NOx-Reduktion durch Emulgieren von Öl/Wasser

Stickstoffoxide (NO_x) sind als unmittelbar gesundheitsgefährdend für Mensch und Umwelt bekannt. Mobile und stationäre Diesel- und Benzinmotoren tragen in hohem Maße zu den weltweiten NO_x Emissionen. Die Emulgierung des Kraftstoffs mit Wasser ist eine Möglichkeit zur Verringerung der NO_x Emissionen von Motoren. Die Ultraschallemulgierung ist ein wirksames Mittel zur Erzeugung feiner Kraftstoff-Wasser-Emulsionen.

Autos und Lastwagen, Flugzeuge, elektrische Generatoren, Gabelstapler, Klimaanlagen und Heizkessel erzeugen große Mengen an Feinstaub (PM) und NO_x durch die Verbrennung von Erdölprodukten. NEIN_x bezieht sich auf Gemische aus Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) als auch N₂O, NO₃, N₂O₄ und N₂O₅. Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid tragen zu niedrigem Ozon und Smog bei und sind gefährlich für die Umwelt und den Menschen. Die Umweltvorschriften betreffen die Emissionen von Luftschadstoffen durch Verschärfung der Grenzwerte. Die Motoremissionen umfassen auch Schwefeldioxid (SO₂) als Folge von Schwefelverbindungen im Kraftstoff. Dieses Problem wird durch Hydrodesulfurierung oder Ultraschall-unterstützte Entschwefelung.

Betrieb mit Kraftstoff/Wasser-Emulsion

In den letzten Jahren wurde viel Arbeit geleistet in Bezug auf die Einfluss von Wasser auf NO_x Emissionswerte. Die Verbrennungseigenschaften wurden an verschiedenen Kraftstoff-Wasser-Verhältnissen von 1:1 bis 19:1 getestet. In den meisten Fällen wurden 1 bis 2 Volumenprozent Tenside zur Emulsionsstabilisierung hinzugefügt.

Hintergrund zur Verbrennung

Bei der Verbrennung von Kraftstoff werden thermische und mechanische Energie erzeugt. Der mechanische Anteil kann zum Antrieb von Kolben oder Turbinen für den Vortrieb oder die Stromerzeugung verwendet werden. In den meisten Motoren wird die thermische Energie nicht genutzt. Dies führt zu einem niedrigeren thermodynamischen Wirkungsgrad.

Ca. 90 % der NO_x das bei der Verbrennung von Kraftstoffen entsteht, ist NO. NO entsteht in erster Linie durch die Oxidation von atmosphärischem Stickstoff (N₂). Das dem Kraftstoff zugesetzte Wasser senkt die Verbrennungstemperatur aufgrund der Wasserverdunstung. Wenn das Wasser in der Kraftstoff-Wasser-Emulsion verdampft, wird auch der umgebende Kraftstoff verdampft. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche des Kraftstoffs. Die niedrigere Temperatur und die bessere Verteilung des Kraftstoffs führen zu einer geringere Bildung von NO_x.

Ultraschall-gestütze Herstellung von Emulsionen

Die Einbringung von Wasser in die Kraftstoffverbrennung hat in vielen Arbeiten gezeigt, dass es senken die NO_x Emissionen. Das Wasser kann durch Bildung einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion auf zwei Arten zugegeben werden:

• unstabilisiert: Inline-Emulgierung von Wasser in den Kraftstoff vor der Einspritzung
• stabilisiert: Herstellung einer stabilen Kraftstoff-Wasser-Emulsion für die Verwendung als Drop-in-Kraftstoffalternative

Canfield (1999) fasst die NO_x Reduzierung durch die Verwendung von Wasser und anderen Zusatzstoffen:

• unstabilisierte Emulsion
  • Wasserzusatz Vol%: 10 bis 80%
  • Keine_x Reduzierung um: 4 bis 60%
• stabilisierte Emulsion
  • Wasserzusatz Vol%: 25 bis 50%
  • Keine_x Reduzierung um: 22 bis 83%

Emulsion

Eine Emulsion ist ein Gemisch aus im Allgemeinen nicht mischbare Flüssigkeiten (Phasen), wie z. B. Öl und Wasser. Bei der Emulgierung wird die disperse Phase (z. B. Wasser) in die flüssige Phase (z. B. Öl) eingebracht. Durch die Anwendung von hohe Scherungwird die Partikelgröße (= Tröpfchengröße) der dispersen Phase verringert. Je kleiner die Teilchengröße ist, desto stabiler ist die erzeugte Emulsion. Zusätzliche Stabilität kann durch die Zugabe von Tensiden oder Stabilisatoren erreicht werden. Klicken Sie auf die Grafik oben um Beispielergebnisse für die Ultraschall-Emulgierung von 10 % Wasser in Motoröl (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg Deutschland) zu sehen. Diese Studie wurde durchgeführt von Behrend und Schubert (2000).

Ultraschall

Bei einer intensiven Beschallung von Flüssigkeiten mit Hochleistungs-Ultraschaschall erzeugen die Schallwellen, die sich im flüssigen Medium ausbreiten, zu abwechselnden Hochdruck- (Kompression) und Niederdruckzyklen (Verdünnung). Der Wechsel zwischen Hochdruck- und Niederdruckzyklen wird von der Ultraschall-Frequenz bestimmt. Während des Niederdruckzyklus erzeugen die hochintensiven Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine weitere Energie mehr absorbieren können, kollabieren sie heftig während eines Hochdruckzyklus. Dieses Phänomen wird als akustische Kavitation bezeichnet. Bei der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5.000K) und Drücke (ca. 2.000atm) erreicht. Bei der Implosion der Kavitationsblase entstehen zudem hohe scherkräfte und Flüssigkeitsstrahlen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 280m/s.

Ultraschall erzeugt nachweislich sehr homogene Emulsionen von Wasser in Öl (w/o) und Öl in Wasser (o/w) durch den hohe Kavitationsscherung. Da die Parameter der Ultraschallbehandlung gut kontrollierbar sind, ist die Partikelgröße und -verteilung gut einstellbar und wiederholbar. Typischerweise wird der Ultraschall in einem Durchflusszellenreaktor angewendet. Daher kann die Emulsion kontinuierlich in-line hergestellt. Aus diesem Grund kann die Ultraschallbehandlung für die Herstellung von stabilisierten und nicht stabilisierten Emulsionen verwendet werden.

Die nachstehende Tabelle zeigt die allgemeinen Verarbeitungskapazitäten für verschiedene Ultraschall-Leistungsstufen.

Entgasung und Entschäumung mit Ultraschall

Ultraschall hilft auch bei die Menge der Luftblasen zu reduzieren in der Emulsionsmischung. Das Bild rechts zeigt die Auswirkung (5-Sekunden-Fortschrittsbilder von links nach rechts) der Ultraschallbehandlung auf den Blasengehalt. Da Schwankungen im Blasengehalt zu Schwankungen im Einspritzzeitpunkt führen, ist ein Entgasung, Entlüftung und Entschäumung durch Ultraschallbehandlung verbessert die Motorleistung.

Ultraschall-Prozessausrüstung

Hielscher ist der führender Anbieter von Hochleistungs-Ultraschallgerätenweltweit. Da Hielscher Ultraschallprozessoren von bis zu 16kW Leistung pro Einzelgerätgibt es keine Begrenzung der Pflanzengröße oder Verarbeitungskapazität. Cluster aus mehreren 16-kW-Anlagen werden für die Herstellung großer Mengen von Drop-in-Kraftstoffen eingesetzt. Industrielle Brennstoffverarbeitung braucht nicht viel Ultraschallenergie. Der tatsächliche Energiebedarf kann mit einem 1-kW-Ultraschallprozessor im Prüfstandsmaßstab ermittelt werden. Alle Ergebnisse aus solchen Versuchen im Labormaßstab können problemlos hochskaliert.

Kosten der Ultraschallbehandlung

Die Ultraschallbehandlung ist eine effektive Verarbeitungstechnologie. Die Kosten für die Ultraschallbearbeitung ergeben sich hauptsächlich aus der Investition
für Ultraschallgeräte, Betriebskosten und Wartung. Das Besondere Energieeffizienz (siehe Karte) von Hielscher-Ultraschallgeräten hilft, die Betriebskosten zu senken.

Literatur

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Der Einfluss der Viskosität der kontinuierlichen Phase auf die Emulgierung durch Ultraschall, in: Ultraschall Sonochemie 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Auswirkungen der Verbrennung von Diesel-Wasser-Emulsionen auf die NO_x Emissionen, in: Master Thesis presented to the graduate school of the University of Florida, 1999.