NOx-i vähendamine õli/vee emulgeerimise teel

Lämmastikoksiidid (NO_x) on teadaolevalt vahetult ohtlikud inimese tervisele ja keskkonnale. Mobiilsed ja statsionaarsed diisel- ja bensiinimootorid annavad suure osa ülemaailmsetest NO_x heitkogustest. Kütuse emulgeerimine veega on üks viis mootorite NO_x heite vähendamiseks. Ultraheliemulgeerimine on tõhus vahend peenedispersiooniliste kütuse/vee emulsioonide valmistamiseks.

Sõidu- ja veoautod, õhusõidukid, elektrigeneraatorid, kahveltõstukid, kliimaseadmed ja katlad tekitavad suurtes kogustes tahkeid osakesi (PM) ja NO_x naftasaaduste põletamisel. NO_x tähistab lämmastikmonooksiidi (NO) ja lämmastikdioksiidi (NO₂) segusid ning N₂O, NO₃, N₂O₄ ja N₂O₅. Lämmastikmonooksiid ja lämmastikdioksiid soodustavad madalamas õhukihis osooni ja smogi teket ning on ohtlikud keskkonnale ja inimestele. Keskkonnaregulatsioon käsitleb õhusaasteainete heidet piirnormide karmistamise kaudu. Mootorite heitgaasid sisaldavad ka vääveldioksiidi (SO₂) kütuses sisalduvate väävliühendite tõttu. Seda probleemi vähendatakse hüdrodesulfureerimise või ultraheliga toetatud desulfureerimise abil.

Töö kütuse/vee emulsiooniga

Viimastel aastatel on palju uuritud vee mõju NO_x heitetasemetele. Põlemisomaduste osas on katsetatud erinevaid kütuse ja vee mahusuhteid vahemikus 1:1 kuni 19:1. Enamikul juhtudel lisati emulsiooni stabiliseerimiseks 1 kuni 2 mahuprotsenti pindaktiivset ainet.

Taustteave põlemise kohta

Kütuse põletamisel tekib soojus- ja mehaaniline energia. Mehaanilist osa saab kasutada kolbide või turbiinide käitamiseks veo või elektritootmise jaoks. Enamikus mootorites soojusenergiat ei kasutata. See toob kaasa madalama termodünaamilise kasuteguri.

Umbes 90% kütuse põlemisel tekkivatest NO_x ühenditest on NO. NO moodustub peamiselt õhulämmastiku (N₂) oksüdeerumisel. Kütusele lisatud vesi alandab põlemistemperatuuri vee aurustumise tõttu. Kui vesi kütuse-vee emulsioonis aurustub, aurustub ka ümbritsev kütus. See suurendab kütuse pindala. Madalam temperatuur ja parem kütuse jaotumine toovad kaasa selle, et tekib vähem NO_x.

Ultraheliemulgeerimine

Paljudes töödes on näidatud, et vee viimine kütuse põlemisprotsessi vähendab NO_x heitkoguseid. Vett saab lisada kütuse/vee emulsiooni moodustamise teel kahel viisil:

• stabiliseerimata: vee inline-emulgeerimine kütusesse enne sissepritset
• stabiliseeritud: stabiilse kütuse/vee emulsiooni valmistamine, mida kasutatakse otseasendatava alternatiivkütusena (drop-in)

Canfield (1999) võtab kokku NO_x vähenemise vee ja muude lisandite kasutamisel:

• stabiliseerimata emulsioon
  • lisatud vee maht-%: 10 kuni 80%
  • NO_x vähenemine: 4 kuni 60%
• stabiliseeritud emulsioon
  • lisatud vee maht-%: 25 kuni 50%
  • NO_x vähenemine: 22 kuni 83%

Emulsioon

Emulsioon on tavaliselt segunematute vedelike (faaside) segu, näiteks õli ja vesi. Emulgeerimisprotsessi käigus viiakse dispersne faas (nt vesi) vedelasse faasi (nt õli). Rakendades suurt nihkejõudu, väheneb dispersse faasi osakeste suurus (= tilgasuurus). Mida väiksem on osakeste suurus, seda stabiilsem on tekkinud emulsioon. Lisastabiilsust saab saavutada pindaktiivsete ainete või stabilisaatorite lisamisega. Ülaltoodud graafikule klõpsates näete näidistulemusi 10% vee ultraheliemulgeerimisest mootoriõlis (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Saksamaa). Selle uuringu viisid läbi Behrend ja Schubert (2000).

Ultraheli

Kui vedelikke töödeldakse suure intensiivsusega ultrahelitega, tekitavad vedelikku levivad helilained vahelduvaid kõrgrõhu (kokkusurumise) ja madalrõhu (hõrenemise) tsükleid, mille kiirus sõltub sagedusest. Madalrõhutsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultrahelilained vedelikus väikesi vaakumimulle ehk tühimikke. Kui mullid saavutavad mahu, mille juures nad ei suuda enam energiat neelata, kukuvad nad kõrgrõhutsükli ajal vägivaldselt kokku. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Implosiooni ajal saavutatakse lokaalselt väga kõrged temperatuurid (ca 5 000K) ja rõhud (ca 2 000atm). Kavitatsioonimulli implosioon tekitab ka vedelikujugasid kiirusega kuni 280m/s.

Ultraheli on tõestatult võimeline tekitama väga homogeenseid emulsioone tüüpi vesi õlis (w/o) ja õli vees (o/w) tänu tugevale kavitatsioonilisele nihkejõule. Kuna ultraheli töötluse parameetreid on hästi võimalik kontrollida, on osakeste suurus ja jaotus hästi reguleeritav ja korratav. Tavaliselt rakendatakse ultraheli läbivoolukambriga reaktoris. Seetõttu saab emulsiooni valmistada pidevalt in-line. Sel põhjusel saab ultraheli töötlust kasutada nii stabiliseeritud kui ka stabiliseerimata emulsioonide valmistamiseks.

Alloleval tabelil on toodud üldised töötlusvõimsused erinevate ultraheli võimsustasemete jaoks.

Ultraheli abil toimuv degaseerimine ja vahu hävitamine

Ultraheli aitab ka vähendada õhumullide hulka emulsioonisegus. Paremal olev pilt näitab ultraheli töötluse mõju mullisisaldusele (5sek. vahega edenemispildid vasakult paremale). Kuna mullisisalduse kõikumine põhjustab sissepritse ajastuse kõikumist, parandab ultraheli töötlusega toimuv degaseerimine, õhueemaldus ja vahu hävitamine mootori jõudlust.

Ultraheli protsessiseadmed

Hielscher on ülemaailmselt suure jõudlusega ultraheliseadmete juhtiv tarnija. Kuna Hielscher valmistab ultraheliprotsessoreid võimsusega kuni 16kW ühe seadme kohta, ei ole tehase suurusel piiranguid ega töötlusvõimsusel. Mitmest 16kW süsteemist koosnevaid klastreid kasutatakse suurte koguste otseasendatavate kütuste valmistamiseks. Tööstuslik kütusetöötlus ei vaja palju ultraheli energiat. Tegelikku energiavajadust saab kindlaks teha 1kW ultraheliprotsessoriga laboriskaalas. Kõiki sellistest laborikatsetest saadud tulemusi saab hõlpsasti skaleerida.

Ultraheli töötluse kulud

Ultraheli töötlus on tõhus töötlustehnoloogia. Ultraheli töötluse kulud tulenevad peamiselt ultraheliseadmete
investeeringust, kommunaalkuludest ja hooldusest. Silmapaistev energiatõhusus (vt diagramm) aitab Hielscher ultraheliseadmetel kommunaalkulusid vähendada.

Kirjandus

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, väljaandes: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Diisli-vee emulsiooni põlemise mõju diiselmootorile NO_x Emissions, väljaandes: magistritöö, esitatud Florida Ülikooli kraadiõppe koolile, 1999.