Снижение выбросов NOx за счёт эмульгирования масла с водой

Оксиды азота (NO_x) известны своей непосредственной опасностью для здоровья людей и состояния окружающей среды. Мобильные и стационарные дизельные и бензиновые двигатели вносят значительный вклад в мировые выбросы NO_x . Эмульгирование топлива с водой – один из способов снижения выбросов NO_x двигателями. Ультразвуковое эмульгирование – эффективный способ получения мелкодисперсных эмульсий топлива с водой.

Легковые и грузовые автомобили, самолёты, электрогенераторы, вилочные погрузчики, кондиционеры и котлы образуют большие количества твёрдых частиц (PM) и NO_x при сжигании нефтепродуктов. NO_x обозначает смеси монооксида азота (NO) и диоксида азота (NO₂), а также N₂O, NO₃, N₂O₄ и N₂O₅. Монооксид азота и диоксид азота способствуют образованию приземного озона и смога и опасны для окружающей среды и людей. Экологическое регулирование направлено на ограничение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу путём ужесточения предельных норм. Выбросы двигателей также содержат диоксид серы (SO₂), образующийся из соединений серы в топливе. Эта проблема уменьшается благодаря гидрообессериванию или обессериванию с применением ультразвука.

Работа на эмульсии топлива с водой

В последние годы проведено много исследований влияния воды на уровни выбросов NO_x . Для изучения характеристик горения испытывались различные объёмные соотношения топливо:вода от 1:1 до 19:1. В большинстве случаев для стабилизации эмульсии добавляли от 1 до 2 объёмных процентов поверхностно-активного вещества.

Основные сведения о горении

При сгорании топлива образуется тепловая и механическая энергия. Механическая составляющая может использоваться для приведения в движение поршней или турбин для обеспечения тяги или выработки электроэнергии. В большинстве двигателей тепловая энергия не используется. Это приводит к снижению термодинамического КПД.

Около 90% NO_x , образующихся при сгорании топлива, составляет NO. NO образуется преимущественно при окислении атмосферного азота (N₂). Вода, добавленная в топливо, снижает температуру горения за счёт своего испарения. Когда вода в топливно-водной эмульсии испаряется, окружающее её топливо также испаряется. Это увеличивает площадь поверхности топлива. Более низкая температура и более равномерное распределение топлива приводят к уменьшению образования NO_x.

Ультразвуковое эмульгирование

Во многих работах показано, что введение воды в процесс сгорания топлива позволяет снизить выбросы NO_x . Воду можно добавлять, формируя эмульсию топлива с водой двумя способами:

• без стабилизации: эмульгирование воды в топливе в потоке перед впрыском
• со стабилизацией: производство стабильной эмульсии топлива с водой для использования в качестве альтернативного топлива, не требующего модификации двигателя

Canfield (1999) обобщает данные о снижении выбросов NO_x при использовании воды и других добавок:

• нестабилизированная эмульсия
  • добавленная вода, об.%: от 10 до 80%
  • NO_x – снижение выбросов: от 4 до 60%
• стабилизированная эмульсия
  • добавленная вода, об.%: от 25 до 50%
  • NO_x – снижение выбросов: от 22 до 83%

Эмульсия

Эмульсия – это смесь, как правило, несмешивающихся жидкостей (фаз), таких как масло и вода. В процессе эмульгирования дисперсную фазу (например, воду) вводят в жидкую фазу (например, масло). Под действием интенсивного сдвига размер частиц (= размер капель) дисперсной фазы уменьшается. Чем меньше размер частиц, тем стабильнее полученная эмульсия. Дополнительной стабильности можно достичь введением поверхностно-активных веществ или стабилизаторов. Нажмите на изображение выше , чтобы увидеть примеры результатов ультразвукового эмульгирования 10% воды в моторном масле (Velocite 3, Mobil Oil, Гамбург, Германия). Это исследование провели Behrend и Schubert (2000).

Ультразвук

При обработке жидкостей ультразвуком высокой интенсивности звуковые волны, распространяющиеся в жидкой среде, вызывают чередующиеся циклы высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения), скорость чередования которых зависит от частоты. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки или полости. Когда пузырьки достигают объёма, при котором они больше не могут поглощать энергию, они резко схлопываются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией. При схлопывании локально достигаются очень высокие температуры (около 5 000K) и давления (около 2 000atm). Схлопывание кавитационного пузырька также приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280m/s.

Доказано, что ультразвук позволяет получать очень однородные эмульсии воды в масле (w/o) и масла в воде (o/w) благодаря интенсивному кавитационному сдвигу. Поскольку параметры обработки ультразвуком хорошо поддаются контролю, размер частиц и их распределение можно точно регулировать и воспроизводить. Обычно ультразвук применяют в реакторе с проточной ячейкой. Поэтому эмульсию можно производить непрерывно в потоке. По этой причине обработку ультразвуком можно использовать для получения стабилизированных и нестабилизированных эмульсий.

В таблице ниже приведены общие значения производительности обработки для различных уровней ультразвуковой мощности.

Ультразвуковая дегазация и пеногашение

Ультразвук также помогает уменьшить количество пузырьков воздуха в эмульсионной смеси. Изображение справа показывает влияние обработки ультразвуком на содержание пузырьков (последовательные снимки с интервалом 5 секунд, слева направо). Поскольку изменения содержания пузырьков вызывают колебания момента впрыска, дегазация, деаэрация и пеногашение с помощью обработки ультразвуком улучшают работу двигателя.

Ультразвуковое технологическое оборудование

Hielscher – ведущий поставщик высокопроизводительных ультразвуковых устройств во всём мире. Поскольку Hielscher производит ультразвуковые процессоры мощностью до 16kW на одно устройство, размер производственной установки не ограничен , как и производительность обработки. Группы из нескольких систем мощностью 16kW используются для производства больших объёмов топлива, не требующего модификации двигателя. Промышленная обработка топлива не требует большого количества ультразвуковой энергии. Фактическую потребность в энергии можно определить в настольном масштабе с помощью ультразвукового процессора мощностью 1kW. Все результаты таких испытаний на настольной установке можно легко масштабировать.

Затраты на обработку ультразвуком

Обработка ультразвуком – эффективная технологическая операция. Затраты на ультразвуковую обработку складываются главным образом из инвестиций
в ультразвуковые устройства, затрат на энергоснабжение и техническое обслуживание. Исключительная энергоэффективность (см. диаграмму) ультразвуковых устройств Hielscher помогает снизить затраты на энергоснабжение.

Литература

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Влияние вязкости непрерывной фазы на эмульгирование ультразвуком, в: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Влияние сгорания дизельно-водной эмульсии на выбросы NO_x дизельным двигателем, в: магистерская диссертация, представленная в школу последипломного образования Университета Флориды, 1999.