NOx samazināšana, emulģējot eļļu ar ūdeni

Ir zināms, ka slāpekļa oksīdi (NO_x) rada tūlītēju apdraudējumu cilvēku veselībai un videi. Mobilie un stacionārie dīzeļdzinēji un benzīna dzinēji ievērojami veicina NO_x emisijas visā pasaulē. Degvielas emulģēšana ar ūdeni ir viens no veidiem, kā samazināt dzinēju NO_x emisijas. Emulģēšana ar ultraskaņu ir efektīvs paņēmiens degvielas/ūdens emulsiju ar smalkiem pilieniem iegūšanai.

Vieglās un kravas automašīnas, gaisa kuģi, elektroģeneratori, autoiekrāvēji, gaisa kondicionēšanas iekārtas un katli, sadedzinot naftas produktus, rada lielu daudzumu cieto daļiņu (PM) un NO_x . Ar NO_x apzīmē slāpekļa monoksīda (NO) un slāpekļa dioksīda (NO₂) maisījumus, kā arī N₂O, NO₃, N₂O₄ un N₂O₅. Slāpekļa monoksīds un slāpekļa dioksīds veicina piezemes ozona un smoga veidošanos un ir bīstami videi un cilvēkiem. Vides aizsardzības normatīvie akti ierobežo gaisu piesārņojošo vielu emisijas, nosakot stingrākas robežvērtības. Dzinēju emisijās ir arī sēra dioksīds (SO₂), kas rodas degvielā esošo sēra savienojumu dēļ. Šo problēmu mazina hidrodesulfurizācija vai ar ultraskaņu veicināta desulfurizācija.

Darbība ar degvielas/ūdens emulsiju

Pēdējos gados ir veikts daudz pētījumu par ūdens ietekmi uz NO_x emisiju līmeni. Lai izvērtētu degšanas īpašības, ir pārbaudītas dažādas degvielas un ūdens tilpuma attiecības no 1:1 līdz 19:1. Vairumā gadījumu emulsijas stabilizēšanai tika pievienoti 1 līdz 2 tilpumprocenti virsmaktīvās vielas.

Pamatinformācija par degšanu

Degvielas sadegšana rada siltumenerģiju un mehānisko enerģiju. Mehānisko daļu var izmantot virzuļu vai turbīnu darbināšanai, lai nodrošinātu kustību vai ražotu elektroenerģiju. Vairumā dzinēju siltumenerģija netiek izmantota. Tāpēc termodinamiskais lietderības koeficients ir zemāks.

Aptuveni 90% no NO_x , kas rodas degvielas sadegšanas procesā, ir NO. NO galvenokārt veidojas, oksidējoties atmosfēras slāpeklim (N₂). Degvielai pievienotais ūdens iztvaikojot pazemina degšanas temperatūru. Kad ūdens degvielas un ūdens emulsijā iztvaiko, iztvaiko arī apkārt esošā degviela. Tas palielina degvielas virsmas laukumu. Zemāka temperatūra un labāks degvielas sadalījums samazina NO_{x veidošanos}.

Emulģēšana ar ultraskaņu

Daudzos pētījumos ir pierādīts, ka ūdens ievadīšana degvielas degšanas procesā samazina NO_x emisijas. Ūdeni var pievienot, veidojot degvielas/ūdens emulsiju divos veidos:

• nestabilizēta: ūdens emulģēšana degvielā plūsmā pirms iesmidzināšanas
• stabilizēta: stabilas degvielas/ūdens emulsijas izgatavošana izmantošanai par degvielas alternatīvu, kurai nav nepieciešami dzinēja pārveidojumi

Canfield (1999) apkopo NO_x samazinājumu, izmantojot ūdeni un citas piedevas:

• nestabilizēta emulsija
  • pievienotā ūdens daudzums vol%: 10 līdz 80%
  • NO_x samazinājums par: 4 līdz 60%
• stabilizēta emulsija
  • pievienotā ūdens daudzums vol%: 25 līdz 50%
  • NO_x samazinājums par: 22 līdz 83%

Emulsija

Emulsija ir parasti savstarpēji nesajaucamu šķidrumu (fāžu), piemēram, eļļas un ūdens, maisījums. Emulģēšanas procesā disperso fāzi (piemēram, ūdeni) ievada šķidrajā fāzē (piemēram, eļļā). Iedarbojoties lieliem bīdes spēkiem, dispersās fāzes daļiņu izmērs (= pilienu izmērs) samazinās. Jo mazāks ir daļiņu izmērs, jo stabilāka ir iegūtā emulsija. Papildu stabilitāti var panākt, pievienojot virsmaktīvās vielas vai stabilizatorus. Noklikšķiniet uz augstāk redzamā attēla , lai apskatītu piemēra rezultātus 10% ūdens emulģēšanai motoreļļā (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburga, Vācija) ar ultraskaņu. Šo pētījumu veica Behrend un Schubert (2000).

Ultraskaņa

Apstrādājot šķidrumus ar augstas intensitātes ultraskaņu, skaņas viļņi, kas izplatās šķidrajā vidē, rada mainīgus augsta spiediena (saspiešanas) un zema spiediena (retinājuma) ciklus, kuru atkārtošanās ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada sīkus vakuuma burbulīšus jeb dobumus. Kad burbulīši sasniedz tilpumu, pie kura tie vairs nevar absorbēt enerģiju, tie augsta spiediena cikla laikā strauji sabrūk. Šo parādību sauc par kavitāciju. Implozijas laikā lokāli tiek sasniegta ļoti augsta temperatūra (aptuveni 5 000K) un spiediens (aptuveni 2 000atm). Kavitācijas burbulīša implozija rada arī šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280m/s.

Ir pierādīts, ka ultraskaņa rada ļoti viendabīgas emulsijas ūdenim eļļā (w/o) un eļļai ūdenī (o/w), pateicoties lieliem kavitācijas radītiem bīdes spēkiem. Tā kā apstrādes ar ultraskaņu parametrus var labi kontrolēt, daļiņu izmērs un to sadalījums ir labi regulējami un atkārtojami. Parasti ultraskaņu izmanto plūsmas šūnas reaktorā. Tādējādi emulsiju var nepārtraukti ražot plūsmā. Šā iemesla dēļ apstrādi ar ultraskaņu var izmantot stabilizētu un nestabilizētu emulsiju izgatavošanai.

Tālāk redzamajā tabulā norādīta vispārējā apstrādes ražība dažādiem ultraskaņas jaudas līmeņiem.

Degazācija un putu likvidēšana ar ultraskaņu

Ultraskaņa palīdz arī samazināt gaisa burbulīšu daudzumu emulsijas maisījumā. Attēlā pa labi redzama apstrādes ar ultraskaņu ietekme uz burbulīšu daudzumu (secīgi attēli ar 5 sekunžu intervālu no kreisās uz labo pusi). Tā kā burbulīšu daudzuma izmaiņas izraisa iesmidzināšanas laika svārstības, degazācija, deaerācija un putu likvidēšana ar ultraskaņu uzlabo dzinēja darbību.

Ultraskaņas apstrādes iekārtas

Hielscher ir vadošais augstas ražības ultraskaņas ierīču piegādātājs pasaulē. Tā kā Hielscher ražo ultraskaņas procesorus ar līdz pat 16kW jaudu katrai atsevišķai ierīcei, ražotnes lielums nav ierobežots un arī apstrādes ražība nav ierobežota. Vairāku 16kW sistēmu grupas izmanto, lai lielos apjomos ražotu degvielas, kurām nav nepieciešami dzinēja pārveidojumi. Rūpnieciskai degvielas apstrādei nav nepieciešams daudz ultraskaņas enerģijas. Faktisko enerģijas patēriņu var noteikt, izmantojot 1kW ultraskaņas procesoru laboratorijas galda mērogā. Visus šādu laboratorijas galda izmēģinājumu rezultātus var viegli pārnest uz lielāku mērogu.

Apstrādes ar ultraskaņu izmaksas

Apstrāde ar ultraskaņu ir efektīva apstrādes tehnoloģija. Ultraskaņas apstrādes izmaksas galvenokārt veido ieguldījumi
ultraskaņas ierīcēs, energoresursu izmaksas un apkope. Izcilā energoefektivitāte (skatīt diagrammu) Hielscher ultraskaņas ierīcēs palīdz samazināt energoresursu izmaksas.

Literatūra

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Nepārtrauktās fāzes viskozitātes ietekme uz emulģēšanu ar ultraskaņu, žurnālā: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Dīzeļdegvielas un ūdens emulsijas sadegšanas ietekme uz dīzeļdzinēja NO_x emisijām, maģistra darbs, kas iesniegts Floridas Universitātes pēcdiploma studiju skolā, 1999.