Réduction des NOx par émulsification huile/eau

Les oxydes d’azote (NO_x) sont connus pour présenter un danger immédiat pour la santé humaine et l’environnement. Les moteurs diesel et à essence, mobiles et stationnaires, contribuent largement aux émissions mondiales de NO_x . L’émulsification du carburant avec de l’eau permet de réduire les émissions de NO_x des moteurs. L’émulsification par ultrasons est un moyen efficace de produire des émulsions carburant/eau à fines gouttelettes.

Les voitures et les camions, les aéronefs, les générateurs électriques, les chariots élévateurs, les climatiseurs et les chaudières génèrent de grandes quantités de particules (PM) et de NO_x par la combustion de produits pétroliers. Les NO_x désignent des mélanges de monoxyde d’azote (NO) et de dioxyde d’azote (NO₂), ainsi que de N₂O, NO₃, N₂O₄ et N₂O₅. Le monoxyde d’azote et le dioxyde d’azote contribuent à la formation d’ozone près du sol et de smog et sont dangereux pour l’environnement et les êtres humains. La réglementation environnementale encadre les émissions de polluants atmosphériques en renforçant les limites. Les émissions des moteurs comprennent également du dioxyde de soufre (SO₂) en raison des composés soufrés présents dans le carburant. Ce problème est atténué par l’hydrodésulfuration ou la désulfuration assistée par ultrasons.

Fonctionnement avec une émulsion carburant/eau

Ces dernières années, de nombreux travaux ont porté sur l’ influence de l’eau sur les niveaux d’émission de NO_x . Les propriétés de combustion ont été étudiées pour différents rapports volumiques carburant:eau allant de 1:1 à 19:1. Dans la plupart des cas, 1 à 2 pour cent en volume de tensioactif ont été ajoutés pour stabiliser l’émulsion.

Notions fondamentales sur la combustion

La combustion du carburant génère de l’énergie thermique et mécanique. La fraction mécanique peut servir à 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 NO_x issus du processus de combustion du carburant sont du NO. Le NO se forme principalement par oxydation de l’azote atmosphérique (N₂). L’eau ajoutée au carburant abaisse la température de combustion grâce à son évaporation. Lorsque l’eau contenue dans l’émulsion carburant/eau s’évapore, le carburant environnant se vaporise également. Cela augmente la surface du carburant. La température plus basse et la meilleure répartition du carburant entraînent une réduction de la formation de NO_x.

Émulsification par ultrasons

De nombreux travaux ont montré que l’introduction d’eau dans la combustion du carburant permet de réduire les NO_x émis. L’eau peut être ajoutée en formant une émulsion carburant/eau de deux façons :

• non stabilisée : émulsification en ligne de l’eau dans le carburant avant l’injection
• stabilisée : fabrication d’une émulsion carburant/eau stable utilisable comme carburant de remplacement sans modification du moteur

Canfield (1999) résume la réduction des NO_x obtenue grâce à l’utilisation d’eau et d’autres additifs :

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

Émulsion

Une émulsion est un mélange de liquides généralement non miscibles (phases), tels que l’huile et l’eau. Au cours de l’émulsification, la phase dispersée (par exemple l’eau) est introduite dans la phase liquide (par exemple l’huile). L’application d’un cisaillement élevé réduit la taille des particules (= taille des gouttelettes) de la phase dispersée. Plus la taille des particules est petite, plus l’émulsion produite est stable. L’ajout de tensioactifs ou de stabilisants peut accroître sa stabilité. Cliquez sur le graphique ci-dessus pour consulter des exemples de 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 menée par Behrend et Schubert (2000).

Ultrasons

Lors de la sonication de liquides à haute intensité, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide produisent une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), à une cadence qui dépend de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des cavités dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume auquel elles ne peuvent plus absorber d’énergie, elles s’effondrent violemment pendant un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Lors de l’implosion, des températures très élevées (environ 5 000K) et des pressions très élevées (environ 2 000atm) sont atteintes localement. L’implosion de la bulle de cavitation produit également des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280m/s.

Il a été démontré que les ultrasons produisent des émulsions très homogènes d’eau dans l’huile (w/o) et d’huile dans l’eau (o/w) grâce au cisaillement élevé dû à la cavitation. Comme les paramètres de la sonication sont bien maîtrisables, la taille des particules et leur distribution peuvent être réglées avec précision et reproduites. Les ultrasons sont généralement appliqués dans un réacteur à cellule à circulation. L’émulsion peut donc être produite en continu, en ligne. La sonication peut ainsi être utilisée pour fabriquer des émulsions stabilisées et non stabilisées.

Le tableau ci-dessous présente les capacités générales de traitement pour différents niveaux de puissance ultrasonore.

Dégazage et démoussage par ultrasons

Les ultrasons contribuent également à réduire la quantité de bulles d’air dans le mélange émulsionné. L’image de droite montre l’effet de la sonication sur la teneur en bulles (images de l’évolution à intervalles de 5sec., de gauche à droite). Comme les variations de la teneur en bulles entraînent des fluctuations du moment d’injection, le dégazage, la désaération et le démoussage par sonication améliorent les performances du moteur.

Équipements de traitement par ultrasons

Hielscher est le premier fournisseur mondial d’appareils à ultrasons de grande capacité. Comme Hielscher fabrique des processeurs à ultrasons pouvant atteindre 16kW de puissance par appareil, il n’existe aucune limite à la taille des installations ou à leur capacité de traitement. Des ensembles de plusieurs systèmes de 16kW sont utilisés pour fabriquer de grands volumes de carburants de remplacement utilisables sans modification du moteur. Le traitement industriel des carburants nécessite peu d’énergie ultrasonore. Le besoin réel en énergie peut être déterminé à l’aide d’un processeur à ultrasons de 1kW à l’échelle du laboratoire. Tous les résultats de ces essais en laboratoire peuvent être facilement transposés à l’échelle industrielle.

Coûts de la sonication

La sonication est une technologie de traitement efficace. Les coûts du traitement par ultrasons proviennent principalement de l’investissement
dans les appareils à ultrasons, des coûts des utilités et de la maintenance. L’excellent rendement énergétique (voir le graphique) des appareils à ultrasons Hielscher contribue à réduire les coûts des utilités.

Références bibliographiques

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.