Zníženie NOx emulgáciou oleja a vody

O oxidoch dusíka (NO_x) je známe, že predstavujú bezprostredné nebezpečenstvo pre ľudské zdravie a životné prostredie. Mobilné a stacionárne dieselové a benzínové motory vo veľkej miere prispievajú k celosvetovým emisiám NO_x . Emulgácia paliva s vodou je spôsob, ako znížiť emisie NO_x z motorov. Ultrazvuková emulgácia je účinný prostriedok na vytváranie emulzií paliva a vody s jemnými kvapôčkami.

Osobné a nákladné automobily, lietadlá, elektrické generátory, vysokozdvižné vozíky, klimatizačné jednotky a kotly vytvárajú veľké množstvá tuhých častíc (PM) a NO_x spaľovaním ropných produktov. NO_x označuje zmesi oxidu dusnatého (NO) a oxidu dusičitého (NO₂), ako aj N₂O, NO₃, N₂O₄ a N₂O₅. Oxid dusnatý a oxid dusičitý prispievajú k tvorbe prízemného ozónu a smogu a sú nebezpečné pre životné prostredie a ľudí. Environmentálne predpisy riešia emisie látok znečisťujúcich ovzdušie prostredníctvom sprísňovania limitov. Emisie motorov obsahujú aj oxid siričitý (SO₂) v dôsledku prítomnosti zlúčenín síry v palive. Tento problém sa zmierňuje hydrodesulfurizáciou alebo od sírením podporovaným ultrazvukom.

Prevádzka na emulziu paliva a vody

V posledných rokoch sa vykonalo veľa výskumov zameraných na vplyv vody na úroveň emisií NO_x . Z hľadiska spaľovacích vlastností sa testovali rôzne objemové pomery palivo:voda od 1:1 do 19:1. Vo väčšine prípadov sa na stabilizáciu emulzie pridalo 1 až 2 objemové percentá povrchovo aktívnej látky.

Základné informácie o spaľovaní

Spaľovaním paliva vzniká tepelná a mechanická energia. Mechanickú zložku možno využiť na pohon piestov alebo turbín na zabezpečenie pohybu alebo výrobu elektriny. Vo väčšine motorov sa tepelná energia nevyužíva. Výsledkom je nižšia termodynamická účinnosť.

Približne 90% NO_x vznikajúcich pri spaľovaní paliva tvorí NO. NO vzniká predovšetkým oxidáciou atmosférického dusíka (N₂). Voda pridaná do paliva znižuje teplotu spaľovania v dôsledku svojho odparovania. Keď sa voda v emulzii paliva a vody odparuje, odparuje sa aj okolité palivo. Tým sa zväčšuje plocha povrchu paliva. Nižšia teplota a lepšie rozptýlenie paliva vedú k nižšej tvorbe NO_x.

Ultrazvuková emulgácia

V mnohých prácach sa preukázalo, že zavádzanie vody do procesu spaľovania paliva vedie k zníženiu_x emisií. Vodu možno pridať vytvorením emulzie paliva a vody dvoma spôsobmi:

• nestabilizovaná: kontinuálna emulgácia vody do paliva priamo v potrubí pred vstrekovaním
• stabilizovaná: výroba stabilnej emulzie paliva a vody určenej na použitie ako alternatívne palivo bez potreby úprav motora

Canfield (1999) sumarizuje zníženie NO_x použitím vody a ďalších prísad:

• nestabilizovaná emulzia
  • pridaná voda v objemových %: 10 až 80%
  • NO_x – zníženie o: 4 až 60%
• stabilizovaná emulzia
  • pridaná voda v objemových %: 25 až 50%
  • NO_x – zníženie o: 22 až 83%

Emulzia

Emulzia je zmes spravidla nemiešateľných kvapalín (fáz), ako sú olej a voda. Počas emulgácie sa dispergovaná fáza (napr. voda) zavádza do kvapalnej fázy (napr. oleja). Pôsobením vysokého šmykusa zmenšuje veľkosť častíc (= veľkosť kvapôčok) dispergovanej fázy. Čím menšia je veľkosť častíc, tým stabilnejšia je vytvorená emulzia. Ďalšiu stabilitu možno dosiahnuť pridaním povrchovo aktívnych látok alebo stabilizátorov. Kliknite na obrázok vyššie a pozrite si ukážkové výsledky ultrazvukovej emulgácie 10% vody v motorovom oleji (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Nemecko). Túto štúdiu uskutočnili Behrend a Schubert (2000).

Ultrazvuk

Pri sonikácii kvapalín s vysokou intenzitou spôsobujú zvukové vlny šíriace sa kvapalným médiom striedanie vysokotlakových (stláčanie) a nízkotlakových (zrieďovanie) cyklov, ktorých rýchlosť striedania závisí od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kvapaline malé vákuové bubliny alebo dutiny. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nedokážu absorbovať energiu, počas vysokotlakového cyklu prudko skolabujú. Tento jav sa nazýva kavitácia. Počas implózie sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty (približne 5 000K) a tlaky (približne 2 000atm). Implózia kavitačnej bubliny spôsobuje aj vznik kvapalinových prúdov s rýchlosťou až 280m/s.

Preukázalo sa, že ultrazvuk vytvára veľmi homogénne emulzie vody v oleji (w/o) a oleja vo vode (o/w) pôsobením vysokého kavitačného šmyku. Keďže parametre ultrazvukového spracovania možno dobre regulovať, veľkosť častíc a ich distribúciu možno spoľahlivo nastavovať a reprodukovať. Ultrazvuk sa zvyčajne aplikuje v reaktore s prietokovou celou. Emulziu preto možno vyrábať kontinuálne priamo v potrubí. Z tohto dôvodu možno ultrazvukové spracovanie využiť na výrobu stabilizovaných aj nestabilizovaných emulzií.

Nasledujúca tabuľka uvádza všeobecné spracovateľské kapacity pre rôzne úrovne ultrazvukového výkonu.

Ultrazvukové odplyňovanie a odpeňovanie

Ultrazvuk tiež pomáha znižovať množstvo vzduchových bublín v emulznej zmesi. Obrázok vpravo zobrazuje účinok ultrazvukového spracovania na obsah bublín (snímky priebehu v 5-sekundových intervaloch zľava doprava). Keďže zmeny obsahu bublín spôsobujú kolísanie časovania vstrekovania, odplyňovanie, odvzdušňovanie a odpeňovanie pomocou ultrazvuku zlepšuje výkonnosť motora.

Ultrazvukové procesné zariadenia

Hielscher je popredným dodávateľom vysokokapacitných ultrazvukových zariadenína celom svete. Keďže Hielscher vyrába ultrazvukové procesory s výkonom až 16kW na jedno zariadenie, veľkosť prevádzky nie je obmedzená a nie je obmedzená ani spracovateľská kapacita. Zostavy niekoľkých 16kW systémov sa používajú na výrobu veľkých objemov palív použiteľných bez úprav motora. Priemyselné spracovanie palív nevyžaduje veľa ultrazvukovej energie. Skutočnú energetickú náročnosť možno určiť pomocou 1kW ultrazvukového procesora v laboratórnej stolovej mierke. Všetky výsledky takýchto skúšok možno jednoducho preniesť do väčšej výrobnej mierky.

Náklady na ultrazvukové spracovanie

Ultrazvukové spracovanie je účinná technológia spracovania. Náklady na ultrazvukové spracovanie vyplývajú najmä z investícií
do ultrazvukových zariadení, nákladov na energie a médiá a z údržby. Vynikajúca energetická účinnosť (pozri graf) ultrazvukových zariadení Hielscher pomáha znižovať náklady na energie a médiá.

Literatúra

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Vplyv viskozity spojitej fázy na emulgáciu ultrazvukom, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Účinky spaľovania emulzie nafty a vody na emisie NO_x dieselového motora, in: Diplomová práca predložená na Graduate School University of Florida, 1999.