NOx-reduktion ved olie/vand-emulgering

Kvælstofoxider (NO_x) er kendt for at være umiddelbart farlige for menneskers og miljøets sundhed. Mobile og stationære diesel- og benzinmotorer bidrager i høj grad til den verdensomspændende NO_x Emissioner. Emulgering af brændstoffet med vand er en måde at reducere NO_x motorers emissioner. Ultralydsemulgeringen er et effektivt middel til at generere brændstof / vandemulsioner i fin størrelse.

Biler og lastbiler, fly, elektriske generatorer, gaffeltrucks, klimaanlæg og kedler genererer store mængder partikler (PM) og NO_x ved forbrænding af olieprodukter. NEJ_x henviser til blandinger af nitrogenoxid (NO) og nitrogendioxid (NO₂) samt N₂O, NEJ₃, N₂O₄ og N₂O₅. Nitrogenoxid og nitrogendioxid bidrager til lavaktivt ozon, smog og er farlige for miljøet og mennesker. Miljølovgivningen omhandler luftforurenende emissioner ved at Stramme grænser. Motoremissioner omfatter også svovldioxid (SO₂) som følge af svovlforbindelser i brændstoffet. Dette problem reduceres ved hydrodesvovling eller ultralydassisteret afsvovling.

Kører på brændstof/vandemulsion

I de senere år er der blevet gjort meget arbejde med at vandets indflydelse på NO_x Emissionsniveauer. Forskellige brændstof:vandvolumenforhold fra 1:1 til 19:1 er blevet testet for forbrændingsegenskaber. I de fleste tilfælde blev 1 til 2 volumenprocent overfladeaktivt stof tilsat til emulsionsstabilisering.

Baggrund om forbrænding

Forbrænding af brændstof genererer termisk og mekanisk energi. Den mekaniske fraktion kan bruges til at drive stempler eller turbiner til fremdrift eller elproduktion. I de fleste motorer bruges den termiske energi ikke. Dette resulterer i en lavere termodynamisk effektivitet.

Ca. 90 % af NEJ_x som følge af forbrændingsprocessen af brændsel er NEJ. NO dannes primært ved oxidation af atmosfærisk nitrogen (N₂). Vand tilsat brændstoffet sænker forbrændingstemperaturen på grund af vandfordampning. Når vandet i brændstof-vand-emulsionen fordamper, fordampes det omgivende brændstof også. Dette øger brændstoffets overfladeareal. Den lavere temperatur og den bedre brændstoffordeling fører til en lavere dannelse af NO_x.

Ultralyd emulgering

Introduktion af vand til forbrændingen af brændsel har i mange værker vist sig at sænk NEJ_x Emissioner. Vandet kan tilsættes ved at danne en brændstof/vand-emulsion på to måder:

• ustabiliseret: inline-emulgering af vand i brændstoffet før indsprøjtning
• Stabiliseret: fremstilling af en stabil brændstof-/vandemulsion, der skal anvendes som drop-in-brændstofalternativ

Canfield (1999) opsummerer NEJ_x reduktion ved brug af vand og andre tilsætningsstoffer:

• ustabiliseret emulsion
  • vand tilsat vol%: 10 til 80%
  • NEJ_x nedsættelse med: 4 til 60 %
• stabiliseret emulsion
  • vand tilsat vol%: 25 til 50%
  • NEJ_x nedsættelse med: 22 til 83 %

emulsion

En emulsion er en blanding af generelt Ikke-blandbare væsker (faser), såsom olie og vand. Under emulgeringsprocessen indføres dispergeringsfasen (f.eks. vand) i væskefasen (f.eks. olie). Ved anvendelse af høj forskydningreduceres partikelstørrelsen (= dråbestørrelsen) af dispergeringsfasen. Jo mindre partikelstørrelsen er, jo mere stabil er den genererede emulsion. Yderligere stabilitet kan opnås ved introduktion af overfladeaktive stoffer eller stabilisatorer. Klik på grafikken ovenfor for at se prøveresultater for ultralydsemulgering af 10 % vand i motorolie (Velocite 3, Mobil Oil, Hamborg, Tyskland). Denne undersøgelse blev udført af Behrend og Schubert (2000).

Ultralyd

Ved sonikering af væsker ved høje intensiteter resulterer lydbølgerne, der forplanter sig ind i det flydende medie, i skiftende højtryk (kompression) og lavtryk (sjældenhed) cyklusser, med hastigheder afhængigt af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne opnår et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation. Under implosionen nås meget høje temperaturer (ca. 5.000 K) og tryk (ca. 2.000 atm) lokalt. Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i væskestråler med en hastighed på op til 280 m/s.

Ultralyd har vist sig at generere meget homogene emulsioner vand i olie (w/w) og olie i vand (o/w) af høj kavitationsforskydning. Da parametrene for ultralydbehandling er godt kontrollerbare, er partikelstørrelsen og fordelingen godt justerbar og repeterbar. Ultralyden anvendes typisk i en flowcellereaktor. Derfor kan emulsionen Lavet kontinuerligt in-line. Af denne grund kan ultralydbehandling bruges til fremstilling af stabiliserede og ustabiliserede emulsioner.

Tabellen nedenfor viser generelle behandlingskapaciteter for forskellige ultralydseffektniveauer.

Ultralydsafgasning og skumdæmpning

Ultralyd hjælper også med at reducere mængden af luftbobler i emulsionsblandingen. Billedet til højre viser effekten (5 sek. fremskridtsbilleder fra venstre mod højre) af ultralydbehandling på bobleindholdet. Da variationer i bobleindholdet forårsager udsving i injektionstidspunktet, kan en Afgasning, afluftning og skumdæmpning Ved ultralydbehandling forbedrer motorens ydeevne.

Ultralyd procesudstyr

Hielscher er den Førende leverandør af ultralydsenheder med høj kapacitetverdensomspændende. Da Hielscher fremstiller ultralydsprocessorer på op til 16kW Strøm pr. enkelt enhedder findes ingen grænse for plantestørrelse eller forarbejdningskapacitet. Klynger af flere 16 kW-systemer bruges til fremstilling af store mængder drop-in-brændstoffer. Forarbejdning af industrielt brændsel har ikke brug for meget ultralydsenergi. Det faktiske energibehov kan bestemmes ved hjælp af en 1kW ultralydsprocessor i bordskala. Alle resultater fra sådanne bench-top-forsøg kan Skaleres nemt op.

Omkostninger ved ultralydbehandling

Ultralydbehandling er en effektiv behandlingsteknologi. Ultralydsbehandlingsomkostninger skyldes hovedsageligt investeringen
til ultralydsenheder, forsyningsomkostninger og vedligeholdelse. Den fremragende energieffektivitet (se søkort) af Hielscher ultralydsenheder hjælper med at reducere forsyningsomkostningerne.

Litteratur

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Indflydelse af kontinuerlig faseviskositet på emulgering ved ultralyd, i: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Virkninger af diesel-vandemulsionsforbrænding på dieselmotor NO_x Emissioner, i: Kandidatafhandling præsenteret for ph.d.-skolen ved University of Florida, 1999.