NOx-reductie door olie/water-emulgering

Stikstofoxiden (NO_x) staan bekend als direct gevaarlijk voor de gezondheid van mens en milieu. Mobiele en stationaire diesel- en benzinemotoren dragen in grote mate bij aan de wereldwijde NO_x -emissies. Het emulgeren van brandstof met water is een manier om de NO_x -emissies van motoren te verminderen. Ultrasone emulgering is een effectief middel om brandstof/water-emulsies met fijne druppels te produceren.

Auto’s en vrachtwagens, vliegtuigen, elektriciteitsgeneratoren, vorkheftrucks, airconditioningsystemen en ketels produceren grote hoeveelheden fijnstof (PM) en NO_x door de verbranding van aardolieproducten. NO_x verwijst naar mengsels van stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO₂) evenals N₂O, NO₃, N₂O₄ en N₂O₅. Stikstofmonoxide en stikstofdioxide dragen bij aan ozon op leefniveau en smog en zijn gevaarlijk voor het milieu en de mens. Milieuwetgeving pakt de uitstoot van luchtverontreinigende stoffen aan door grenswaarden aan te scherpen. Motoremissies bevatten ook zwaveldioxide (SO₂) als gevolg van zwavelverbindingen in de brandstof. Dit probleem wordt verminderd door hydro-ontzwaveling of ultrasoon ondersteunde ontzwaveling.

Werken op een brandstof/water-emulsie

De afgelopen jaren is veel onderzoek gedaan naar de invloed van water op NO_x -emissieniveaus. Verschillende volumeverhoudingen van brandstof:water, van 1:1 tot 19:1, zijn getest op hun verbrandingseigenschappen. In de meeste gevallen werd 1 tot 2 volumeprocent oppervlakteactieve stof toegevoegd om de emulsie te stabiliseren.

Achtergrondinformatie over verbranding

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

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

Ultrasone emulgering

Veel onderzoeken hebben aangetoond dat de toevoeging van water bij de verbranding van brandstof leidt tot een vermindering van de NO_x -emissies. Het water kan op twee manieren worden toegevoegd door een brandstof/water-emulsie te vormen:

• niet-gestabiliseerd: inline emulgering van water in de brandstof vóór de inspuiting
• gestabiliseerd: productie van een stabiele brandstof/water-emulsie die als direct inzetbaar brandstofalternatief kan worden gebruikt

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

• niet-gestabiliseerde emulsie
  • toegevoegd water, vol%: 10 tot 80%
  • NO_x -reductie met: 4 tot 60%
• gestabiliseerde emulsie
  • toegevoegd water, vol%: 25 tot 50%
  • NO_x -reductie met: 22 tot 83%

Emulsie

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

Ultrageluid

Bij sonicatie van vloeistoffen met hoge intensiteit veroorzaken de geluidsgolven die zich door de vloeibare media voortplanten afwisselende hogedrukcycli (compressie) en lagedrukcycli (verdunning), waarvan de herhalingssnelheid afhankelijk is van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de bellen een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze tijdens een hogedrukcyclus met grote kracht in. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden plaatselijk zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000K) en drukken (ongeveer 2.000atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel veroorzaakt ook vloeistofstralen met snelheden tot 280m/s.

Het is bewezen dat ultrageluid zeer homogene emulsies van water in olie (w/o) en olie in water (o/w) produceert door de hoge afschuiving door cavitatie. Aangezien de parameters van sonicatie goed te beheersen zijn, zijn de deeltjesgrootte en de deeltjesgrootteverdeling goed instelbaar en reproduceerbaar. Doorgaans wordt het ultrageluid toegepast in een doorstroomcelreactor. Daardoor kan de emulsie continu inline worden geproduceerd. Om deze reden kan sonicatie worden gebruikt voor de productie van gestabiliseerde en niet-gestabiliseerde emulsies.

De onderstaande tabel toont algemene verwerkingscapaciteiten voor verschillende ultrasone vermogensniveaus.

Ultrasone ontgassing en ontschuiming

Ultrageluid helpt ook bij het verminderen van het aantal luchtbellen in het emulsiemengsel. De afbeelding rechts toont het effect van sonicatie op het gehalte aan luchtbellen (beelden van het verloop in stappen van 5sec., van links naar rechts). Omdat variaties in het gehalte aan luchtbellen schommelingen in het inspuittijdstip veroorzaken, verbetert ontgassing, ontluchting en ontschuiming door sonicatie de motorprestaties.

Ultrasone procesapparatuur

Hielscher is de toonaangevende leverancier van ultrasone apparaten met een hoge capaciteit, wereldwijd. Aangezien Hielscher ultrasone processoren met maximaal 16kW vermogen per afzonderlijk apparaat produceert, is er geen limiet aan de installatiegrootte of de verwerkingscapaciteit. Groepen van meerdere 16kW-systemen worden gebruikt voor de productie van grote hoeveelheden direct inzetbare brandstoffen. Industriële brandstofverwerking vereist niet veel ultrasone energie. De werkelijke energiebehoefte kan worden bepaald met een ultrasone processor van 1kW op laboratoriumtafelschaal. Alle resultaten van dergelijke proeven op laboratoriumtafelschaal kunnen eenvoudig worden opgeschaald.

Kosten van sonicatie

Sonicatie is een effectieve verwerkingstechnologie. De kosten van ultrasone verwerking bestaan voornamelijk uit de investering
in ultrasone apparaten, nutsvoorzieningskosten en onderhoud. De uitstekende energie-efficiëntie (zie grafiek) van ultrasone apparaten van Hielscher helpt de nutsvoorzieningskosten 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.