Réduction des NOx par émulsification huile/eau

Les oxydes d'azote (NO_x) sont connus pour être immédiatement dangereux pour la santé humaine et environnementale. Les moteurs diesel et à essence, mobiles et stationnaires, contribuent largement à l'augmentation mondiale des émissions de NO_x . L'émulsification du carburant avec de l'eau est un moyen de réduire les émissions de NO_x des moteurs. L'émulsification par ultrasons est un moyen efficace de générer des émulsions carburant/eau de taille fine.

Les voitures et les camions, les avions, les générateurs électriques, les chariots élévateurs à fourche, les climatiseurs et les chaudières génèrent de grandes quantités de particules (PM) et de NO_x par la combustion de produits pétroliers. NON_x désigne les mélanges de monoxyde d'azote (NO) et de dioxyde d'azote (NO₂) ainsi que N₂O, NO₃, N₂O₄ et N₂O₅. Oxyde nitrique et dioxyde nitrique contribuent à l'ozone de basse altitude, au smog et sont dangereux pour l'environnement et l'homme. La réglementation environnementale porte sur les émissions de polluants atmosphériques en des limites plus strictes. Les émissions des moteurs comprennent également le dioxyde de soufre (SO₂) en raison de la présence de composés sulfurés dans le carburant. Ce problème est atténué par l'hydrodésulfuration ou désulfuration assistée par ultrasons.

Fonctionnement à l'aide d'une émulsion carburant/eau

Ces dernières années, de nombreux travaux ont été consacrés à la l'influence de l'eau sur les NO_x et les niveaux d'émission. Différents rapports volumétriques carburant/eau de 1:1 à 19:1 ont été testés pour les propriétés de combustion. Dans la plupart des cas, un surfactant de 1 à 2 % en volume a été ajouté pour stabiliser l'émulsion.

Contexte de la combustion

La combustion du carburant génère de l'énergie thermique et mécanique. La fraction mécanique peut être utilisée pour entraîner des pistons ou des turbines pour la propulsion ou la production d'électricité. Dans la plupart des moteurs, l'énergie thermique n'est pas utilisée. Il en résulte un rendement thermodynamique plus faible.

Environ 90 % des émissions de NO_x résultant du processus de combustion des combustibles est le NO. Le NO est principalement formé par l'oxydation de l'azote atmosphérique (N₂). L'eau ajoutée au carburant abaisse la température de combustion en raison de l'évaporation de l'eau. Lorsque l'eau contenue dans l'émulsion carburant-eau s'évapore, le carburant environnant s'évapore également. Cela augmente la surface du carburant. La température plus basse et la meilleure répartition du carburant conduisent à une augmentation de la consommation de carburant. formation plus faible de NO_x.

Emulsification par ultrasons

De nombreux travaux ont montré que l'introduction d'eau dans la combustion des carburants permettait réduisent les émissions de NO_x émissions. L'eau peut être ajoutée en formant une émulsion carburant/eau de deux manières :

• non stabilisé : émulsification en ligne de l'eau dans le carburant avant l'injection
• stabilisée : la fabrication d'une émulsion stable carburant/eau destinée à être utilisée comme carburant de substitution

Canfield (1999) résume les émissions de NO_x réduction par l'utilisation d'eau et d'autres additifs :

• émulsion non stabilisée
  • eau ajoutée vol% : 10 à 80%
  • Non_x réduction par : 4 à 60%
• émulsion stabilisée
  • eau ajoutée vol% : 25 à 50%
  • Non_x réduction par : de 22 à 83%

émulsion

Une émulsion est un mélange de substances généralement liquides non miscibles (phases), comme l'huile et l'eau. Au cours du processus d'émulsification, la phase dispersée (par exemple l'eau) est introduite dans la phase liquide (par exemple l'huile). Par l'application de cisaillement élevéLa taille des particules (= taille des gouttelettes) de la phase dispersée est réduite. Plus la taille des particules est petite, plus l'émulsion générée est stable. Une stabilité supplémentaire peut être obtenue par l'introduction de tensioactifs ou de stabilisateurs. Cliquez sur le graphique ci-dessus pour voir les résultats de l'émulsification par ultrasons de 10 % d'eau dans de l'huile moteur (Velocite 3, Mobil Oil, Hambourg, Allemagne). Cette étude a été réalisée par Behrend et Schubert (2000).

ultrasons

Lors de la sonification de liquides à des intensités élevées, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), dont les taux dépendent de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume tel qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment au cours d'un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Lors de l'implosion, des températures (environ 5 000 K) et des pressions (environ 2 000 atm) très élevées sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation donne également lieu à des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280 m/s.

Il a été prouvé que les ultrasons génèrent émulsions très homogènes de l'eau dans l'huile (w/o) et de l'huile dans l'eau (o/w) par le cisaillement par cavitation élevé. Les paramètres de l'ultrasonisation étant bien contrôlables, la taille et la distribution des particules sont bien contrôlées. réglable et reproductible. Généralement, les ultrasons sont appliqués dans un réacteur à cellules d'écoulement. Par conséquent, l'émulsion peut être réalisé en continu en ligne. C'est pourquoi l'ultrasonication peut être utilisée pour la fabrication d'émulsions stabilisées et non stabilisées.

Le tableau ci-dessous indique les capacités de traitement générales pour différents niveaux de puissance ultrasonique.

Dégazage et démoussage par ultrasons

Les ultrasons aident également à réduire la quantité de bulles d'air dans le mélange d'émulsion. L'image de droite montre l'effet (images de progression de 5 secondes de gauche à droite) de l'ultrasonication sur la teneur en bulles. Comme les variations de la teneur en bulles entraînent des fluctuations du moment de l'injection, une dégazage, désaération et démoussage par ultrasons améliore les performances du moteur.

Équipement de traitement par ultrasons

Hielscher est le principal fournisseur d'appareils à ultrasons de grande capacitédans le monde entier. Comme Hielscher fabrique des processeurs à ultrasons allant jusqu'à 16kW puissance par appareil, il y a pas de limite à la taille de l'usine ou la capacité de traitement. Des groupes de plusieurs systèmes de 16 kW sont utilisés pour la fabrication de grandes quantités de carburants de substitution. Traitement des combustibles industriels n'a pas besoin de beaucoup d'énergie ultrasonique. Le besoin réel en énergie peut être déterminé à l'aide d'un processeur à ultrasons de 1 kW à l'échelle d'un banc d'essai. Tous les résultats de ces essais en laboratoire peuvent être utilisés pour déterminer les besoins en énergie. facilement extensible.

Coûts de l'ultrasonication

Les ultrasons sont une technologie de traitement efficace. Les coûts de traitement par ultrasons résultent principalement de l'investissement...
pour les appareils à ultrasons, les coûts des services publics et la maintenance. L'excellente l'efficacité énergétique (voir tableau) des appareils à ultrasons Hielscher contribue à réduire les coûts des services publics.

Littérature

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

Canfield, A., C. (1999) : Effets de la combustion d'une émulsion diesel-eau sur les émissions de NO_x Emissions, in : Thèse de maîtrise présentée à l'école supérieure de l'Université de Floride, 1999.