NOx-reductie door olie/water-emulgering

Stikstofoxiden (NO_x) staan erom bekend dat ze onmiddellijk gevaarlijk zijn voor de gezondheid van mens en milieu. Mobiele en stationaire diesel- en benzinemotoren leveren een grote bijdrage aan de wereldwijde NO_x uitstoot. Emulgering van de brandstof met water is een manier om de NO_x uitstoot van motoren. Ultrasone emulsie is een effectieve manier om brandstof/water-emulsies van fijne grootte te genereren.

Auto's en vrachtwagens, vliegtuigen, elektrische generatoren, vorkheftrucks, airconditioningunits en boilers genereren grote hoeveelheden zwevende deeltjes (PM) en NO_x door de verbranding van aardolieproducten. GEEN_x verwijst naar mengsels van stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO₂) en N₂O, NO₃, N₂O₄ en N₂O₅. Stikstofoxide en stikstofdioxide dragen bij aan ozon op laag niveau, smog en zijn gevaarlijk voor het milieu en de mens. Milieuregelgeving pakt de uitstoot van luchtverontreinigende stoffen aan door het aanscherpen van grenzen. Motoremissies omvatten ook zwaveldioxide (SO₂) als gevolg van zwavelverbindingen in de brandstof. Dit probleem wordt verminderd door waterstofontzwaveling of ultrasoon ondersteunde ontzwaveling.

Lopen op brandstof/water-emulsie

In de afgelopen jaren is er veel werk verricht aan de invloed van water op NO_x emissieniveaus. Verschillende volumeverhoudingen brandstof/water van 1:1 tot 19:1 zijn getest op verbrandingseigenschappen. In de meeste gevallen werd 1 tot 2 volumeprocent oppervlakteactieve stof toegevoegd om de emulsie te stabiliseren.

Achtergrond over verbranding

De verbranding van brandstof genereert thermische en mechanische energie. De mechanische fractie kan worden gebruikt om zuigers of turbines aan te drijven voor voortstuwing of elektriciteitsopwekking. In de meeste motoren wordt de thermische energie niet gebruikt. Dit resulteert in een lager thermodynamisch rendement.

Ongeveer 90% van de NO_x dat ontstaat bij de verbranding van brandstof is NO. NO wordt voornamelijk gevormd door de oxidatie van atmosferische stikstof (N₂). Water dat aan de brandstof wordt toegevoegd, verlaagt de verbrandingstemperatuur door verdamping van het water. Wanneer het water in de brandstof-wateremulsie verdampt, wordt de omringende brandstof ook verdampt. Dit vergroot de oppervlakte van de brandstof. De lagere temperatuur en de betere brandstofverdeling leiden tot een lagere vorming van NO_x.

ultrasone emulsificatie

In veel onderzoeken is aangetoond dat het toevoegen van water aan de brandstofverbranding de NO_x uitstoot. Het water kan op twee manieren worden toegevoegd door een brandstof/wateremulsie te vormen:

• ongestabiliseerd: inline emulgering van water in de brandstof vóór injectie
• gestabiliseerd: vervaardiging van een stabiele brandstof/water-emulsie voor gebruik als "drop-in"-brandstofalternatief

Canfield (1999) vat de NO_x reductie door het gebruik van water en andere additieven:

• ongestabiliseerde emulsie
  • toegevoegd water vol%: 10 tot 80%
  • GEEN_x vermindering door: 4 tot 60%
• gestabiliseerde emulsie
  • toegevoegd water vol%: 25 tot 50%
  • GEEN_x vermindering door: 22 tot 83%

emulsie

Een emulsie is een mengsel van over het algemeen niet-mengbare vloeistoffen (fasen), zoals olie en water. Tijdens het emulgeerproces wordt de disperse fase (bijv. water) in de vloeibare fase (bijv. olie) gebracht. Door de toepassing van hoge afschuivingwordt de deeltjesgrootte (= druppelgrootte) van de disperse fase kleiner. Hoe kleiner de deeltjesgrootte, hoe stabieler de gegenereerde emulsie. Extra stabiliteit kan worden bereikt door oppervlakteactieve stoffen of stabilisatoren toe te voegen. Klik op de bovenstaande afbeelding om voorbeeldresultaten te zien voor de ultrasone emulsificatie van 10% water in motorolie (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg Duitsland). Dit onderzoek is uitgevoerd door Behrend en Schubert (2000).

Echografie

Bij het sonificeren van vloeistoffen met hoge intensiteit resulteren de geluidsgolven die zich voortplanten in het vloeibare medium in afwisselende hogedrukcycli (compressie) en lagedrukcycli (rarefactie), waarbij de snelheid afhangt van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de belletjes een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze heftig in elkaar tijdens een hogedrukcyclus. Dit fenomeen wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden plaatselijk zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000 K) en drukken (ongeveer 2.000 atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel resulteert ook in vloeistofstralen met een snelheid tot 280m/s.

Het is bewezen dat ultrageluid zeer homogene emulsies van water in olie (w/o) en olie in water (o/w) door de hoge cavitatieschuif. Omdat de parameters van ultrasoonbehandeling goed te regelen zijn, zijn de deeltjesgrootte en -distributie goed te regelen. instelbaar en herhaalbaar. Gewoonlijk wordt het ultrageluid toegepast in een flowcelreactor. Daarom kan de emulsie continu in-line gemaakt. Daarom kan ultrasoonbehandeling worden gebruikt voor het maken van gestabiliseerde en ongestabiliseerde emulsies.

De onderstaande tabel toont de algemene verwerkingscapaciteit voor verschillende ultrasone vermogensniveaus.

Ultrasoon Ontgassen en Ontschuimen

Echografie helpt ook om de hoeveelheid luchtbellen verminderen in het emulsiemengsel. De afbeelding rechts toont het effect (5sec. voortgangsbeelden van links naar rechts) van ultrasoonisatie op het bellengehalte. Aangezien variaties in het bellengehalte fluctuaties in het injectietijdstip veroorzaken, kan een ontgassing, ontluchting en ontschuiming door ultrasoonbehandeling verbetert de motorprestaties.

Ultrasone procesapparatuur

Hielscher is de toonaangevend leverancier van ultrasone apparaten met hoge capaciteitwereldwijd. Aangezien Hielscher ultrasone processors maakt tot 16kW vermogen per apparaatis er geen beperking in plantgrootte of verwerkingscapaciteit. Clusters van meerdere 16kW-systemen worden gebruikt voor de productie van grote hoeveelheden drop-in brandstoffen. Industriële brandstofverwerking heeft niet veel ultrasone energie nodig. De werkelijke energiebehoefte kan worden bepaald met een ultrasone processor van 1kW op een testbank. Alle resultaten van dergelijke tests op een testbank kunnen gemakkelijk op te schalen.

Kosten van ultrasoonbehandeling

Ultrasoon is een effectieve verwerkingstechnologie. De kosten van ultrasone verwerking zijn voornamelijk het gevolg van de investering
voor ultrasone apparaten, gebruikskosten en onderhoud. De uitstekende energie-efficiëntie (zie grafiek) van Hielscher ultrasone apparaten helpt de gebruikskosten te verlagen.

Literatuur

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Effecten van diesel-wateremulsieverbranding op de NO_x Emissies, in: Master Thesis gepresenteerd aan de graduate school van de Universiteit van Florida, 1999.