NOx-csökkentés olaj/víz emulgeálással

A nitrogén-oxidok (NO_x) közismerten közvetlen veszélyt jelentenek az emberi egészségre és a környezet állapotára. A mobil és helyhez kötött dízel- és benzinmotorok nagymértékben hozzájárulnak a világ NO_x kibocsátott mennyiségéhez. Az üzemanyag vízzel történő emulgeálása a motorok NO_x kibocsátott mennyiségének csökkentésére szolgáló egyik módszer. Az ultrahangos emulgeálás hatékony eszköz a kis cseppméretű üzemanyag/víz emulziók előállítására.

A személygépkocsik és teherautók, repülőgépek, áramfejlesztők, targoncák, légkondicionáló berendezések és kazánok nagy mennyiségű szálló port (PM) és NO_x néven ismert nitrogén-oxidokat termelnek a kőolajtermékek elégetése során. Az NO_x a nitrogén-monoxid (NO) és a nitrogén-dioxid (NO₂), valamint az N₂O, NO₃, N₂O₄ és N₂O₅ keverékeit jelöli. A nitrogén-monoxid és a nitrogén-dioxid hozzájárul a talajközeli ózon és a szmog kialakulásához és veszélyes a környezetre és az emberekre. A környezetvédelmi szabályozás a légszennyező anyagok kibocsátását a határértékek szigorításával kezeli. A motorok kibocsátása az üzemanyagban található kénvegyületek miatt kén-dioxidot (SO₂) is tartalmaz. Ez a probléma hidrogénezéses kéntelenítéssel vagy ultrahanggal segített kéntelenítéssel mérsékelhető.

Üzemeltetés üzemanyag/víz emulzióval

Az elmúlt években számos kutatás vizsgálta a víz hatását a NO_x kibocsátott mennyiségére. Különböző, 1:1 és 19:1 közötti üzemanyag:víz térfogatarányok égési tulajdonságait tesztelték. A legtöbb esetben 1–2 térfogatszázalék felületaktív anyagot adtak hozzá az emulzió stabilizálására.

Az égés háttere

Az üzemanyag égése hőenergiát és mechanikai energiát termel. A mechanikai rész dugattyúk vagy turbinák hajtására használható fel járművek meghajtásához vagy villamosenergia-termeléshez. A legtöbb motorban a hőenergiát nem hasznosítják. Ez alacsonyabb termodinamikai hatásfokot eredményez.

Kb. 90%-ban NO-ból áll az üzemanyag égési folyamata során keletkező NO_x . Az NO elsősorban a légköri nitrogén (N₂) oxidációjával képződik. Az üzemanyaghoz adott víz párolgása csökkenti az égési hőmérsékletet. Amikor az üzemanyag-víz emulzióban lévő víz elpárolog, a környező üzemanyag is elpárolog. Ez növeli az üzemanyag felületét. Az alacsonyabb hőmérséklet és az üzemanyag jobb eloszlása miatt kisebb mennyiségben képződik NO_x.

Ultrahangos emulgeálás

Számos tanulmány kimutatta, hogy a víz bevitele az üzemanyag égési folyamatába csökkenti a NO_x kibocsátott mennyiségét. A víz kétféleképpen adható hozzá üzemanyag/víz emulzió kialakításával:

• nem stabilizált: a víz emulgeálása az üzemanyagba közvetlenül a folyamatban, a befecskendezés előtt
• stabilizált: stabil üzemanyag/víz emulzió előállítása, amely átalakítás nélkül használható alternatív üzemanyagként

Canfield (1999) a víz és más adalékanyagok alkalmazásával elérhető NO_x kibocsátott mennyiségének csökkentését a következőképpen foglalja össze:

• nem stabilizált emulzió
  • hozzáadott víz térfogat%-ban: 10–80%
  • NO_x mennyiségének csökkenése: 4–60%
• stabilizált emulzió
  • hozzáadott víz térfogat%-ban: 25–50%
  • NO_x mennyiségének csökkenése: 22–83%

Emulzió

Az emulzió általában egymással nem elegyedő folyadékok (fázisok), például olaj és víz keveréke. Az emulgeálás során a diszpergált fázist (pl. a vizet) a folyadékfázisba (pl. az olajba) juttatják. Nagy nyíróerők alkalmazásával csökkentik a diszpergált fázis részecskeméretét (= cseppméretét). Minél kisebb a részecskeméret, annál stabilabb az előállított emulzió. Felületaktív anyagok vagy stabilizálószerek hozzáadásával további stabilitás érhető el. Kattintson a fenti ábrára a motorolajba (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Németország) kevert 10% víz ultrahangos emulgeálásának példaként bemutatott eredményeiért. A vizsgálatot Behrend és Schubert (2000) végezte.

Ultrahang

Folyadékok nagy intenzitású ultrahangos kezelése során a folyadékközegben terjedő hanghullámok váltakozó nagynyomású (kompressziós) és kisnyomású (ritkulási) ciklusokat hoznak létre, amelyek ismétlődési üteme a frekvenciától függ. A kisnyomású ciklus során a nagy intenzitású ultrahanghullámok apró vákuumbuborékokat vagy üregeket hoznak létre a folyadékban. Amikor a buborékok olyan térfogatot érnek el, amelynél már nem képesek energiát elnyelni, egy nagynyomású ciklus során hevesen összeomlanak. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik. Az összeomlás során helyileg nagyon magas hőmérséklet (kb. 5 000K) és nyomás (kb. 2 000atm) alakul ki. A kavitációs buborék összeomlása emellett akár 280m/s sebességű folyadéksugarakat is létrehoz.

Bizonyított, hogy az ultrahang nagyon homogén emulziókat hoz létre vízből olajban (w/o), illetve olajból vízben (o/w), az erős kavitációs nyírás révén. Mivel az ultrahangos kezelés paraméterei jól szabályozhatók, a részecskeméret és a részecskeméret-eloszlás jól beállítható és reprodukálható. Az ultrahangot jellemzően átfolyó cellás reaktorban alkalmazzák. Ezért az emulzió folyamatosan, közvetlenül a folyamatban állítható elő. Emiatt az ultrahangos kezelés stabilizált és nem stabilizált emulziók előállítására egyaránt használható.

Az alábbi táblázat a különböző ultrahang-teljesítményszintekhez tartozó általános feldolgozási kapacitásokat mutatja.

Ultrahangos gáztalanítás és habmentesítés

Az ultrahang abban is segít, hogy csökkenjen a légbuborékok mennyisége az emulziókeverékben. A jobb oldali kép az ultrahangos kezelés buboréktartalomra gyakorolt hatását mutatja (balról jobbra haladva, 5sec. időközönként készült képeken). Mivel a buboréktartalom változásai ingadozásokat okoznak a befecskendezés időzítésében, az ultrahangos gáztalanítás, légtelenítés és habmentesítés javítja a motor teljesítményét.

Ultrahangos technológiai berendezések

A Hielscher a nagy kapacitású ultrahangos készülékek vezető szállítója világszerte. Mivel a Hielscher készülékenként akár 16kW teljesítményű ultrahangos processzorokat gyárt, ezért az üzem mérete nincs korlátozva és a feldolgozási kapacitás sem. Több 16kW-os rendszerből álló berendezéscsoportokat használnak nagy mennyiségű, átalakítás nélkül használható üzemanyag előállítására. Az ipari üzemanyag-feldolgozás nem igényel sok ultrahangos energiát. A tényleges energiaigény egy 1kW-os ultrahangos processzorral, laborasztali léptékben határozható meg. Az ilyen laborasztali kísérletek valamennyi eredménye könnyen átültethető nagyobb léptékre.

Az ultrahangos kezelés költségei

Az ultrahangos kezelés hatékony feldolgozási technológia. Az ultrahangos feldolgozás költségei főként az ultrahangos készülékek beszerzési költségéből, a közüzemi költségekből és a karbantartásból adódnak. A készülékek kiemelkedő energiahatékonysága (lásd az ábrát) segít csökkenteni a Hielscher ultrahangos készülékek közüzemi költségeit.

Szakirodalom

Behrend, O., Schubert, H. (2000): A folytonos fázis viszkozitásának hatása az ultrahangos emulgeálásra, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): A dízelüzemanyag-víz emulzió égésének hatásai a dízelmotorok NO_x kibocsátott mennyiségére, in: a Floridai Egyetem posztgraduális képzést végző karához benyújtott mesterszakos diplomamunka, 1999.