Riduzione degli NOx mediante emulsionamento olio/acqua

Gli ossidi di azoto (NO_x) sono noti per essere immediatamente pericolosi per la salute umana e ambientale. I motori mobili e fissi, diesel e a benzina, contribuiscono in larga misura all'emissione di NO_x emissioni. L'emulsione del carburante con acqua è un modo per ridurre le emissioni di NO_x dei motori. L'emulsificazione a ultrasuoni è un mezzo efficace per generare emulsioni di carburante/acqua di dimensioni ridotte.

Auto e camion, aeromobili, generatori elettrici, carrelli elevatori, unità di condizionamento e caldaie generano grandi quantità di particolato (PM) e di NO_x dalla combustione di prodotti petroliferi. NO_x si riferisce a miscele di ossido di azoto (NO) e biossido di azoto (NO₂) e N₂O, NO₃, N₂O₄ e N₂O₅. Ossido nitrico e biossido di azoto contribuiscono all'ozono di basso livello, allo smog e sono pericolosi per l'ambiente e per l'uomo. La regolamentazione ambientale affronta le emissioni di inquinanti atmosferici mediante inasprimento dei limiti. Le emissioni del motore comprendono anche il biossido di zolfo (SO₂) a causa dei composti di zolfo presenti nel carburante. Questo problema viene ridotto con l'idrodesolforazione o la desolforazione assistita da ultrasuoni.

Funzionamento con emulsione di carburante/acqua

Negli ultimi anni è stato fatto molto lavoro sulla influenza dell'acqua su NO_x livelli di emissione. Sono stati testati diversi rapporti volumetrici carburante/acqua, da 1:1 a 19:1, per verificare le proprietà di combustione. Nella maggior parte dei casi è stato aggiunto dall'1 al 2% in volume di tensioattivo per stabilizzare l'emulsione.

Informazioni sulla combustione

La combustione del combustibile genera energia termica e meccanica. La frazione meccanica può essere utilizzata per azionare pistoni o turbine per la propulsione o la generazione di elettricità. Nella maggior parte dei motori, l'energia termica non viene utilizzata. Ciò comporta una minore efficienza termodinamica.

Circa il 90% delle emissioni di NO_x risultante dal processo di combustione del combustibile è l'NO. L'NO si forma principalmente dall'ossidazione dell'azoto atmosferico (N₂). L'acqua aggiunta al carburante abbassa la temperatura di combustione grazie all'evaporazione dell'acqua. Quando l'acqua nell'emulsione carburante-acqua evapora, anche il carburante circostante viene vaporizzato. Ciò aumenta la superficie del carburante. La temperatura più bassa e la migliore distribuzione del combustibile determinano una minore formazione di NO_x.

emulsione ad ultrasuoni

In molti lavori è stato dimostrato che l'introduzione dell'acqua nella combustione del carburante abbassare il livello di NO_x emissioni. L'acqua può essere aggiunta formando un'emulsione carburante/acqua in due modi:

• non stabilizzato: emulsione in linea dell'acqua nel carburante prima dell'iniezione
• stabilizzato: produzione di un'emulsione stabile di carburante/acqua da utilizzare come carburante alternativo drop-in

Canfield (1999) riassume i valori di NO_x riduzione grazie all'uso di acqua e altri additivi:

• emulsione non stabilizzata
  • acqua aggiunta in vol: da 10 a 80%
  • No_x riduzione da parte di: Da 4 a 60%
• emulsione stabilizzata
  • acqua aggiunta in vol: da 25 a 50%
  • No_x riduzione da parte di: Dal 22 all'83%

Emulsione

Un'emulsione è una miscela di sostanze generalmente liquidi immiscibili (fasi), come olio e acqua. Durante il processo di emulsione, la fase dispersa (ad esempio l'acqua) viene introdotta nella fase liquida (ad esempio l'olio). Con l'applicazione di alto taglio, la dimensione delle particelle (= dimensione delle gocce) della fase dispersa si riduce. Più piccola è la dimensione delle particelle, più stabile è l'emulsione generata. Una maggiore stabilità può essere ottenuta con l'introduzione di tensioattivi o stabilizzatori. Fare clic sul grafico qui sopra per vedere i risultati dell'emulsione a ultrasuoni del 10% di acqua in olio motore (Velocite 3, Mobil Oil, Amburgo, Germania). Questo studio è stato condotto da Behrend e Schubert (2000).

Ultrasuono

Quando si sonicano i liquidi ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel mezzo liquido danno luogo a cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con velocità che dipendono dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume tale da non poter più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è definito cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (circa 5.000K) e pressioni (circa 2.000atm) molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione provoca anche getti di liquido con velocità fino a 280m/s.

È stato dimostrato che gli ultrasuoni generano emulsioni molto omogenee di acqua nell'olio (w/o) e di olio nell'acqua (o/w) mediante la elevato taglio cavitazionale. Poiché i parametri dell'ultrasonicazione sono ben controllabili, la dimensione e la distribuzione delle particelle sono ben controllate. regolabile e ripetibile. In genere, gli ultrasuoni vengono applicati in un reattore a celle di flusso. Pertanto, l'emulsione può essere realizzati in linea in modo continuo. Per questo motivo, gli ultrasuoni possono essere utilizzati per la produzione di emulsioni stabilizzate e non stabilizzate.

La tabella seguente mostra le capacità di lavorazione generali per vari livelli di potenza degli ultrasuoni.

Degassificazione e antischiuma a ultrasuoni

Gli ultrasuoni aiutano anche a ridurre la quantità di bolle d'aria nella miscela di emulsione. L'immagine a destra mostra l'effetto (immagini in progressione di 5 secondi da sinistra a destra) degli ultrasuoni sul contenuto di bolle. Poiché le variazioni del contenuto di bolle causano fluttuazioni nella tempistica dell'iniezione, un degassificazione, disaerazione e defoamazione mediante ultrasuoni migliora le prestazioni del motore.

Apparecchiature di processo a ultrasuoni

Hielscher è il fornitore leader di dispositivi a ultrasuoni ad alta capacitàin tutto il mondo. Hielscher produce processori a ultrasuoni fino a 16kW potenza per singolo dispositivo, c'è nessun limite alle dimensioni dell'impianto o capacità di lavorazione. Cluster di diversi sistemi da 16 kW vengono utilizzati per la produzione di grandi volumi di carburanti drop-in. Lavorazione di combustibili industriali non ha bisogno di molta energia ultrasonica. Il fabbisogno energetico effettivo può essere determinato utilizzando un processore a ultrasuoni da 1 kW in scala da banco. Tutti i risultati di queste prove su banco possono essere produzione su scala industriale.

Costi dell'ultrasonorizzazione

L'ultrasonicazione è una tecnologia di lavorazione efficace. I costi della lavorazione a ultrasuoni derivano principalmente dall'investimento
per i dispositivi a ultrasuoni, i costi delle utenze e la manutenzione. L'eccezionale efficienza energetica (vedi grafico) dei dispositivi a ultrasuoni Hielscher contribuisce a ridurre i costi delle utenze.

Letteratura

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influenza della viscosità della fase continua sull'emulsionamento mediante ultrasuoni, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Effetti della combustione di un'emulsione di acqua e gasolio sui livelli di NO_x Emissioni, in: Tesi di Master presentata alla scuola di specializzazione dell'Università della Florida, 1999.