze. Obrázek vpravo ukazuje účinek sonikace na obsah bublin (průběžné snímky po 5s zleva doprava). Protože kolísání obsahu bublin způsobuje výkyvy v časování vstřiku, odplyňování, odvzdušnění a odpěňování pomocí sonikace zlepšuje výkon motoru.

Ultrazvukové procesní zařízení

Hielscher je předním dodavatelem ultrazvukových zařízení s vysokou kapacitou, a to celosvětově. Protože Hielscher vyrábí ultrazvukové procesory s výkonem až 16kW na jedno zařízení, neexistuje žádné omezení velikosti provozu ani zpracovatelské kapacity. Klastry několika 16kW systémů se používají k výrobě velkých objemů drop-in paliv. Průmyslové zpracování paliv nevyžaduje mnoho ultrazvukové energie. Skutečnou energetickou potřebu lze určit pomocí 1kW ultrazvukového procesoru v laboratorním měřítku. Všechny výsledky takových laboratorních zkoušek lze snadno převést do většího měřítka.

Náklady na sonikaci

Sonikace je efektivní technologie zpracování. Náklady na ultrazvukové zpracování vyplývají především z investice
do ultrazvukových zařízení, nákladů na energie a média a údržby. Vynikající energetická účinnost (viz graf) ultrazvukových zařízení Hielscher pomáhá snižovat náklady na energie a média.

Literatura

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Vliv viskozity kontinuální fáze na emulgaci ultrazvukem, in: Ultrazvuková sonochemie 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Účinky spalování emulze diesel-voda na vznětový motor NO_x Emissions, in: diplomová práce předložená na Graduate School, University of Florida, 1999.