Redukcia NOx emulgáciou oleja/vody
Oxidy dusíka (NOx) sú známe tým, že sú bezprostredne nebezpečné pre ľudské zdravie a zdravie životného prostredia. Mobilné a stacionárne dieselové a benzínové motory vo veľkej miere prispievajú k celosvetovému NOx Emisií. Emulgácia paliva vodou je spôsob, ako znížiť NOx emisií motorov. Ultrazvuková emulgácia je účinným prostriedkom na vytváranie jemných emulzií paliva/vody.
Vyrábajú osobné a nákladné autá, lietadlá, elektrické generátory, vysokozdvižné vozíky, klimatizačné jednotky a kotly veľké množstvo tuhých častíc (PM) a NOx spaľovaním ropných produktov. NIEx vzťahuje sa na zmesi oxidu dusnatého (NO) a oxidu dusnatého (NO2), ako aj N2O, NIE3, N2O4 a N2O5. Oxid dusnatý a oxid dusnatý prispievajú k nízkej hladine ozónu, smogu a sú nebezpečné pre životné prostredie a ľudí. Environmentálne predpisy riešia emisie látok znečisťujúcich ovzdušie sprísňovanie limitov. Emisie motorov zahŕňajú aj oxid siričitý (SO2) v dôsledku zlúčenín síry v palive. Tento problém sa znižuje hydrodesulfurizáciou alebo ultrazvukom asistované odsírenie.
Prevádzka na emulzii palivo/voda
V posledných rokoch sa vykonalo veľa práce na vplyv vody na NOx úrovne emisií. Na spaľovacie vlastnosti boli testované 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.
Pozadie spaľovania
Pri spaľovaní paliva sa vytvára tepelná a mechanická energia. Mechanická frakcia môže byť použitá na pohon piestov alebo turbín na pohon alebo výrobu elektriny. Vo väčšine motorov sa tepelná energia nevyužíva. To má za následok nižšiu termodynamickú účinnosť.
Približne 90 % NOx vyplývajúci z procesu spaľovania paliva je NIE. NO vzniká primárne oxidáciou atmosférického dusíka (N2). Voda pridaná do paliva znižuje teplotu spaľovania v dôsledku odparovania vody. Keď sa voda v emulzii palivo-voda odparí, odparí sa aj okolité palivo. Tým sa zväčší povrch paliva. Nižšia teplota a lepšia distribúcia paliva vedú k nižšia tvorba NOx.
Ultrazvuková emulgácia
Zavádzanie vody do spaľovania paliva sa v mnohých prácach ukázalo, že znížte NOx Emisií. Vodu je možné pridať vytvorením emulzie palivo/voda dvoma spôsobmi:
- nestabilizované: inline emulgácia vody do paliva pred vstrekovaním
- Stabilizovaný: výroba stabilnej emulzie palivo/voda, ktorá sa použije ako alternatíva paliva
Canfield (1999) zhŕňa NIEx Zníženie použitím vody a iných prísad:
- nestabilizovaná emulzia
- Objem pridanej vody: 10 až 80%
- NIEx Zníženie o: 4 až 60 %
- stabilizovaná emulzia
- Objem pridanej vody: 25 až 50%
- NIEx Zníženie o: 22 až 83 %
emulzia
Emulzia je zmesou všeobecne nemiešateľné kvapaliny (fázy), ako je olej a voda. Počas procesu emulgácie sa disperzná fáza (napr. voda) zavádza do kvapalnej fázy (napr. olej). Uplatnením vysoký strih, veľkosť častíc (= veľkosť kvapôčok) disperznej fázy sa zmenší. Čím menšia je veľkosť častíc, tým stabilnejšia je vytvorená emulzia. Dodatočnú stabilitu je možné dosiahnuť zavedením povrchovo aktívnych látok alebo stabilizátorov. Kliknite na grafiku vyššie aby ste videli vzorové výsledky ultrazvukovej emulgácie 10% vody v motorovom oleji (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Nemecko). Túto štúdiu uskutočnil Behrend a Schubert (2000).
Ultrazvuk
Pri sonikovaní kvapalín pri vysokej intenzite majú zvukové vlny, ktoré sa šíria do kvapalného média, za následok striedanie vysokotlakových (kompresných) a nízkotlakových (zriedených) cyklov s rýchlosťou v závislosti od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou malé vákuové bubliny alebo dutiny v kvapaline. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nemôžu absorbovať energiu, prudko sa zrútia počas vysokotlakového cyklu. Tento jav sa nazýva kavitácia. Počas implózie sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 atm). Implózia kavitačnej bubliny má tiež za následok prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 280 m/s.
Ultrazvuk preukázateľne vytvára veľmi homogénne emulzie vody v oleji (w/o) a oleja vo vode (o/w) vysoký kavitačný strih. Keďže parametre ultrazvuku sú dobre kontrolovateľné, veľkosť a distribúcia častíc je dobrá nastaviteľné a opakovateľné. Ultrazvuk sa zvyčajne aplikuje v reaktore s prietokovými bunkami. Preto môže byť emulzia Vyrába sa nepretržite v rade. Z tohto dôvodu je možné ultrazvuk použiť na výrobu stabilizovaných a nestabilizovaných emulzií.
V nasledujúcej tabuľke sú uvedené všeobecné kapacity spracovania pre rôzne úrovne ultrazvukového výkonu.
Prietok
|
Požadovaný výkon
|
---|---|
100 do 400 l/hod
|
1kW, napr. UIP1000hd
|
400 do 1600 l/hod
|
4 kW, napr. UIP4000
|
1.5 do 6,5 m³/hod
|
16 kW, napr. UIP16000
|
10 do 40 m³/hod
|
96 kW, napr. 6xUIP16000
|
100 do 400 m³/hod
|
960 kW, napr. 60xUIP16000
|
Ultrazvukové odplyňovanie a odpeňovaniep0200.jpg)
Ultrazvuk tiež pomáha znížiť množstvo vzduchových bublín v emulznej zmesi. Obrázok vpravo zobrazuje účinok (5 sekúnd priebehu obrázkov zľava doprava) ultrazvuku na obsah bubliny. Keďže zmeny v obsahu bublín spôsobujú kolísanie v načasovaní vstrekovania, odplyňovanie, odvzdušňovanie a odpeňovanie ultrazvukom zlepšuje výkon motora.
Ultrazvukové procesné zariadenia
Hielscher je popredný dodávateľ vysokokapacitných ultrazvukových zariadenícelosvetový. Ako Hielscher vyrába ultrazvukové procesory až 16 kW Výkon na jedno zariadenieje Veľkosť rastliny nie je obmedzená alebo spracovateľskú kapacitu. Na výrobu veľkých objemov padacích palív sa používajú zoskupenia niekoľkých 16kW systémov. Priemyselné spracovanie palív nepotrebuje veľa ultrazvukovej energie. Skutočnú spotrebu energie je možné určiť pomocou 1kW ultrazvukového procesora v stolovej váhe. Všetky výsledky takýchto skúšobných skúšok môžu byť Jednoduché zväčšenie.
Náklady na ultrazvuk
Ultrazvuk je efektívna technológia spracovania. Náklady na ultrazvukové spracovanie vyplývajú najmä z investície
pre ultrazvukové prístroje, náklady na energie a údržbu. Vynikajúce energetická účinnosť (pozri graf) ultrazvukových prístrojov Hielscher pomáha znižovať náklady na energie.
Literatúra
Behrend, O., Schubert, H. (2000): Vplyv viskozity kontinuálnej fázy na emulgáciu ultrazvukom, v: Ultrazvuková sonochémia 7 (2000) 77-85.
Canfield, A., C. (1999): Účinky spaľovania emulziou nafty a vody na dieselový motor NIEx Emisie, v: Magisterská práca prezentovaná na postgraduálnej škole Floridskej univerzity, 1999.