Zmanjšanje NOx z emulgiranjem olja/vode

Dušikovi oksidi (NO_x) je znano, da so neposredno nevarne za zdravje ljudi in okolje. Mobilni in stacionarni dizelski in bencinski motorji v veliki meri prispevajo k svetovni NE_x Emisij. Emulgiranje goriva z vodo je način za zmanjšanje NO_x emisije motorjev. Ultrazvočna emulzifikacija je učinkovito sredstvo za ustvarjanje drobnih emulzij goriva / vode.

Avtomobili in tovornjaki, letala, električni generatorji, viličarji, klimatske naprave in kotli velike količine trdnih delcev (PM) in NO_x z zgorevanjem naftnih derivatov. NE_x se nanaša na zmesi dušikovega oksida (NO) in dušikovega dioksida (NO)₂) in N₂O, NE₃, N₂O₄ in N₂O₅. Dušikov oksid in dušikov dioksid prispevajo k nizki ravni ozona, smoga in so nevarni za okolje in ljudi. Okoljski predpisi obravnavajo emisije onesnaževal zraka z Zaostritev omejitev. Emisije motorjev vključujejo tudi žveplov dioksid (SO₂) zaradi žveplovih spojin v gorivu. Ta problem se zmanjša z razžvepljevanjem z vodikom ali ultrazvočno podprto razžvepljevanje.

Delovanje na emulziji goriva/vode

V zadnjih letih je bilo opravljenega veliko dela na področju vpliv vode na NE_x ravni emisij. Za lastnosti zgorevanja so bila preizkušena različna volumetrična razmerja med gorivom in vodo od 1:1 do 19:1. V večini primerov je bil za stabilizacijo emulzije dodan 1 do 2 volumna površinsko aktivne snovi.

Ozadje zgorevanja

Zgorevanje goriva proizvaja toplotno in mehansko energijo. Mehanska frakcija se lahko uporablja za pogon batov ali turbin za pogon ali proizvodnjo električne energije. V večini motorjev se toplotna energija ne uporablja. To ima za posledico nižjo termodinamično učinkovitost.

Približno 90 % NE_x ki izhaja iz procesa zgorevanja goriva, je NE. NO nastane predvsem z oksidacijo atmosferskega dušika (N₂). Voda, dodana gorivu, zniža temperaturo zgorevanja zaradi izhlapevanja vode. Ko voda v emulziji gorivo-voda izhlapi, izhlapi tudi okoliško gorivo. To poveča površino goriva. Nižja temperatura in boljša porazdelitev goriva vodita do nižja tvorba NO_x.

Ultrazvočna emulzifikacija

Uvajanje vode v zgorevanje goriva je bilo v številnih delih dokazano, da znižajte NE_x Emisij. Vodo lahko dodamo z oblikovanjem emulzije gorivo/voda na dva načina:

• nestabilizirano: inline emulgiranje vode v gorivo pred vbrizgavanjem
• Stabiliziran: izdelava stabilne emulzije gorivo/voda, ki se uporablja kot alternativa gorivu

Canfield (1999) povzema NE_x zmanjšanje z uporabo vode in drugih dodatkov:

• nestabilizirana emulzija
  • Volumenski delež dodane vode: 10 do 80%
  • NE_x znižanje za: 4 do 60%
• stabilizirana emulzija
  • Volumen dodane vode: 25 do 50%
  • NE_x znižanje za: 22 do 83%

emulzija

Emulzija je mešanica na splošno tekočine, ki se ne mešajo (faze), kot sta olje in voda. Med postopkom emulgiranja se disperzna faza (npr. voda) vnese v tekočo fazo (npr. olje). Z uporabo visoko striženjese velikost delcev (= velikost kapljic) disperzne faze zmanjša. Manjša kot je velikost delcev, bolj stabilna je nastala emulzija. Dodatno stabilnost lahko dosežemo z uvedbo površinsko aktivnih snovi ali stabilizatorjev. Kliknite na zgornjo grafiko za ogled vzorčnih rezultatov za ultrazvočno emulgiranje 10% vode v motornem olju (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Nemčija). To študijo je izvedel Behrend in Schubert (2000).

Ultrazvok

Pri ultrazvočnih tekočinah pri visokih intenzivnostih zvočni valovi, ki se širijo v tekoče medije, povzročijo izmenične cikle visokega tlaka (stiskanje) in nizkega tlaka (redčenje), s hitrostmi, ki so odvisne od frekvence. Med nizkotlačnim ciklom ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali praznine v tekočini. Ko mehurčki dosežejo prostornino, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka silovito zrušijo. Ta pojav se imenuje kavitacija. Med implozijo se lokalno dosežejo zelo visoke temperature (približno 5.000 K) in tlaki (približno 2.000 atm). Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči tudi tekoče curke s hitrostjo do 280 m / s.

Dokazano je, da ultrazvok ustvarja zelo homogene emulzije vode v olju (w/o) in olja v vodi (o/m) z visoka kavitacijska strižnost. Ker so parametri ultrazvočnega razglašanja dobro nadzorovani, je velikost in porazdelitev delcev dobro nastavljiv in ponovljiv. Običajno se ultrazvok uporablja v reaktorju s pretočnimi celicami. Zato je emulzija lahko Izdelava neprekinjeno v vrstici. Iz tega razloga se ultrazvok lahko uporablja za izdelavo stabiliziranih in nestabiliziranih emulzij.

Spodnja tabela prikazuje splošne zmogljivosti obdelave za različne ravni ultrazvočne moči.

Ultrazvočno razplinjevanje in penjenje

Ultrazvok pomaga tudi zmanjšati količino zračnih mehurčkov v emulzijski mešanici. Slika na desni prikazuje učinek (5-sekundne slike napredka od leve proti desni) ultrazvočne razširitve na vsebino mehurčkov. Ker spremembe vsebnosti mehurčkov povzročajo nihanja v času vbrizgavanja, razplinjevanje, odzračevanje in penjenje Z ultrazvokom izboljša zmogljivost motorja.

Ultrazvočna procesna oprema

Hielscher je vodilni dobavitelj visoko zmogljivih ultrazvočnih napravPo vsem svetu. Ker Hielscher izdeluje ultrazvočne procesorje do 16kW Moč na posamezno napravo, je Velikost rastline ni omejena ali predelovalne zmogljivosti. Grozdi več 16kW sistemov se uporabljajo za proizvodnjo velikih količin goriv. Predelava industrijskega goriva ne potrebuje veliko ultrazvočne energije. Dejanske potrebe po energiji je mogoče določiti z uporabo 1kW ultrazvočnega procesorja v merilni lestvici. Vsi rezultati takšnih poskusov na klopi so lahko enostavno povečanje.

Stroški ultrasonication

Ultrasonication je učinkovita tehnologija obdelave. Stroški ultrazvočne obdelave so predvsem posledica naložbe
za ultrazvočne naprave, komunalne stroške in vzdrževanje. Izjemen energetska učinkovitost (glej Grafikon) Hielscher ultrazvočnih naprav pomaga zmanjšati stroške komunalnih storitev.

Književnost

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Vpliv viskoznosti zvezne faze na emulgiranje z ultrazvokom, v: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Učinki zgorevanja dizelsko-vodne emulzije na dizelski motor NO_x Emisije, v: Magistrsko delo, predstavljeno na podiplomski šoli Univerze na Floridi, 1999.