NOx-reduktion ved olie/vand-emulgering

Kvælstofoxider (NO_x) er kendt for at udgøre en umiddelbar fare for menneskers sundhed og miljøet. Mobile og stationære diesel- og benzinmotorer bidrager i vid udstrækning til de globale NO_x -emissioner. Emulgering af brændstoffet med vand er en måde at reducere motorers NO_x -emissioner på. Ultralydsemulgering er en effektiv metode til at fremstille brændstof/vand-emulsioner med små dråber.

Personbiler og lastbiler, fly, elgeneratorer, gaffeltrucks, klimaanlæg og kedler genererer store mængder partikler (PM) og NO_x ved forbrænding af olieprodukter. NO_x betegner blandinger af nitrogenmonoxid (NO) og nitrogendioxid (NO₂) samt N₂O, NO₃, N₂O₄ og N₂O₅. Nitrogenmonoxid og nitrogendioxid bidrager til ozon nær jordoverfladen og smog og er skadelige for miljøet og mennesker. Miljølovgivningen regulerer emissionerne af luftforurenende stoffer ved at skærpe grænseværdierne. Motorers emissioner omfatter også svovldioxid (SO₂) som følge af svovlforbindelser i brændstoffet. Dette problem reduceres ved hydroafsvovling eller ultralydsassisteret afsvovling.

Drift med brændstof/vand-emulsion

I de senere år er der udført omfattende arbejde med vandets indflydelse på NO_x -emissionsniveauerne. Forskellige volumenforhold mellem brændstof og vand fra 1:1 til 19:1 er blevet undersøgt med hensyn til forbrændingsegenskaber. I de fleste tilfælde blev der tilsat 1 til 2 volumenprocent overfladeaktivt stof for at stabilisere emulsionen.

Baggrund om forbrænding

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

Ca. 90% af det NO_x , der dannes ved forbrænding af brændstof, er NO. NO dannes primært ved oxidation af atmosfærisk kvælstof (N₂). Vand, der tilsættes brændstoffet, sænker forbrændingstemperaturen som følge af vandets fordampning. Når vandet i brændstof/vand-emulsionen fordamper, fordamper det omgivende brændstof også. Dette øger brændstoffets overfladeareal. Den lavere temperatur og den bedre fordeling af brændstoffet fører til mindre dannelse af NO_x.

Ultralydsemulgering

Det er i mange undersøgelser blevet vist, at tilførsel af vand til brændstofforbrændingen kan reducere NO_x -emissionerne. 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/vand-emulsion til brug som et alternativt brændstof, der kan anvendes direkte uden ændringer

Canfield (1999) sammenfatter NO_x -reduktionen ved brug af vand og andre tilsætningsstoffer:

• ustabiliseret emulsion
  • tilsat vand, vol%: 10 til 80%
  • NO_x -reduktion med: 4 til 60%
• stabiliseret emulsion
  • tilsat vand, vol%: 25 til 50%
  • NO_x -reduktion med: 22 til 83%

Emulsion

En emulsion er en blanding af almindeligvis ikke-blandbare væsker (faser), såsom olie og vand. Under emulgeringen indføres den dispergerede fase (f.eks. vand) i væskefasen (f.eks. olie). Ved anvendelse af høje forskydningskræfter reduceres partikelstørrelsen (= dråbestørrelsen) i den dispergerede fase. Jo mindre partikelstørrelsen er, desto mere stabil er den dannede emulsion. Yderligere stabilitet kan opnås ved tilsætning af overfladeaktive stoffer eller stabilisatorer. Klik på grafikken ovenfor for at se eksempler på resultater af ultralydsemulgering af 10% vand i motorolie (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Tyskland). Denne undersøgelse blev udført af Behrend og Schubert (2000).

Ultralyd

Ved sonikering af væsker med høj intensitet medfører lydbølgerne, der udbreder sig i væskemediet, skiftende højtrykscyklusser (kompression) og lavtrykscyklusser (fortynding), som gentages med en hastighed, der afhænger af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne når et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation. Under implosionen opnås der lokalt meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000atm). Kavitationsboblens implosion medfører også væskestråler med hastigheder på op til 280m/s.

Det er dokumenteret, at ultralyd danner meget homogene emulsioner af vand i olie (w/o) og olie i vand (o/w) gennem de høje forskydningskræfter fra kavitationen. Da parametrene for sonikering kan styres præcist, kan partikelstørrelsen og størrelsesfordelingen justeres præcist og reproduceres. Typisk anvendes ultralyden i en gennemstrømningsreaktor. Derfor kan emulsionen fremstilles kontinuerligt inline. Af denne grund kan sonikering anvendes til fremstilling af stabiliserede og ustabiliserede emulsioner.

Tabellen nedenfor viser generelle behandlingskapaciteter ved forskellige ultralydseffekter.

Afgasning og skumdæmpning med ultralyd

Ultralyd bidrager også til at reducere mængden af luftbobler i emulsionsblandingen. Billedet til højre viser effekten af sonikering på bobleindholdet (billeder af forløbet med 5 sekunders mellemrum fra venstre mod højre). Da variationer i bobleindholdet medfører udsving i indsprøjtningstidspunktet, forbedrer afgasning, afluftning og skumdæmpning ved sonikering motorens ydeevne.

Ultralydsprocesudstyr

Hielscher er den førende leverandør af ultralydsapparater med høj kapacitet på verdensplan. Da Hielscher fremstiller ultralydsprocessorer med op til 16kW effekt pr. apparat, er der ingen grænse for anlægsstørrelsen eller behandlingskapaciteten. Grupper af flere 16kW-systemer bruges til fremstilling af store mængder brændstoffer, der kan anvendes direkte uden ændringer. Industriel brændstofbehandling kræver ikke meget ultralydsenergi. Det faktiske energibehov kan bestemmes ved hjælp af en 1kW-ultralydsprocessor i laboratorieskala på en bordopstilling. Alle resultater fra sådanne forsøg på bordopstillinger kan let opskaleres.

Omkostninger ved sonikering

Sonikering er en effektiv behandlingsteknologi. Omkostningerne ved ultralydsbehandling skyldes primært investeringen
i ultralydsapparater, forsyningsomkostninger og vedligeholdelse. Den fremragende energieffektivitet (se diagram) i Hielschers ultralydsapparater bidrager til at reducere forsyningsomkostningerne.

Litteratur

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Den kontinuerlige fases viskositets indflydelse på emulgering med ultralyd, i: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Virkninger af forbrænding af diesel/vand-emulsioner på dieselmotorers NO_x -emissioner, i: Kandidatspeciale indleveret til graduate school ved University of Florida, 1999.