Redução de NOx por emulsificação óleo/água

Óxidos de azoto (NO_x) são conhecidos por serem imediatamente perigosos para a saúde humana e ambiental. Os motores móveis e estacionários a diesel e a gasolina estão a contribuir largamente para o aumento mundial das emissões de NO_x . A emulsificação do combustível com água é uma forma de reduzir as emissões de NO_x dos motores. A emulsificação ultra-sónica é um meio eficaz para gerar emulsões finas de combustível/água.

Carros e camiões, aviões, geradores eléctricos, empilhadores, unidades de ar condicionado e caldeiras geram grandes quantidades de partículas (PM) e NO_x pela combustão de produtos petrolíferos. NÃO_x refere-se a misturas de óxido nítrico (NO) e dióxido de azoto (NO₂), bem como N₂O, NO₃, N₂O₄ e N₂O₅. Óxido nítrico e dióxido nítrico contribuem para o ozono de baixa intensidade, o smog e são perigosos para o ambiente e para os seres humanos. A regulamentação ambiental aborda as emissões de poluentes atmosféricos através de limites mais rigorosos. As emissões dos motores incluem também o dióxido de enxofre (SO₂) devido à presença de compostos de enxofre no combustível. Este problema é reduzido pela hidrodessulfurização ou dessulfuração assistida por ultra-sons.

Funcionamento com emulsão combustível/água

Nos últimos anos, muito se tem trabalhado sobre a influência da água no NO_x níveis de emissão. Foram testados vários rácios volumétricos de combustível:água, de 1:1 a 19:1, relativamente às propriedades de combustão. Na maioria dos casos, foi adicionado 1 a 2 por cento em volume de surfactante para estabilizar a emulsão.

Antecedentes da combustão

A combustão do combustível gera energia térmica e mecânica. A fração mecânica pode ser utilizada para acionar pistões ou turbinas para propulsão ou produção de eletricidade. Na maioria dos motores, a energia térmica não é utilizada. Isto resulta numa eficiência termodinâmica inferior.

Cerca de 90% das emissões de NO_x resultante do processo de combustão dos combustíveis é o NO. O NO é formado principalmente pela oxidação do azoto atmosférico (N₂). A água adicionada ao combustível reduz a temperatura de combustão devido à evaporação da água. Quando a água na emulsão combustível-água se evapora, o combustível circundante também se vaporiza. Isto aumenta a área de superfície do combustível. A temperatura mais baixa e a melhor distribuição do combustível estão a conduzir a um menor formação de NO_x.

Emulsificação por ultra-sons

A introdução de água na combustão do combustível foi demonstrada em muitos trabalhos como baixar o teor de NO_x emissões. A água pode ser adicionada através da formação de uma emulsão combustível/água de duas formas:

• não estabilizado: emulsificação em linha da água no combustível antes da injeção
• estabilizado: fabrico de uma emulsão estável combustível/água para ser utilizada como combustível alternativo

Canfield (1999) resume as emissões de NO_x redução através da utilização de água e outros aditivos:

• emulsão não estabilizada
  • água adicionada vol%: 10 a 80%
  • Não_x redução por: 4 a 60%
• emulsão estabilizada
  • água adicionada vol%: 25 a 50%
  • Não_x redução por: 22 a 83%

Emulsão

Uma emulsão é uma mistura de geralmente líquidos imiscíveis (fases), como o óleo e a água. Durante o processo de emulsificação, a fase dispersa (por exemplo, água) é introduzida na fase líquida (por exemplo, óleo). Através da aplicação de alto cisalhamentoA partir da fase dispersa, o tamanho das partículas (= tamanho das gotículas) é reduzido. Quanto menor for o tamanho das partículas, mais estável é a emulsão gerada. A estabilidade adicional pode ser alcançada através da introdução de surfactantes ou estabilizadores. Clique no gráfico acima para ver os resultados da amostra para a emulsificação ultra-sónica de 10% de água em óleo de motor (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburgo, Alemanha). Este estudo foi efectuado por Behrend e Schubert (2000).

Ultrassom

Ao sonicar líquidos a altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam no meio líquido resultam em ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas que dependem da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou espaços vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume em que já não conseguem absorver energia, entram em colapso violento durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno é designado por cavitação. Durante a implosão são atingidas localmente temperaturas (aprox. 5.000K) e pressões (aprox. 2.000atm) muito elevadas. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jactos de líquido com uma velocidade de até 280m/s.

Está provado que os ultra-sons geram emulsões muito homogéneas de água em óleo (w/o) e óleo em água (o/w) pelo método cisalhamento cavitacional elevado. Como os parâmetros da ultrassonografia são bem controláveis, o tamanho e a distribuição das partículas são bem ajustável e repetível. Normalmente, os ultra-sons são aplicados num reator de célula de fluxo. Assim, a emulsão pode ser fabricado continuamente em linha. Por esta razão, a ultrassonografia pode ser utilizada para o fabrico de emulsões estabilizadas e não estabilizadas.

A tabela abaixo mostra as capacidades gerais de processamento para vários níveis de potência ultra-sónica.

Desgaseificação e remoção de espuma por ultra-sons

Os ultra-sons também ajudam a reduzir a quantidade de bolhas de ar na mistura de emulsão. A imagem à direita mostra o efeito (imagens progressivas de 5 segundos da esquerda para a direita) da ultra-sons no teor de bolhas. Como as variações no teor de bolhas causam flutuações no tempo de injeção, um desgaseificação, desaeração e antiespuma por ultra-sons melhora o desempenho do motor.

Equipamento de processo ultrassónico

Hielscher é o fornecedor líder de dispositivos ultra-sónicos de alta capacidadeem todo o mundo. Como a Hielscher fabrica processadores ultra-sónicos de até 16kW potência por dispositivo único, existe sem limite de tamanho da planta ou capacidade de processamento. Estão a ser utilizados grupos de vários sistemas de 16kW para o fabrico de grandes volumes de combustíveis drop-in. Processamento industrial de combustíveis não necessita de muita energia ultra-sónica. A necessidade real de energia pode ser determinada utilizando um processador ultrassónico de 1kW em escala de bancada. Todos os resultados de tais ensaios de bancada podem ser facilmente escalável.

Custos da ultrassonografia

A ultrassonografia é uma tecnologia de processamento eficaz. Os custos do processamento por ultra-sons resultam principalmente do investimento
para dispositivos ultra-sónicos, custos de serviços públicos e manutenção. A excelente eficiência energética (ver gráfico) dos dispositivos ultra-sónicos da Hielscher ajuda a reduzir os custos de utilização.

Literatura

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influência da viscosidade da fase contínua na emulsificação por ultrassom, em: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Effects of Diesel-Water Emulsion Combustion on Diesel Engine NO_x Emissões, em: Tese de Mestrado apresentada à Escola de Pós-Graduação da Universidade da Flórida, 1999.