Redukcja emisji NOx poprzez emulgowanie oleju/wody

Tlenki azotu (NO_x) są znane jako bezpośrednio niebezpieczne dla zdrowia ludzi i środowiska. Mobilne i stacjonarne silniki wysokoprężne i benzynowe w dużej mierze przyczyniają się do globalnego wzrostu emisji NO_x . Emulgowanie paliwa wodą jest sposobem na zmniejszenie emisji NO_x w silnikach. Emulsyfikacja ultradźwiękowa jest skutecznym środkiem do generowania drobnoziarnistych emulsji paliwowo-wodnych.

Samochody i ciężarówki, samoloty, generatory elektryczne, wózki widłowe, klimatyzatory i kotły generują duże ilości pyłu zawieszonego (PM) i NO_x w wyniku spalania produktów ropopochodnych. NIE_x odnosi się do mieszanin tlenku azotu (NO) i dwutlenku azotu (NO₂), jak również N₂O, NO₃, N₂O₄ i N₂O₅. Tlenek azotu i dwutlenek azotu przyczyniają się do powstawania niskiego poziomu ozonu, smogu i są niebezpieczne dla środowiska i ludzi. Regulacje środowiskowe dotyczą emisji zanieczyszczeń powietrza poprzez zaostrzenie limitów. Emisje silnika obejmują również dwutlenek siarki (SO₂) w wyniku obecności związków siarki w paliwie. Problem ten jest redukowany przez hydroodsiarczanie lub odsiarczanie wspomagane ultradźwiękami.

Praca na emulsji paliwowo-wodnej

W ostatnich latach wykonano wiele pracy nad wpływ wody na NO_x poziomy emisji. Różne proporcje objętościowe paliwa do wody od 1:1 do 19:1 zostały przetestowane pod kątem właściwości spalania. W większości przypadków dodawano od 1 do 2 procent objętościowych środka powierzchniowo czynnego w celu stabilizacji emulsji.

Informacje ogólne na temat spalania

Spalanie paliwa generuje energię cieplną i mechaniczną. Część mechaniczna może być wykorzystana do napędzania tłoków lub turbin w celu napędzania lub wytwarzania energii elektrycznej. W większości silników energia cieplna nie jest wykorzystywana. Skutkuje to niższą sprawnością termodynamiczną.

Około 90% NO_x powstającym w procesie spalania paliwa jest NO. NO powstaje głównie w wyniku utleniania azotu atmosferycznego (N₂). Woda dodana do paliwa obniża temperaturę spalania z powodu parowania wody. Gdy woda zawarta w emulsji wodno-paliwowej odparowuje, otaczające ją paliwo również ulega odparowaniu. Zwiększa to powierzchnię paliwa. Niższa temperatura i lepsza dystrybucja paliwa prowadzą do niższe powstawanie NO_x.

Emulsyfikacja ultradźwiękowa

W wielu pracach wykazano, że wprowadzenie wody do procesu spalania paliwa obniżają poziom NO_x emisje. Wodę można dodać poprzez utworzenie emulsji paliwowo-wodnej na dwa sposoby:

• niestabilny: wbudowana emulgacja wody w paliwie przed wtryskiem
• ustabilizowany: wytwarzanie stabilnej emulsji paliwowo-wodnej do stosowania jako alternatywne paliwo typu drop-in

Canfield (1999) podsumowuje emisję NO_x redukcja poprzez użycie wody i innych dodatków:

• niestabilizowana emulsja
  • vol% dodanej wody: 10 do 80%
  • NIE_x redukcja o: 4 do 60%
• stabilizowana emulsja
  • vol% dodanej wody: 25 do 50%
  • NIE_x redukcja o: 22 do 83%

emulsja

Emulsja jest mieszaniną niemieszające się ciecze (faz), takich jak olej i woda. Podczas procesu emulgowania faza rozproszona (np. woda) jest wprowadzana do fazy ciekłej (np. oleju). Poprzez zastosowanie wysowkich sił ścinającychRozmiar cząstek (= rozmiar kropli) fazy rozproszonej jest zmniejszony. Im mniejszy rozmiar cząstek, tym bardziej stabilna jest wytworzona emulsja. Dodatkową stabilność można uzyskać poprzez wprowadzenie środków powierzchniowo czynnych lub stabilizatorów. Kliknij na grafikę powyżej aby zobaczyć przykładowe wyniki emulgowania ultradźwiękowego 10% wody w oleju silnikowym (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Niemcy). Badanie to zostało przeprowadzone przez Behrend i Schubert (2000).

Ultradźwięki

Podczas sonikowania cieczy z dużą intensywnością, fale dźwiękowe, które rozprzestrzeniają się w ciekłych mediach, powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), z szybkością zależną od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności tworzą małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie mogą już absorbować energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to określa się mianem kawitacji. Podczas implozji lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury (ok. 5000 K) i ciśnienia (ok. 2000 atm). W wyniku implozji pęcherzyka kawitacyjnego powstają również strumienie cieczy o prędkości do 280 m/s.

Udowodniono, że ultradźwięki generują bardzo jednorodne emulsje wody w oleju (w/o) i oleju w wodzie (o/w) przez wysokie ścinanie kawitacyjne. Ponieważ parametry ultradźwięków są dobrze kontrolowane, wielkość i rozkład cząstek są dobrze kontrolowane. regulowany i powtarzalny. Zazwyczaj ultradźwięki są stosowane w reaktorze przepływowym. Dlatego emulsja może być wykonane w sposób ciągły w linii. Z tego powodu ultradźwięki mogą być stosowane do wytwarzania stabilizowanych i niestabilizowanych emulsji.

Poniższa tabela przedstawia ogólne możliwości przetwarzania dla różnych poziomów mocy ultradźwięków.

Ultradźwiękowe odgazowywanie i odpienianie

Ultradźwięki pomagają również zmniejszyć ilość pęcherzyków powietrza w mieszaninie emulsji. Zdjęcie po prawej stronie pokazuje wpływ (5-sekundowe obrazy postępu od lewej do prawej) ultradźwięków na zawartość pęcherzyków. Ponieważ zmiany w zawartości pęcherzyków powodują wahania w czasie wtrysku, a odgazowywanie, odgazowywanie i odpienianie poprzez ultradźwięki poprawia osiągi silnika.

Ultradźwiękowy sprzęt procesowy

Hielscher jest Wiodący dostawca urządzeń ultradźwiękowych o wysokiej wydajnościna całym świecie. Ponieważ Hielscher produkuje procesory ultradźwiękowe do 16kW moc na pojedyncze urządzeniejest brak limitu wielkości instalacji lub wydajności przetwarzania. Klastry kilku systemów o mocy 16 kW są wykorzystywane do produkcji dużych ilości paliw typu drop-in. Przemysłowe przetwarzanie paliw nie potrzebuje dużo energii ultradźwiękowej. Rzeczywiste zapotrzebowanie na energię można określić za pomocą procesora ultradźwiękowego o mocy 1 kW w skali laboratoryjnej. Wszystkie wyniki z takich prób bench-top mogą być łatwo zwiększają skale.

Koszty ultrasonografii

Ultradźwięki to skuteczna technologia przetwarzania. Koszty przetwarzania ultradźwiękowego wynikają głównie z inwestycji
dla urządzeń ultradźwiękowych, kosztów mediów i konserwacji. Wyjątkowe efektywność energetyczna (zob. wykres) urządzeń ultradźwiękowych Hielscher pomaga obniżyć koszty użytkowania.

Literatura

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): Effects of Diesel-Water Emulsion Combustion on Diesel Engine NO_x Emisje, w: Praca magisterska przedstawiona absolwentom University of Florida, 1999.