NOx-Reduktioun duerch Ueleg/Waasser-Emulgéierung

Stéckstoffoxiden (NO_x) si bekannt dofir, datt se eng direkt Gefor fir d’Gesondheet vum Mënsch a vun der Ëmwelt duerstellen. Mobil a stationär Diesel- a Bensinnsmotore droe staark zu de weltwäiten NO_x -Emissioune bäi. D’Emulgéierung vum Brennstoff mat Waasser ass eng Méiglechkeet, d’NO_x -Emissioune vu Motoren ze reduzéieren. D’Ultraschallemulgéierung ass en effikasse Mëttel fir Brennstoff/Waasser-Emulsioune mat feinen Drëpsen hierzestellen.

Autoen a Camionen, Fligeren, Stroumgeneratoren, Gabelstapler, Klimaanlagen an Heizkessele produzéieren grouss Quantitéite vu Feinstëbs (PM) an NO_x duerch d’Verbrennung vu Pëtrolsprodukter. NO_x bezeechent Mëschunge vu Stéckstoffmonoxid (NO) a Stéckstoffdioxid (NO₂) souwéi N₂O, NO₃, N₂O₄ an N₂O₅. Stéckstoffmonoxid a Stéckstoffdioxid droen zu buedemnoem Ozon a Smog bäi a si geféierlech fir d’Ëmwelt an de Mënsch. D’Ëmweltvirschrëfte gi géint d’Emissioune vu Loftschuedstoffer vir, andeems se d’Grenzwäerter verschäerfen. Motoremissiounen enthalen och Schwiefeldioxid (SO₂) als Resultat vu Schwiefelverbindungen am Brennstoff. Dëse Problem gëtt duerch Hydroentschwiefelung oder ultraschallënnerstëtzten Entschwiefelung reduzéiert.

Betrib mat enger Brennstoff/Waasser-Emulsioun

An de leschte Jore goufe vill Aarbechten iwwer den Afloss vu Waasser op d’NO_x -Emissiounsniveaue gemaach. Verschidde Volumeverhältnesser vu Brennstoff zu Waasser vun 1:1 bis 19:1 goufen op hir Verbrennungseegenschafte getest. An de meeschte Fäll goufen 1 bis 2 Volumenprozent Tensid derbäigesat, fir d’Emulsioun ze stabiliséieren.

Hannergrond zur Verbrennung

D’Verbrennung vu Brennstoff produzéiert thermesch a mechanesch Energie. De mechaneschen Undeel ka benotzt ginn, fir Kolben oder Turbinne fir den Undriff oder d’Stroumproduktioun unzedreiwen. An de meeschte Motore gëtt déi thermesch Energie net genotzt. Dëst féiert zu engem méi niddregen thermodynamesche Wierkungsgrad.

Ongeféier 90% vun den NO_x , déi beim Verbrennungsprozess vum Brennstoff entstinn, sinn NO. Den NO entsteet haaptsächlech duerch d’Oxidatioun vum atmosphäresche Stéckstoff (N₂). Waasser, dat dem Brennstoff derbäigesat gëtt, senkt d’Verbrennungstemperatur duerch d’Verdonstung vum Waasser. Wann d’Waasser an der Brennstoff-Waasser-Emulsioun verdonst, gëtt och de Brennstoff ronderëm verdämpt. Dëst vergréissert d’Uewerfläch vum Brennstoff. Déi méi niddreg Temperatur an déi besser Verdeelung vum Brennstoff féieren zu enger méi gerénger Bildung vun NO_x.

Ultraschallemulgéierung

Vill Aarbechten hu gewisen, datt d’Aféierung vu Waasser an d’Brennstoffverbrennung d’NO_x -Emissioune reduzéiert. D’Waasser kann op zwou Aarten duerch d’Bildung vun enger Brennstoff/Waasser-Emulsioun derbäigesat ginn:

• net stabiliséiert: Inline-Emulgéierung vu Waasser an de Brennstoff virun der Asprëtzung
• stabiliséiert: Hierstellung vun enger stabiler Brennstoff/Waasser-Emulsioun, déi als direkt asetzbar Brennstoffalternativ benotzt gëtt

Canfield (1999) faasst d’NO_x -Reduktioun duerch d’Benotzung vu Waasser an aneren Zousazstoffer zesummen:

• net stabiliséiert Emulsioun
  • derbäigesat Waasser a Vol%: 10 bis 80%
  • NO_x -Reduktioun ëm: 4 bis 60%
• stabiliséiert Emulsioun
  • derbäigesat Waasser a Vol%: 25 bis 50%
  • NO_x -Reduktioun ëm: 22 bis 83%

Emulsioun

Eng Emulsioun ass eng Mëschung aus am Allgemengen net mëschbare Flëssegkeeten (Phasen), wéi Ueleg a Waasser. Wärend der Emulgéierung gëtt déi dispers Phas (z. B. Waasser) an déi flësseg Phas (z. B. Ueleg) agebruecht. Duerch d’Awierkung vun héije Schéierkräftengëtt d’Partikelgréisst (= Drëpsegréisst) vun der disperser Phas reduzéiert. Wat d’Partikelgréisst méi kleng ass, wat déi produzéiert Emulsioun méi stabil ass. Zousätzlech Stabilitéit kann duerch d’Zousetze vun Tensiden oder Stabilisatoren erreecht ginn. Klickt op d’Grafik uewen , fir Beispillresultater vun der Ultraschallemulgéierung vun 10% Waasser a Motorueleg (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg Däitschland) ze gesinn. Dës Etüd gouf duerchgefouert vu Behrend a Schubert (2000).

Ultraschall

Wann Flëssegkeete mat Ultraschall mat héijen Intensitéite behandelt ginn, féieren d’Schallwellen, déi sech an de flëssege Medie verbreeden, zu ofwiesselnden Héichdrockzyklen (Kompressioun) an Nidderdrockzyklen (Expansioun), deenen hir Widderhuelungsraten vun der Frequenz ofhänken. Wärend dem Nidderdrockzyklus produzéieren Ultraschallwelle mat héijer Intensitéit kleng Vakuumblosen oder Huelraim an der Flëssegkeet. Wann d’Blosen e Volumen erreechen, bei deem se keng Energie méi ophuele kënnen, fale se wärend engem Héichdrockzyklus hefteg zesummen. Dëst Phenomeen gëtt Kavitatioun genannt. Wärend der Implosioun gi lokal ganz héich Temperaturen (ongeféier 5.000K) an Drécker (ongeféier 2.000atm) erreecht. D’Implosioun vun der Kavitatiounsblos féiert och zu Flëssegkeetsstrale mat enger Vitess vu bis zu 280m/s.

Ultraschall produzéiert noweislech ganz homogen Emulsiounen vu Waasser an Ueleg (w/o) an Ueleg a Waasser (o/w) duerch déi héich kavitatiounsbedéngt Schéierkräften. Well d’Parametere vun der Ultraschallbehandlung gutt kontrolléierbar sinn, loosse sech d’Partikelgréisst an hir Verdeelung gutt astellen a reproduzéieren. Typescherweis gëtt den Ultraschall an engem Duerchflosszellereakter agesat. Dofir kann d’Emulsioun kontinuéierlech inline hiergestallt ginn. Aus dësem Grond kann d’Ultraschallbehandlung fir d’Hierstellung vu stabiliséierten an net stabiliséierten Emulsioune benotzt ginn.

D’Tabell hei drënner weist allgemeng Veraarbechtungskapazitéite fir verschidden Ultraschallleeschtungen.

Entgasung an Entschaimung mat Ultraschall

Ultraschall hëlleft och dobäi, d’Zuel vun de Loftblosen an der Emulsiounsmëschung ze reduzéieren. D’Bild riets weist den Effekt vun der Ultraschallbehandlung op de Blosengehalt (Verlafsbiller an Ofstänn vu 5sec. vu lénks no riets). Well Ännerunge vum Blosengehalt Schwankunge vum Asprëtzzäitpunkt verursaachen, verbessert eng Entgasung, Entlüftung an Entschaimung duerch Ultraschallbehandlung d’Motorleeschtung.

Ultraschall-Prozessausrüstung

Hielscher ass de féierende Fournisseur vun Ultraschallapparater mat héijer Kapazitéitweltwäit. Well Hielscher Ultraschallprozessere mat bis zu 16kW Leeschtung pro Eenzelapparat hierstellt, gëtt et keng Limitt fir d’Gréisst vun der Anlag oder d’Veraarbechtungskapazitéit. Gruppe vu verschiddene 16kW-Systemer gi fir d’Hierstellung vu grousse Quantitéite vun direkt asetzbare Brennstoffer benotzt. D’industriell Brennstoffveraarbechtung brauch net vill Ultraschallenergie. Den tatsächlechen Energiebedarf ka mat engem 1kW-Ultraschallprozesser am Labo-Dëschmoossstaf bestëmmt ginn. All Resultater aus esou Versich am Labo-Dëschmoossstaf kënne liicht op e méi grousse Moossstaf iwwerdroe ginn.

Käschte vun der Ultraschallbehandlung

D’Ultraschallbehandlung ass eng effikass Veraarbechtungstechnologie. D’Käschte vun der Ultraschallveraarbechtung entstinn haaptsächlech duerch d’Investitioun
an Ultraschallapparater, d’Versuergungskäschten an den Ënnerhalt. Déi aussergewéinlech Energieeffizienz (kuckt Grafik) vun den Hielscher Ultraschallapparater hëlleft, d’Versuergungskäschten ze reduzéieren.

Literatur

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Afloss vun der Viskositéit vun der kontinuéierlecher Phas op d’Emulgéierung duerch Ultraschall, an: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Auswierkunge vun der Verbrennung vun enger Diesel-Waasser-Emulsioun op d’NO_x -Emissioune vun Dieselmotoren, an: Masteraarbecht, déi der Graduate School vun der University of Florida virgeluecht gouf, 1999.