Redukcja NOx poprzez emulgowanie oleju z wodą

Tlenki azotu (NO_x) są znane z tego, że stanowią bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia ludzi i środowiska. Mobilne i stacjonarne silniki wysokoprężne i benzynowe w znacznym stopniu przyczyniają się do światowych emisji NO_x . Emulgowanie paliwa z wodą jest sposobem na zmniejszenie emisji NO_x z silników. Emulgowanie ultradźwiękowe jest skuteczną metodą wytwarzania emulsji paliwa i wody o małych rozmiarach kropli.

Samochody osobowe i ciężarowe, samoloty, generatory elektryczne, wózki widłowe, urządzenia klimatyzacyjne i kotły wytwarzają duże ilości pyłu zawieszonego (PM) i NO_x w wyniku spalania produktów naftowych. NO_x oznacza mieszaniny tlenku azotu (NO) i dwutlenku azotu (NO₂) oraz N₂O, NO₃, N₂O₄ i N₂O₅. Tlenek azotu i dwutlenek azotu przyczyniają się do powstawania ozonu przy powierzchni ziemi i smogu oraz stanowią zagrożenie dla środowiska i ludzi. Przepisy dotyczące ochrony środowiska regulują emisje zanieczyszczeń powietrza poprzez zaostrzanie limitów. Emisje z silników obejmują również dwutlenek siarki (SO₂) ze względu na obecność związków siarki w paliwie. Problem ten ogranicza się poprzez hydroodsiarczanie lub odsiarczanie wspomagane ultradźwiękami.

Praca na emulsji paliwa i wody

W ostatnich latach przeprowadzono wiele badań nad wpływem wody na poziomy emisji NO_x . Badano właściwości spalania przy różnych stosunkach objętościowych paliwo:woda od 1:1 do 19:1. W większości przypadków w celu stabilizacji emulsji dodawano od 1 do 2 procent objętościowych środka powierzchniowo czynnego.

Podstawowe informacje o spalaniu

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

Około 90% NO_x powstających w procesie spalania paliwa stanowi NO. NO powstaje przede wszystkim w wyniku utleniania azotu atmosferycznego (N₂). Woda dodana do paliwa obniża temperaturę spalania wskutek parowania wody. Gdy woda w emulsji paliwowo-wodnej paruje, otaczające ją paliwo również odparowuje. Zwiększa to powierzchnię paliwa. Niższa temperatura i lepsze rozprowadzenie paliwa prowadzą do ograniczenia powstawania NO_x.

Emulgowanie ultradźwiękowe

W wielu pracach wykazano, że wprowadzanie wody do procesu spalania paliwa prowadzi do zmniejszenia emisji NO_x . Wodę można dodać, tworząc emulsję paliwa i wody na dwa sposoby:

• bez stabilizacji: emulgowanie wody w paliwie w linii przepływowej przed wtryskiem
• ze stabilizacją: wytwarzanie stabilnej emulsji paliwa i wody do stosowania jako alternatywnego paliwa niewymagającego modyfikacji silnika

Canfield (1999) podsumowuje redukcję NO_x dzięki zastosowaniu wody i innych dodatków:

• emulsja niestabilizowana
  • dodana woda, % obj.: od 10 do 80%
  • NO_x – redukcja o: od 4 do 60%
• emulsja stabilizowana
  • dodana woda, % obj.: od 25 do 50%
  • NO_x – redukcja o: od 22 do 83%

Emulsja

Emulsja jest mieszaniną zwykle niemieszających się cieczy (faz), takich jak olej i woda. Podczas emulgowania faza rozproszona (np. woda) jest wprowadzana do fazy ciekłej (np. oleju). W wyniku zastosowania intensywnego ścinania, rozmiar cząstek (= rozmiar kropli) fazy rozproszonej ulega zmniejszeniu. Im mniejszy rozmiar cząstek, tym stabilniejsza jest wytworzona emulsja. Dodatkową stabilność można uzyskać przez wprowadzenie środków powierzchniowo czynnych lub stabilizatorów. Kliknij powyższą grafikę aby zobaczyć przykładowe wyniki ultradźwiękowego emulgowania 10% wody w oleju silnikowym (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Niemcy). Badanie to przeprowadzili Behrend i Schubert (2000).

Ultradźwięki

Podczas sonikacji cieczy z wysoką intensywnością fale dźwiękowe rozchodzące się w ośrodku ciekłym powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (sprężania) i niskiego ciśnienia (rozrzedzania), których częstość zależy od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności tworzą w cieczy małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie mogą już pochłaniać energii, gwałtownie zapadają się podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to nazywa się kawitacją. Podczas implozji lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury (około 5 000K) i ciśnienia (około 2 000atm). Implozja pęcherzyka kawitacyjnego powoduje również powstawanie strumieni cieczy o prędkości do 280m/s.

Udowodniono, że ultradźwięki wytwarzają bardzo jednorodne emulsje wody w oleju (w/o) i oleju w wodzie (o/w) dzięki intensywnemu ścinaniu kawitacyjnemu. Ponieważ parametry sonikacji można dobrze kontrolować, rozmiar cząstek i ich rozkład można precyzyjnie regulować i uzyskiwać w sposób powtarzalny. Zazwyczaj ultradźwięki stosuje się w reaktorze z komorą przepływową. Dzięki temu emulsja może być wytwarzana w sposób ciągły w linii przepływowej. Z tego powodu sonikację można wykorzystywać do wytwarzania emulsji stabilizowanych i niestabilizowanych.

Poniższa tabela przedstawia ogólną wydajność przetwarzania dla różnych poziomów mocy ultradźwiękowej.

Ultradźwiękowe odgazowywanie i odpienianie

Ultradźwięki pomagają również zmniejszyć liczbę pęcherzyków powietrza w mieszaninie emulsyjnej. Zdjęcie po prawej stronie pokazuje wpływ sonikacji na zawartość pęcherzyków (kolejne obrazy co 5 sekund, od lewej do prawej). Ponieważ zmiany zawartości pęcherzyków powodują wahania momentu wtrysku, odgazowywanie, odpowietrzanie i odpienianie za pomocą sonikacji poprawia osiągi silnika.

Ultradźwiękowe urządzenia procesowe

Hielscher jest wiodącym dostawcą urządzeń ultradźwiękowych o dużej wydajności, na świecie. Ponieważ Hielscher produkuje procesory ultradźwiękowe o mocy do 16kW na pojedyncze urządzenie, nie ma ograniczeń wielkości instalacji ani wydajności przetwarzania. Zespoły kilku systemów 16kW są wykorzystywane do wytwarzania dużych ilości paliw niewymagających modyfikacji silnika. Przemysłowe przetwarzanie paliw nie wymaga dużej ilości energii ultradźwiękowej. Rzeczywiste zapotrzebowanie na energię można określić za pomocą procesora ultradźwiękowego o mocy 1kW w skali stanowiska laboratoryjnego. Wszystkie wyniki takich prób laboratoryjnych można łatwo przenieść na większą skalę.

Koszty sonikacji

Sonikacja jest skuteczną technologią przetwarzania. Koszty przetwarzania ultradźwiękowego wynikają głównie z nakładów inwestycyjnych
na urządzenia ultradźwiękowe, kosztów mediów oraz konserwacji. Wyjątkowa sprawność energetyczna (patrz wykres) urządzeń ultradźwiękowych Hielscher pomaga obniżyć koszty mediów.

Literatura

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Wpływ lepkości fazy ciągłej na emulgowanie za pomocą ultradźwięków, w: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Wpływ spalania emulsji oleju napędowego i wody na emisje NO_x z silnika wysokoprężnego, w: praca magisterska przedłożona w szkole studiów podyplomowych University of Florida, 1999.