NOx-päästöjen vähentäminen öljyn/veden emulgoinnin avulla

Typen oksidit (NO_x) tarkoitettujen aineiden tiedetään olevan välittömästi vaarallisia ihmisten ja ympäristön terveydelle. Liikkuvat ja kiinteät diesel- ja bensiinimoottorit vaikuttavat suurelta osin maailmanlaajuiseen NO: hon_x Päästöjä. Polttoaineen emulgointi vedellä on tapa vähentää NO: ta_x moottoreiden päästöt. Ultraääniemulgointi on tehokas keino tuottaa hienokokoisia polttoaine- / vesiemulsioita.

Autot ja kuorma-autot, lentokoneet, sähkögeneraattorit, trukit, ilmastointilaitteet ja kattilat tuottavat suuria määriä hiukkasia (PM) ja NO:ta_x polttamalla öljytuotteita. EI_x viittaa typpioksidin (NO) ja typpidioksidin (NO) seoksiin₂) sekä N₂O, EI₃, N₂O₄ ja N₂O₅. Typpioksidi ja typpidioksidi edistää matala-aktiivista otsonia, savusumua ja ovat vaarallisia ympäristölle ja ihmisille. Ympäristölainsäädännöllä puututaan ilman epäpuhtauspäästöihin Tiukentavat rajat. Moottorin päästöt sisältävät myös rikkidioksidin (SO₂) polttoaineessa olevien rikkiyhdisteiden seurauksena. Tätä ongelmaa vähentää rikinpoisto tai Ultraäänellä avustettu rikinpoisto.

Toimii polttoaine / vesiemulsiolla

Viime vuosina on tehty paljon työtä veden vaikutus NO: han_x päästöjen tasot. Erilaisia polttoaineen ja veden tilavuussuhteita välillä 1:1 - 19:1 on testattu palamisominaisuuksien suhteen. Useimmissa tapauksissa emulsion stabilointiin lisättiin 1-2 tilavuusprosentin pinta-aktiivista ainetta.

Taustaa palamisesta

Polttoaineen palaminen tuottaa lämpö- ja mekaanista energiaa. Mekaanista jaetta voidaan käyttää mäntien tai turbiinien käyttämiseen työntövoimaa tai sähköntuotantoa varten. Useimmissa moottoreissa lämpöenergiaa ei käytetä. Tämä johtaa pienempään termodynaamiseen hyötysuhteeseen.

Noin 90 % NO:sta_x polttoaineen palamisprosessista johtuva NO. NO muodostuu pääasiassa ilmakehän typen hapettumisesta (N₂). Polttoaineeseen lisätty vesi alentaa palamislämpötilaa veden haihtumisen vuoksi. Kun polttoaine-vesiemulsiossa oleva vesi haihtuu, myös ympäröivä polttoaine höyrystyy. Tämä lisää polttoaineen pinta-alaa. Alhaisempi lämpötila ja parempi polttoaineen jakautuminen johtavat NO: n pienempi muodostuminen_x.

Ultraääniemulgointi

Veden lisääminen polttoaineen palamiseen on osoitettu monissa töissä laske NO_x Päästöjä. Vettä voidaan lisätä muodostamalla polttoaine/vesiemulsio kahdella tavalla:

• epävakaa: veden inline-emulgointi polttoaineeseen ennen ruiskutusta
• vakautettu: Drop-in-polttoainevaihtoehtona käytettävän stabiilin polttoaine-vesiemulsion valmistus

Canfield (1999) tiivistää EI: n_x vähentäminen käyttämällä vettä ja muita lisäaineita:

• stabiloimaton emulsio
  • Lisätty vesi tilavuus-%: 10-80%
  • EI_x Vähennys seuraavasti: 4–60 %
• stabiloitu emulsio
  • lisätty vesi, tilavuus-%: 25-50%
  • EI_x Vähennys seuraavasti: 22–83 %

emulsio

Emulsio on seos, joka sisältää yleensä sekoittumattomat nesteet (vaiheet), kuten öljy ja vesi. Emulgointiprosessin aikana dispergointifaasi (esim. vesi) johdetaan nestefaasiin (esim. öljy). Soveltamalla korkea leikkaus, dispergointifaasin hiukkaskoko (= pisarakoko) pienenee. Mitä pienempi hiukkaskoko, sitä stabiilimpi on muodostunut emulsio. Lisästabiilisuus voidaan saavuttaa lisäämällä pinta-aktiivisia aineita tai stabilointiaineita. Napsauta yllä olevaa grafiikkaa nähdäksesi näytetulokset 10% veden ultraääniemulgoinnista moottoriöljyssä (Velocite 3, Mobil Oil, Hampuri, Saksa). Tämän tutkimuksen suoritti Behrend ja Schubert (2000).

Ultraääni

Kun sonikoidaan nesteitä suurilla intensiteeteillä, nestemäiseen väliaineeseen leviävät ääniaallot johtavat vuorotellen korkeapaineisiin (puristus) ja matalapaineisiin (harvinaisuus) sykleihin, joiden nopeudet riippuvat taajuudesta. Matalapainesyklin aikana korkean intensiteetin ultraääniaallot luovat pieniä tyhjiökuplia tai tyhjiöitä nesteeseen. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkeapainesyklin aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Luhistumisen aikana saavutetaan paikallisesti erittäin korkeat lämpötilat (noin 5 000 K) ja paineet (noin 2 000 atm). Kavitaatiokuplan luhistuminen johtaa myös nestesuihkuihin, joiden nopeus on jopa 280 m/s.

Ultraäänen on osoitettu tuottavan erittäin homogeeniset emulsiot vettä öljyssä (w/o) ja öljyä vedessä (o/w) korkea kavitaatioleikkaus. Koska ultrasonicationin parametrit ovat hyvin hallittavissa, hiukkaskoko ja jakautuminen ovat hyvin säädettävä ja toistettava. Tyypillisesti ultraääni levitetään virtaussolureaktorissa. Siksi emulsio voi olla tehty jatkuvasti linjassa. Tästä syystä ultrasonicationia voidaan käyttää stabiloitujen ja stabiloimattomien emulsioiden valmistukseen.

Alla olevassa taulukossa esitetään yleiset käsittelykapasiteetit eri ultraäänitehotasoille.

Ultraäänikaasunpoisto ja vaahdonpoisto

Ultraääni auttaa myös vähentää ilmakuplien määrää emulsioseoksessa. Oikealla oleva kuva näyttää ultrasonicationin vaikutuksen (5sek. edistymiskuvat vasemmalta oikealle) kuplasisältöön. Koska kuplasisällön vaihtelut aiheuttavat vaihteluita injektion ajoituksessa, kaasunpoisto, ilmanpoisto ja vaahdonpoisto Ultrasonication parantaa moottorin suorituskykyä.

Ultraääniprosessilaitteet

Hielscher on johtava suurikapasiteettisten ultraäänilaitteiden toimittajamaailmanlaajuinen. Koska Hielscher tekee ultraääniprosessoreita jopa 16kW Tehoa yksittäistä laitetta kohden, siellä on Ei rajoituksia kasvien koossa tai käsittelykapasiteetti. Useiden 16 kW:n järjestelmien klustereita käytetään suurten drop-in-polttoainemäärien valmistukseen. Teollisuuden polttoaineiden käsittely ei tarvitse paljon ultraäänienergiaa. Todellinen energiantarve voidaan määrittää käyttämällä 1 kW: n ultraääniprosessoria penkki-top-mittakaavassa. Kaikki tällaisten penkkikokeiden tulokset voivat olla skaalautuu helposti.

Ultrasonicationin kustannukset

Ultrasonication on tehokas käsittelytekniikka. Ultraäänikäsittelykustannukset johtuvat pääasiassa investoinnista
ultraäänilaitteille, käyttökustannuksille ja ylläpidolle. Erinomainen energiatehokkuus (ks. kaavio) Hielscherin ultraäänilaitteista auttaa vähentämään käyttökustannuksia.

Kirjallisuus

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Jatkuvan vaiheen viskositeetin vaikutus emulgointiin ultraäänellä, julkaisussa: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Diesel-vesiemulsion palamisen vaikutukset dieselmoottoriin NO_x Päästöt, julkaisussa: Pro Thesis esiteltiin Floridan yliopiston tutkijakoululle, 1999.