Μείωση των NOx μέσω γαλακτωματοποίησης ελαίου/νερού

Τα οξείδια του αζώτου (NO_x) είναι γνωστό ότι είναι άμεσα επικίνδυνα για την ανθρώπινη υγεία και την υγεία του περιβάλλοντος. Οι κινητοί και σταθεροί πετρελαιοκινητήρες και βενζινοκινητήρες συμβάλλουν σε μεγάλο βαθμό στις παγκόσμιες εκπομπές NO_x . Η γαλακτωματοποίηση του καυσίμου με νερό αποτελεί έναν τρόπο μείωσης των εκπομπών NO_x των κινητήρων. Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους αποτελεί αποτελεσματικό μέσο για την παραγωγή γαλακτωμάτων καυσίμου/νερού με μικρό μέγεθος σταγονιδίων.

Τα αυτοκίνητα και τα φορτηγά, τα αεροσκάφη, οι ηλεκτρογεννήτριες, τα περονοφόρα ανυψωτικά, οι μονάδες κλιματισμού και οι λέβητες παράγουν μεγάλες ποσότητες αιωρούμενων σωματιδίων (PM) και NO_x με την καύση πετρελαϊκών προϊόντων. Ο όρος NO_x αναφέρεται σε μείγματα μονοξειδίου του αζώτου (NO) και διοξειδίου του αζώτου (NO₂), καθώς και N₂O, NO₃, N₂O₄ και N₂O₅. Το μονοξείδιο του αζώτου και το διοξείδιο του αζώτου συμβάλλουν στον σχηματισμό όζοντος κοντά στο έδαφος και αιθαλομίχλης και είναι επικίνδυνα για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Η περιβαλλοντική νομοθεσία αντιμετωπίζει τις εκπομπές ατμοσφαιρικών ρύπων με αυστηροποίηση των ορίων. Οι εκπομπές των κινητήρων περιλαμβάνουν επίσης διοξείδιο του θείου (SO₂) λόγω των ενώσεων θείου που περιέχονται στο καύσιμο. Το πρόβλημα αυτό περιορίζεται με υδρογονοαποθείωση ή αποθείωση υποβοηθούμενη από υπερήχους.

Λειτουργία με γαλάκτωμα καυσίμου/νερού

Τα τελευταία χρόνια έχει διεξαχθεί εκτενής έρευνα σχετικά με την επίδραση του νερού στις εκπομπές NO_x και στα επίπεδά τους. Έχουν εξεταστεί διάφορες κατ’ όγκο αναλογίες καυσίμου:νερού, από 1:1 έως 19:1, ως προς τις ιδιότητες καύσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις προστέθηκε επιφανειοδραστική ουσία σε ποσοστό 1 έως 2 τοις εκατό κατ’ όγκο για τη σταθεροποίηση του γαλακτώματος.

Βασικές πληροφορίες για την καύση

Η καύση του καυσίμου παράγει θερμική και μηχανική ενέργεια. Το μηχανικό μέρος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση εμβόλων ή στροβίλων, με σκοπό την πρόωση ή την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στους περισσότερους κινητήρες, η θερμική ενέργεια δεν αξιοποιείται. Αυτό οδηγεί σε χαμηλότερη θερμοδυναμική απόδοση.

Περίπου το 90% των NO_x που προκύπτουν από τη διαδικασία καύσης του καυσίμου είναι NO. Το NO σχηματίζεται κυρίως από την οξείδωση του ατμοσφαιρικού αζώτου (N₂). Το νερό που προστίθεται στο καύσιμο μειώνει τη θερμοκρασία καύσης λόγω της εξάτμισής του. Όταν το νερό στο γαλάκτωμα καυσίμου/νερού εξατμίζεται, εξατμίζεται και το καύσιμο που το περιβάλλει. Αυτό αυξάνει το εμβαδόν της επιφάνειας του καυσίμου. Η χαμηλότερη θερμοκρασία και η καλύτερη κατανομή του καυσίμου οδηγούν σε μειωμένο σχηματισμό NO_x.

Γαλακτωματοποίηση με υπερήχους

Σε πολλές μελέτες έχει αποδειχθεί ότι η εισαγωγή νερού στην καύση του καυσίμου επιφέρει μείωση των NO_x που εκπέμπονται. Το νερό μπορεί να προστεθεί με τον σχηματισμό γαλακτώματος καυσίμου/νερού με δύο τρόπους:

• χωρίς σταθεροποίηση: γαλακτωματοποίηση του νερού στο καύσιμο εντός της γραμμής πριν από τον ψεκασμό
• με σταθεροποίηση: παραγωγή σταθερού γαλακτώματος καυσίμου/νερού για χρήση ως εναλλακτικού καυσίμου άμεσης αντικατάστασης

Canfield (1999) συνοψίζει τη μείωση των NO_x με τη χρήση νερού και άλλων προσθέτων:

• μη σταθεροποιημένο γαλάκτωμα
  • προστιθέμενο νερό κατ’ όγκο %: 10 έως 80%
  • NO_x – μείωση κατά: 4 έως 60%
• σταθεροποιημένο γαλάκτωμα
  • προστιθέμενο νερό κατ’ όγκο %: 25 έως 50%
  • NO_x – μείωση κατά: 22 έως 83%

Γαλάκτωμα

Ένα γαλάκτωμα είναι μείγμα υγρών που είναι γενικά μη αναμείξιμα (φάσεις), όπως το έλαιο και το νερό. Κατά τη διαδικασία γαλακτωματοποίησης, η διεσπαρμένη φάση (π.χ. νερό) εισάγεται στην υγρή φάση (π.χ. έλαιο). Με την εφαρμογή υψηλής διάτμησης, το μέγεθος των σωματιδίων (= μέγεθος σταγονιδίων) της διεσπαρμένης φάσης μειώνεται. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των σωματιδίων, τόσο σταθερότερο είναι το παραγόμενο γαλάκτωμα. Πρόσθετη σταθερότητα μπορεί να επιτευχθεί με την εισαγωγή επιφανειοδραστικών ουσιών ή σταθεροποιητών. Κάντε κλικ στο παραπάνω γραφικό για να δείτε ενδεικτικά αποτελέσματα της γαλακτωματοποίησης με υπερήχους 10% νερού σε λάδι κινητήρα (Velocite 3, Mobil Oil, Αμβούργο, Γερμανία). Η μελέτη αυτή διεξήχθη από τους Behrend και Schubert (2000).

Υπέρηχοι

Κατά την κατεργασία υγρών με υπερήχους υψηλής έντασης, τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται στα υγρά μέσα προκαλούν εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωσης), με ρυθμούς που εξαρτώνται από τη συχνότητα. Κατά τον κύκλο χαμηλής πίεσης, τα υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού ή κοιλότητες στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες φτάσουν σε όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται σπηλαίωση. Κατά την κατάρρευση αναπτύσσονται τοπικά πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm). Η κατάρρευση της φυσαλίδας σπηλαίωσης δημιουργεί επίσης πίδακες υγρού με ταχύτητα έως 280m/s.

Έχει αποδειχθεί ότι οι υπέρηχοι παράγουν πολύ ομοιογενή γαλακτώματα νερού σε έλαιο (w/o) και ελαίου σε νερό (o/w) μέσω της υψηλής διάτμησης που προκαλεί η σπηλαίωση. Καθώς οι παράμετροι της κατεργασίας με υπερήχους μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια, το μέγεθος των σωματιδίων και η κατανομή τους είναι ρυθμιζόμενα με ακρίβεια και αναπαραγώγιμα. Συνήθως, οι υπέρηχοι εφαρμόζονται σε αντιδραστήρα με κυψελίδα ροής. Επομένως, το γαλάκτωμα μπορεί να παράγεται συνεχώς εντός της γραμμής. Για τον λόγο αυτό, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή σταθεροποιημένων και μη σταθεροποιημένων γαλακτωμάτων.

Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τις γενικές δυναμικότητες επεξεργασίας για διάφορα επίπεδα ισχύος υπερήχων.

Απαέρωση και αποαφρισμός με υπερήχους

Οι υπέρηχοι συμβάλλουν επίσης στη μείωση της ποσότητας των φυσαλίδων αέρα στο μείγμα του γαλακτώματος. Η εικόνα στα δεξιά δείχνει την επίδραση της κατεργασίας με υπερήχους στην περιεκτικότητα σε φυσαλίδες (εικόνες της εξέλιξης ανά 5sec. από αριστερά προς τα δεξιά). Καθώς οι μεταβολές στην περιεκτικότητα σε φυσαλίδες προκαλούν διακυμάνσεις στον χρονισμό του ψεκασμού, η απαέρωση, η απομάκρυνση του αέρα και ο αποαφρισμός με κατεργασία με υπερήχους βελτιώνουν την απόδοση του κινητήρα.

Εξοπλισμός επεξεργασίας με υπερήχους

Η Hielscher είναι ο κορυφαίος προμηθευτής συσκευών υπερήχων υψηλής δυναμικότητας, παγκοσμίως. Καθώς η Hielscher κατασκευάζει επεξεργαστές υπερήχων με ισχύ έως 16kW ανά μεμονωμένη συσκευή, δεν υπάρχει όριο στο μέγεθος της εγκατάστασης ή στη δυναμικότητα επεξεργασίας. Συστοιχίες πολλών συστημάτων 16kW χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μεγάλων όγκων καυσίμων άμεσης αντικατάστασης. Η βιομηχανική επεξεργασία καυσίμων δεν απαιτεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας υπερήχων. Η πραγματική απαίτηση ενέργειας μπορεί να προσδιοριστεί με τη χρήση επεξεργαστή υπερήχων 1kW σε εργαστηριακή επιτραπέζια κλίμακα. Όλα τα αποτελέσματα αυτών των δοκιμών επιτραπέζιας κλίμακας μπορούν να μεταφερθούν εύκολα σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Κόστος κατεργασίας με υπερήχους

Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια αποτελεσματική τεχνολογία επεξεργασίας. Το κόστος της επεξεργασίας με υπερήχους προκύπτει κυρίως από την επένδυση
σε συσκευές υπερήχων, τις δαπάνες παροχών κοινής ωφέλειας και τη συντήρηση. Η εξαιρετική ενεργειακή απόδοση (βλ. διάγραμμα) των συσκευών υπερήχων της Hielscher συμβάλλει στη μείωση των δαπανών παροχών κοινής ωφέλειας.

Βιβλιογραφία

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Επίδραση του ιξώδους της συνεχούς φάσης στη γαλακτωματοποίηση με υπερήχους, στο: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Επιδράσεις της καύσης γαλακτώματος πετρελαίου κίνησης/νερού στις εκπομπές NO_x πετρελαιοκινητήρων, στο: Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία που υποβλήθηκε στη σχολή μεταπτυχιακών σπουδών του University of Florida, 1999.