Reducerea NOx prin emulsionare ulei/apă

Oxizii de azot (NO_x) sunt cunoscuți ca fiind imediat periculoși pentru sănătatea umană și a mediului. Motoarele diesel și pe benzină, mobile și staționare, contribuie în mare măsură la emisiile de NO_x la nivel mondial. Emulsionarea combustibilului cu apă este o modalitate de a reduce emisiile de NO_x ale motoarelor. Emulsionarea cu ultrasunete este un mijloc eficient de a genera emulsii fine combustibil/apă.

Autoturismele și camioanele, aeronavele, generatoarele electrice, stivuitoarele, unitățile de aer condiționat și cazanele generează cantități mari de particule în suspensie (PM) și NO_x prin arderea produselor petroliere. Termenul NO_x se referă la amestecuri de monoxid de azot (NO) și dioxid de azot (NO₂), precum și N₂O, NO₃, N₂O₄ și N₂O₅. Monoxidul de azot și dioxidul de azot contribuie la formarea ozonului troposferic și a smogului și sunt periculoși pentru mediu și pentru oameni. Reglementările de mediu abordează emisiile de poluanți atmosferici prin înăsprirea limitelor. Emisiile motoarelor includ, de asemenea, dioxid de sulf (SO₂) ca urmare a compușilor de sulf din combustibil. Această problemă este redusă prin hidrodesulfurare sau prin desulfurare asistată cu ultrasunete.

Funcționarea cu emulsie combustibil/apă

În ultimii ani, s-au efectuat numeroase studii privind influența apei asupra NO_x în ceea ce privește nivelurile de emisie. Diverse rapoarte volumetrice combustibil:apă, de la 1:1 la 19:1, au fost testate pentru a determina proprietățile de ardere. În majoritatea cazurilor, pentru stabilizarea emulsiei s-a adăugat între 1 și 2 procente volumetrice de surfactant.

Informații generale despre ardere

Arderea combustibilului generează energie termică și mecanică. Fracțiunea mecanică poate fi utilizată pentru a acționa pistoane sau turbine în scopul propulsiei sau al generării de energie electrică. În majoritatea motoarelor, energia termică nu este utilizată. Aceasta are ca rezultat o eficiență termodinamică mai scăzută.

Aprox. 90% din NO_x rezultat din procesul de ardere a combustibilului este NO. NO se formează în principal prin oxidarea azotului atmosferic (N₂). Apa adăugată în combustibil scade temperatura de ardere datorită evaporării apei. Când apa din emulsia combustibil-apă se evaporă, combustibilul din jur este și el vaporizat. Aceasta mărește suprafața combustibilului. Temperatura mai scăzută și distribuția mai bună a combustibilului conduc la o formare mai redusă de NO_x.

Emulsionarea cu ultrasunete

Numeroase lucrări au arătat că introducerea apei în procesul de ardere a combustibilului are ca efect reducerea NO_x din emisii. Apa poate fi adăugată prin formarea unei emulsii combustibil/apă în două moduri:

• nestabilizată: emulsionarea în linie a apei în combustibil înainte de injecție
• stabilizată: fabricarea unei emulsii stabile combustibil/apă care să fie utilizată ca alternativă de combustibil direct substituibilă (drop-in)

Canfield (1999) rezumă reducerea NO_x prin utilizarea apei și a altor aditivi:

• emulsie nestabilizată
  • apă adăugată, vol%: 10 până la 80%
  • Reducerea NO_x cu: 4 până la 60%
• emulsie stabilizată
  • apă adăugată, vol%: 25 până la 50%
  • Reducerea NO_x cu: 22 până la 83%

Emulsie

O emulsie este un amestec, în general, de lichide nemiscibile (faze), cum ar fi uleiul și apa. În timpul procesului de emulsionare, faza dispersă (de ex. apa) este introdusă în faza lichidă (de ex. uleiul). Prin aplicarea unei forfecări ridicate, dimensiunea particulelor (= dimensiunea picăturilor) fazei disperse este redusă. Cu cât dimensiunea particulelor este mai mică, cu atât emulsia generată este mai stabilă. O stabilitate suplimentară poate fi obținută prin introducerea de surfactanți sau stabilizatori. Faceți clic pe graficul de mai sus pentru a vedea exemple de rezultate ale emulsionării cu ultrasunete a 10% apă în ulei de motor (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg Germania). Acest studiu a fost realizat de Behrend și Schubert (2000).

Ultrasunete

La sonicarea lichidelor la intensități ridicate, undele sonore care se propagă în mediile lichide generează cicluri alternante de înaltă presiune (compresie) și de joasă presiune (rarefiere), cu o rată care depinde de frecvență. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de mare intensitate creează mici bule de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, ele colapsează violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen se numește cavitație. În timpul imploziei se ating local temperaturi foarte ridicate (aprox. 5.000K) și presiuni foarte ridicate (aprox. 2.000atm). Implozia bulei de cavitație are ca rezultat și jeturi de lichid cu viteze de până la 280m/s.

S-a demonstrat că ultrasunetele generează emulsii foarte omogene de apă în ulei (w/o) și de ulei în apă (o/w) prin forfecarea cavitațională ridicată. Deoarece parametrii sonicării sunt bine controlabili, dimensiunea și distribuția particulelor sunt bine reglabile și repetabile. De obicei, ultrasunetele sunt aplicate într-un reactor cu celulă de flux. Prin urmare, emulsia poate fi produsă continuu, în linie. Din acest motiv, sonicarea poate fi utilizată pentru producerea de emulsii stabilizate și nestabilizate.

Tabelul de mai jos prezintă capacitățile generale de procesare pentru diverse niveluri de putere ultrasonică.

Degazare și antispumare cu ultrasunete

Ultrasunetele contribuie, de asemenea, la reducerea cantității de bule de aer din amestecul emulsiei. Imaginea din dreapta prezintă efectul sonicării asupra conținutului de bule (imagini de progres la 5sec., de la stânga la dreapta). Deoarece variațiile conținutului de bule provoacă fluctuații ale momentului injecției, o degazare, dezaerare și antispumare prin sonicare îmbunătățește performanța motorului.

Echipamente de proces cu ultrasunete

Hielscher este furnizorul lider de dispozitive cu ultrasunete de mare capacitate, la nivel mondial. Deoarece Hielscher produce procesoare cu ultrasunete cu o putere de până la 16kW per dispozitiv individual, nu există nicio limită în ceea ce privește dimensiunea instalației sau capacitatea de procesare. Clustere de mai multe sisteme de 16kW sunt utilizate pentru fabricarea unor volume mari de combustibili direct substituibili (drop-in). Procesarea industrială a combustibililor nu necesită multă energie ultrasonică. Necesarul real de energie poate fi determinat utilizând un procesor cu ultrasunete de 1kW la scară de laborator (bench-top). Toate rezultatele unor astfel de teste de laborator pot fi scalate cu ușurință.

Costurile sonicării

Sonicarea este o tehnologie de procesare eficientă. Costurile procesării cu ultrasunete rezultă în principal din investiția
în dispozitive cu ultrasunete, din costurile utilităților și din întreținere. Remarcabila eficiență energetică (a se vedea graficul) a dispozitivelor cu ultrasunete Hielscher contribuie la reducerea costurilor utilităților.

Bibliografie

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

Canfield, A., C. (1999): Efectele combustiei emulsiei diesel-apă asupra motorului diesel NO_x Emissions, în: Lucrare de masterat (Master Thesis) prezentată școlii de studii postuniversitare a University of Florida, 1999.