Smanjenje NOx emulgiranjem ulje/voda

Dušikovi oksidi (NO_x) poznato je da su neposredno opasni za zdravlje ljudi i okoliša. Mobilni i stacionarni dizelski i benzinski motori uvelike pridonose svjetskom NO_x emisije. Emulgiranje goriva s vodom način je smanjenja NO_x emisije motora. Ultrazvučna emulgacija učinkovito je sredstvo za stvaranje finih emulzija goriva/vode.

Generiraju automobili i kamioni, zrakoplovi, električni generatori, viličari, klima uređaji i kotlovi velike količine čestica (PM) i NO_x izgaranjem naftnih derivata. NE_x odnosi se na smjese dušikovog oksida (NO) i dušikovog dioksida (NO₂) kao i N₂O, NE₃, N₂O₄ i N₂O₅. Dušikov oksid i dušikov dioksid doprinose niskoj razini ozona, smog te su opasni za okoliš i ljude. Propisi o zaštiti okoliša bave se emisijama onečišćujućih tvari u zrak pooštravanje granica. Emisije motora također uključuju sumporni dioksid (SO₂) kao rezultat spojeva sumpora u gorivu. Taj se problem smanjuje hidrodesulfurizacijom odn ultrazvučno potpomognuto odsumporavanje.

Radi na emulziji goriva/vode

Posljednjih godina mnogo se radilo na utjecaj vode na NO_x razine emisije. Različiti volumetrijski omjeri gorivo:voda od 1:1 do 19:1 testirani su na svojstva izgaranja. U većini slučajeva dodano je 1 do 2 volumna postotka surfaktanta za stabilizaciju emulzije.

Pozadina izgaranja

Izgaranjem goriva stvara se toplinska i mehanička energija. Mehanička se frakcija može koristiti za pogon klipova ili turbina za pogon ili proizvodnju električne energije. U većini motora toplinska energija se ne koristi. To rezultira nižom termodinamičkom učinkovitošću.

Cca. 90% od NO_x koji nastaje procesom izgaranja goriva je NE. NO primarno nastaje oksidacijom atmosferskog dušika (N₂). Voda dodana gorivu snižava temperaturu izgaranja zbog isparavanja vode. Kada voda u emulziji goriva i vode ispari, okolno gorivo također ispari. Time se povećava površina goriva. Niža temperatura i bolja raspodjela goriva dovode do a niže stvaranje NO_x.

Ultrazvučna emulgacija

Uvođenje vode u izgaranje goriva prikazano je u mnogim radovima smanjite NO_x emisije. Voda se može dodati stvaranjem emulzije gorivo/voda na dva načina:

• nestabilizirano: inline emulgiranje vode u gorivo prije ubrizgavanja
• stabilizirano: proizvodnja stabilne emulzije gorivo/voda koja će se koristiti kao alternativno gorivo

Canfield (1999) sažima NO_x smanjenje upotrebom vode i drugih dodataka:

• nestabilizirana emulzija
  • dodana voda vol%: 10 do 80%
  • NE_x smanjenje za: 4 do 60%
• stabilizirana emulzija
  • dodana voda vol%: 25 do 50%
  • NE_x smanjenje za: 22 do 83%

emulzija

Emulzija je općenito mješavina tekućine koje se ne miješaju (faze), kao što su ulje i voda. Tijekom procesa emulgiranja, disperzna faza (npr. voda) se uvodi u tekuću fazu (npr. ulje). Primjenom visoko smicanje, smanjuje se veličina čestica (= veličina kapljica) disperzne faze. Što je manja veličina čestica, to je stvorena emulzija stabilnija. Dodatna stabilnost može se postići uvođenjem surfaktanata ili stabilizatora. Kliknite na gornju grafiku vidjeti rezultate uzorka za ultrazvučnu emulzifikaciju 10% vode u motornom ulju (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg Njemačka). Ovo istraživanje proveo je Behrend i Schubert (2000.).

Ultrazvuk

Prilikom sonikiranja tekućina pri visokim intenzitetima, zvučni valovi koji se šire u tekući medij rezultiraju izmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), s brzinama koje ovise o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka, ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dostignu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, nasilno se kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ova pojava se naziva kavitacija. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (cca. 5000 K) i pritisci (cca. 2000 atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također rezultira tekućim mlazovima brzine do 280 m/s.

Ultrazvuk dokazano stvara vrlo homogene emulzije vode u ulju (w/o) i ulja u vodi (u/w) prema visoko kavitacijsko smicanje. Kako se parametri ultrazvučne obrade mogu dobro kontrolirati, veličina čestica i raspodjela je dobra prilagodljiv i ponovljiv. Obično se ultrazvuk primjenjuje u reaktoru s protočnim ćelijama. Stoga se emulzija može izrađen kontinuirano u liniji. Iz tog razloga, ultrazvuk se može koristiti za izradu stabiliziranih i nestabiliziranih emulzija.

Donja tablica prikazuje opće kapacitete obrade za različite razine ultrazvučne snage.

Ultrazvučno otplinjavanje i uklanjanje pjene

Ultrazvuk također pomaže smanjiti količinu mjehurića zraka u emulzijskoj smjesi. Slika s desne strane prikazuje učinak (5 sec. progres slike s lijeva na desno) ultrazvuka na sadržaj mjehurića. Budući da varijacije u sadržaju mjehurića uzrokuju fluktuacije u vremenu ubrizgavanja, a otplinjavanje, odzračivanje i uklanjanje pjene ultrazvukom poboljšava rad motora.

Ultrazvučna procesna oprema

Hielscher je vodeći dobavljač ultrazvučnih uređaja velikog kapaciteta, širom svijeta. Budući da Hielscher proizvodi ultrazvučne procesore do 16kW snage po jednom uređaju, tamo je nema ograničenja u veličini biljke odnosno kapaciteta obrade. Klasteri od nekoliko sustava od 16kW koriste se za proizvodnju velikih količina goriva za ubacivanje. Industrijska obrada goriva ne treba puno ultrazvučne energije. Stvarni zahtjev za energijom može se odrediti pomoću ultrazvučnog procesora od 1kW u stolnom mjerilu. Svi rezultati takvih ispitivanja na stolu mogu biti lako se povećao.

Troškovi ultrazvuka

Ultrasonication je učinkovita tehnologija obrade. Troškovi ultrazvučne obrade proizlaze uglavnom iz ulaganja
za ultrazvučne uređaje, troškove režija i održavanja. Izvanredan energetska učinkovitost (vidjeti grafikon) Hielscher ultrazvučnih uređaja pomaže smanjiti troškove komunalnih usluga.

Književnost

Behrend, O., Schubert, H. (2000.): Utjecaj viskoznosti kontinuirane faze na emulgiranje ultrazvukom, u: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Učinci izgaranja emulzije dizel-voda na dizelski motor NO_x Emisije, u: Magistarski rad prezentiran na postdiplomskom studiju Sveučilišta Florida, 1999.