NOx-päästöjen vähentäminen öljyn ja veden emulgoinnilla

Typen oksidien (NO_x) tiedetään olevan välittömästi vaarallisia ihmisten ja ympäristön terveydelle. Liikkuvat ja kiinteät diesel- ja bensiinimoottorit aiheuttavat suuren osan maailmanlaajuisista NO_x -päästöistä. Polttoaineen emulgointi veden kanssa on yksi tapa vähentää moottorien NO_x -päästöjä. Ultraääniemulgointi on tehokas keino valmistaa polttoaine-vesiemulsioita, joiden pisarakoko on pieni.

Henkilö- ja kuorma-autot, ilma-alukset, sähkögeneraattorit, trukit, ilmastointilaitteet ja kattilat tuottavat suuria määriä hiukkasia (PM) ja NO_x -yhdisteitä polttamalla öljytuotteita. NO_x tarkoittaa typpimonoksidin (NO) ja typpidioksidin (NO₂) seoksia sekä yhdisteitä N₂O, NO₃, N₂O₄ ja N₂O₅. Typpimonoksidi ja typpidioksidi edistävät alailmakehän otsonin ja savusumun muodostumista ja ovat vaarallisia ympäristölle ja ihmisille. Ympäristösääntelyssä puututaan ilman epäpuhtauspäästöihin tiukentamalla raja-arvoja. Moottorien päästöt sisältävät myös rikkidioksidia (SO₂) polttoaineen rikkiyhdisteiden vuoksi. Tätä ongelmaa vähennetään vedyn avulla tehtävällä rikinpoistolla tai ultraääniavusteisella rikinpoistolla.

Polttoaine-vesiemulsion käyttö

Viime vuosina on tutkittu paljon veden vaikutusta NO_x -päästötasoihin. Erilaisten polttoaineen ja veden tilavuussuhteiden 1:1–19:1 vaikutusta palamisominaisuuksiin on testattu. Useimmissa tapauksissa emulsion stabiloimiseksi lisättiin 1–2 tilavuusprosenttia pinta-aktiivista ainetta.

Taustatietoa palamisesta

Polttoaineen palaminen tuottaa lämpöenergiaa ja mekaanista energiaa. Mekaanista osuutta voidaan käyttää mäntien tai turbiinien käyttämiseen liikevoiman tai sähkön tuottamiseksi. Useimmissa moottoreissa lämpöenergiaa ei hyödynnetä. Tämä johtaa alhaisempaan termodynaamiseen hyötysuhteeseen.

Noin 90% polttoaineen palamisprosessissa syntyvistä NO_x -yhdisteistä on NO:ta. NO muodostuu pääasiassa ilmakehän typen (N₂) hapettuessa. Polttoaineeseen lisätty vesi alentaa palamislämpötilaa veden höyrystymisen vuoksi. Kun polttoaine-vesiemulsion vesi höyrystyy, myös ympäröivä polttoaine höyrystyy. Tämä kasvattaa polttoaineen pinta-alaa. Alhaisempi lämpötila ja polttoaineen parempi jakautuminen johtavat vähäisempään NO_{x-yhdisteiden muodostumiseen}.

Ultraääniemulgointi

Monissa tutkimuksissa on osoitettu, että veden lisääminen polttoaineen palamisprosessiin vähentää NO_x -päästöjä. Vesi voidaan lisätä muodostamalla polttoaine-vesiemulsio kahdella tavalla:

• stabiloimaton: veden emulgointi polttoaineeseen jatkuvassa virtauksessa ennen ruiskutusta
• stabiloitu: stabiilin polttoaine-vesiemulsion valmistaminen käytettäväksi vaihtoehtoisena polttoaineena ilman laitteistomuutoksia

Canfield (1999) esittää yhteenvedon NO_x -päästöjen vähentämisestä veden ja muiden lisäaineiden avulla:

• stabiloimaton emulsio
  • lisätty vesi vol%: 10–80%
  • NO_x -päästöjen vähenemä: 4–60%
• stabiloitu emulsio
  • lisätty vesi vol%: 25–50%
  • NO_x -päästöjen vähenemä: 22–83%

Emulsio

Emulsio on seos, joka koostuu yleensä toisiinsa sekoittumattomista nesteistä (faaseista), kuten öljystä ja vedestä. Emulgointiprosessissa dispergoitunut faasi (esim. vesi) lisätään nestefaasiin (esim. öljyyn). Käyttämällä voimakkaita leikkausvoimia dispergoituneen faasin hiukkaskokoa (= pisarakokoa) pienennetään. Mitä pienempi hiukkaskoko on, sitä stabiilimpi muodostunut emulsio on. Stabiilisuutta voidaan parantaa edelleen lisäämällä pinta-aktiivisia aineita tai stabilointiaineita. Napsauta yllä olevaa kuvaa nähdäksesi esimerkkituloksia ultraääniemulgoinnista, jossa moottoriöljyyn emulgoitiin 10% vettä (Velocite 3, Mobil Oil, Hampuri, Saksa). Tutkimuksen tekivät Behrend ja Schubert (2000).

Ultraääni

Kun nesteitä käsitellään voimakkaalla ultraäänellä, nestemäisessä väliaineessa etenevät ääniaallot aiheuttavat vuorottelevia korkeapainejaksoja (puristuminen) ja matalapainejaksoja (harventuminen), joiden toistumisnopeus riippuu taajuudesta. Matalapainejakson aikana voimakkaat ultraääniaallot synnyttävät nesteeseen pieniä tyhjiökuplia tai onteloita. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne luhistuvat voimakkaasti korkeapainejakson aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Luhistumisen aikana saavutetaan paikallisesti erittäin korkeita lämpötiloja (noin 5 000K) ja paineita (noin 2 000atm). Kavitaatiokuplan luhistuminen aiheuttaa myös nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 280m/s.

Ultraäänen on osoitettu tuottavan erittäin homogeenisia emulsioita , joissa vesi on dispergoituneena öljyyn (w/o) tai öljy veteen (o/w), kavitaation aiheuttamien voimakkaiden leikkausvoimien avulla. Koska ultraäänikäsittelyn parametrit ovat hyvin hallittavissa, hiukkaskoko ja kokojakauma ovat hyvin säädettävissä ja toistettavissa. Ultraääntä käytetään tavallisesti virtauskennoreaktorissa. Siksi emulsiota voidaan valmistaa jatkuvasti prosessivirrassa. Tästä syystä ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää stabiloitujen ja stabiloimattomien emulsioiden valmistamiseen.

Alla olevassa taulukossa esitetään yleiset käsittelykapasiteetit eri ultraäänitehoilla.

Kaasun- ja vaahdonpoisto ultraäänellä

Ultraääni auttaa myös vähentämään ilmakuplien määrää emulsioseoksessa. Oikealla oleva kuva näyttää ultraäänikäsittelyn vaikutuksen kuplapitoisuuteen (etenemiskuvat 5 sekunnin välein vasemmalta oikealle). Koska kuplapitoisuuden vaihtelut aiheuttavat vaihtelua ruiskutuksen ajoituksessa, kaasun-, ilman- ja vaahdonpoisto ultraäänikäsittelyllä parantaa moottorin suorituskykyä.

Ultraääniprosessilaitteet

Hielscher on suurikapasiteettisten ultraäänilaitteiden johtava toimittaja maailmanlaajuisesti. Koska Hielscher valmistaa ultraääniprosessoreita, joiden teho on jopa 16kW laitetta kohden, laitoksen koolla ei ole rajoituksia eikä käsittelykapasiteetilla. Useista 16kW:n järjestelmistä koostuvia laitekokonaisuuksia käytetään suurten polttoainemäärien valmistamiseen suoraan olemassa olevissa laitteistoissa käytettäviksi. Polttoaineen teollinen käsittely ei vaadi paljon ultraäänienergiaa. Todellinen energiantarve voidaan määrittää käyttämällä 1kW:n ultraääniprosessoria laboratoriopöytämittakaavassa. Kaikki tällaisten laboratoriopöytäkokeiden tulokset voidaan skaalata helposti suurempaan mittakaavaan.

Ultraäänikäsittelyn kustannukset

Ultraäänikäsittely on tehokas käsittelytekniikka. Ultraäänikäsittelyn kustannukset muodostuvat pääasiassa investoinneista
ultraäänilaitteisiin, käyttöhyödykkeiden kustannuksista ja kunnossapidosta. Erinomainen energiatehokkuus (katso kaavio) Hielscherin ultraäänilaitteissa auttaa vähentämään käyttöhyödykkeiden kustannuksia.

Kirjallisuus

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Jatkuvan faasin viskositeetin vaikutus ultraääniemulgointiin, julkaisussa: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Diesel-vesiemulsion palamisen vaikutukset dieselmoottorin NO_x -päästöihin, julkaisussa: Floridan yliopiston jatko-opintoyksikölle esitetty maisterintutkielma, 1999.