הפחתת NOx באמצעות תחלוב שמן/מים

תחמוצות חנקן (NO_x) ידועות כמסוכנות באופן מיידי לבריאות האדם והסביבה. מנועי דיזל ובנזין ניידים ונייחים תורמים במידה רבה לפליטות NO_x ברחבי העולם. תחלוב הדלק עם מים הוא דרך להפחית את פליטות NO_x ממנועים. תחלוב אולטרסוני הוא אמצעי יעיל ליצירת תחליבי דלק/מים בעלי טיפות זעירות.

מכוניות ומשאיות, כלי טיס, גנרטורים חשמליים, מלגזות, יחידות מיזוג אוויר ודוודים מייצרים כמויות גדולות של חומר חלקיקי (PM) ושל NO_x באמצעות שרפת מוצרי נפט. NO_x הוא מונח המתייחס לתערובות של חנקן חד־חמצני (NO) וחנקן דו־חמצני (NO₂) וכן N₂O, NO₃, N₂O₄ ו־N₂O₅. חנקן חד־חמצני וחנקן דו־חמצני תורמים להיווצרות אוזון בגובה פני הקרקע וערפיח ומסוכנים לסביבה ולבני אדם. האסדרה הסביבתית מתמודדת עם פליטות מזהמי האוויר באמצעות החמרת מגבלות הפליטה. פליטות המנועים כוללות גם גופרית דו־חמצנית (SO₂) כתוצאה מתרכובות גופרית בדלק. בעיה זו מצטמצמת באמצעות הסרת גופרית במימן או הסרת גופרית בסיוע אולטרסאונד.

הפעלה באמצעות תחליב דלק/מים

בשנים האחרונות נעשתה עבודה רבה בנושא השפעת המים על רמות הפליטה של NO_x . נבדקו תכונות הבעירה של יחסים נפחיים שונים של דלק:מים, מ־1:1 עד 19:1. ברוב המקרים נוסף חומר פעיל שטח בשיעור של 1 עד 2 אחוזים בנפח לייצוב התחליב.

רקע על בעירה

שרפת דלק מייצרת אנרגיה תרמית ומכנית. החלק המכני יכול לשמש להנעת בוכנות או טורבינות לצורכי הנעה או ייצור חשמל. ברוב המנועים האנרגיה התרמית אינה מנוצלת. התוצאה היא נצילות תרמודינמית נמוכה יותר.

כ־90% מתחמוצות החנקן NO_x הנוצרות בתהליך שרפת הדלק הן NO. ה־NO נוצר בעיקר מחמצון החנקן שבאטמוספרה (N₂). מים המוספים לדלק מורידים את טמפרטורת הבעירה עקב התאדותם. כאשר המים בתחליב הדלק והמים מתאדים, גם הדלק שסביבם מתאדה. הדבר מגדיל את שטח הפנים של הדלק. הטמפרטורה הנמוכה יותר ופיזור הדלק המשופר מובילים להיווצרות מופחתת של NO_x.

תחלוב אולטרסוני

מחקרים רבים הראו שהוספת מים לתהליך שרפת הדלק יכולה להפחית את פליטות NO_x . ניתן להוסיף את המים באמצעות יצירת תחליב דלק/מים בשתי דרכים:

• ללא ייצוב: תחלוב מים בתוך הדלק בקו התהליך לפני ההזרקה
• עם ייצוב: ייצור תחליב דלק/מים יציב לשימוש כתחליף דלק שאינו מצריך התאמות

Canfield (1999) מסכם את הפחתת NO_x באמצעות שימוש במים ובתוספים אחרים:

• תחליב לא מיוצב
  • מים שנוספו ב־vol%: 10 עד 80%
  • הפחתת NO_x בשיעור: 4 עד 60%
• תחליב מיוצב
  • מים שנוספו ב־vol%: 25 עד 50%
  • הפחתת NO_x בשיעור: 22 עד 83%

תחליב

תחליב הוא תערובת של נוזלים שבדרך כלל אינם מתערבבים זה בזה (פאזות), כגון שמן ומים. במהלך התחלוב מוחדרת הפאזה המפוזרת (למשל מים) לפאזה הנוזלית (למשל שמן). באמצעות הפעלת כוחות גזירה חזקים, גודל החלקיקים (= גודל הטיפות) של הפאזה המפוזרת מצטמצם. ככל שגודל החלקיקים קטן יותר, כך התחליב שנוצר יציב יותר. ניתן להשיג יציבות נוספת באמצעות הוספת חומרים פעילי שטח או מייצבים. לחצו על התרשים שלמעלה כדי לראות תוצאות לדוגמה של תחלוב אולטרסוני של 10% מים בשמן מנוע (Velocite 3, Mobil Oil, המבורג, גרמניה). מחקר זה נערך על ידי Behrend ו־Schubert (2000).

אולטרסאונד

בעת סוניקציה של נוזלים בעוצמות גבוהות, גלי הקול המתפשטים בתווך הנוזלי יוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (קלישה), בקצב התלוי בתדירות. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה יוצרים בועות ריק קטנות או חללים בנוזל. כאשר הבועות מגיעות לנפח שבו אינן יכולות עוד לספוג אנרגיה, הן קורסות בעוצמה במהלך מחזור לחץ גבוה. תופעה זו מכונה קוויטציה. במהלך הקריסה מושגות באופן מקומי טמפרטורות גבוהות מאוד (כ־5,000K) ולחצים גבוהים מאוד (כ־2,000atm). קריסת בועת הקוויטציה יוצרת גם סילוני נוזל במהירות של עד 280m/s.

הוכח שאולטרסאונד מייצר תחליבים הומוגניים מאוד של מים בשמן (w/o) ושל שמן במים (o/w) באמצעות כוחות גזירה חזקים הנובעים מקוויטציה. מאחר שניתן לשלוט היטב בפרמטרים של הסוניקציה, גודל החלקיקים והתפלגותם ניתנים לכוונון ולשחזור ברמה גבוהה. בדרך כלל האולטרסאונד מופעל בכור בעל תא זרימה. לכן ניתן לייצר את התחליב ברציפות בקו התהליך. מסיבה זו ניתן להשתמש בסוניקציה לייצור תחליבים מיוצבים ולא מיוצבים.

הטבלה שלהלן מציגה תפוקות עיבוד כלליות ברמות הספק אולטרסוני שונות.

סילוק גזים וקצף באמצעות אולטרסאונד

אולטרסאונד מסייע גם להפחית את כמות בועות האוויר בתערובת התחליב. התמונה מימין מציגה את השפעת הסוניקציה על תכולת הבועות (תמונות התקדמות במרווחים של 5 שניות משמאל לימין). מאחר ששינויים בתכולת הבועות גורמים לתנודות בתזמון ההזרקה, סילוק גזים, אוויר וקצף באמצעות סוניקציה משפר את ביצועי המנוע.

ציוד אולטרסוני לתהליכים

Hielscher היא הספקית המובילה של מכשירים אולטרסוניים בעלי תפוקה גבוהה ברחבי העולם. מאחר ש־Hielscher מייצרת מעבדים אולטרסוניים בעלי הספק של עד 16kW למכשיר יחיד, אין מגבלה על גודל המפעל או על תפוקת העיבוד. מערכים של כמה מערכות בהספק 16kW משמשים לייצור כמויות גדולות של דלקים שאינם מצריכים התאמות. עיבוד דלק תעשייתי אינו דורש אנרגיה אולטרסונית רבה. ניתן לקבוע את דרישת האנרגיה בפועל באמצעות מעבד אולטרסוני בהספק 1kW בקנה מידה שולחני. את כל התוצאות מניסויים שולחניים כאלה ניתן להעביר בקלות לקנה מידה גדול יותר.

עלויות הסוניקציה

סוניקציה היא טכנולוגיית עיבוד יעילה. עלויות העיבוד האולטרסוני נובעות בעיקר מההשקעה
במכשירים אולטרסוניים, מעלויות תשתיות ושירותים ומתחזוקה. היעילות יוצאת הדופן מבחינת נצילות אנרגטית (ראו תרשים) של המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מסייעת להפחית את עלויות התשתיות והשירותים.

ספרות מקצועית

Behrend, O., Schubert, H. (2000): השפעת צמיגות הפאזה הרציפה על תחלוב באמצעות אולטרסאונד, בתוך: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): השפעות בעירת תחליב דיזל ומים על פליטות NO_x ממנוע דיזל, בתוך: עבודת גמר לתואר שני שהוגשה לבית הספר ללימודים מתקדמים של אוניברסיטת פלורידה, 1999.