Zmanjšanje NOx z emulgiranjem olja in vode

Dušikovi oksidi (NO_x) so znani po tem, da neposredno ogrožajo zdravje ljudi in okolja. Mobilni in stacionarni dizelski ter bencinski motorji v veliki meri prispevajo k svetovnim emisijam NO_x . Emulgiranje goriva z vodo je način za zmanjšanje emisij NO_x iz motorjev. Ultrazvočno emulgiranje je učinkovita metoda za pripravo emulzij goriva in vode z drobnimi kapljicami.

Avtomobili in tovornjaki, letala, električni generatorji, viličarji, klimatske naprave in kotli ustvarjajo velike količine trdnih delcev (PM) in NO_x pri zgorevanju naftnih proizvodov. NO_x označuje zmesi dušikovega monoksida (NO) in dušikovega dioksida (NO₂) ter N₂O, NO₃, N₂O₄ in N₂O₅. Dušikov monoksid in dušikov dioksid prispevata k nastajanju prizemnega ozona in smoga ter sta nevarna za okolje in ljudi. Okoljska zakonodaja obravnava emisije onesnaževal zraka z zaostrovanjem mejnih vrednosti. Emisije motorjev vsebujejo tudi žveplov dioksid (SO₂) zaradi žveplovih spojin v gorivu. Ta težava se zmanjša s hidrodesulfurizacijo ali ultrazvočno podprtim razžveplanjem.

Delovanje z emulzijo goriva in vode

V zadnjih letih je bilo veliko raziskav namenjenih vplivu vode na ravni emisij NO_x . Glede zgorevalnih lastnosti so bila preizkušena različna prostorninska razmerja gorivo:voda od 1:1 do 19:1. V večini primerov je bilo za stabilizacijo emulzije dodanih od 1 do 2 prostorninskih odstotkov površinsko aktivne snovi.

Osnove zgorevanja

Zgorevanje goriva ustvarja toplotno in mehansko energijo. Mehanski del se lahko uporabi za pogon batov ali turbin za pogon vozil ali proizvodnjo električne energije. V večini motorjev se toplotna energija ne izkoristi. Posledica tega je nižji termodinamični izkoristek.

Približno 90% NO_x , ki nastanejo pri zgorevanju goriva, predstavlja NO. NO nastaja predvsem z oksidacijo atmosferskega dušika (N₂). Voda, dodana gorivu, zaradi izhlapevanja znižuje temperaturo zgorevanja. Ko voda v emulziji goriva in vode izhlapi, izpari tudi okoliško gorivo. S tem se poveča površina goriva. Nižja temperatura in boljša porazdelitev goriva vodita do manjšega nastajanja NO_x.

Ultrazvočno emulgiranje

Številne raziskave so pokazale, da dodajanje vode pri zgorevanju goriva zmanjša emisije NO_x . Vodo je mogoče dodati s pripravo emulzije goriva in vode na dva načina:

• nestabilizirana: emulgiranje vode v gorivo neposredno v procesni liniji pred vbrizgavanjem
• stabilizirana: izdelava stabilne emulzije goriva in vode, ki se uporablja kot nadomestno gorivo brez prilagoditev motorja

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

• nestabilizirana emulzija
  • dodana voda v prostorninskih %: od 10 do 80%
  • Zmanjšanje emisij NO_x za: od 4 do 60%
• stabilizirana emulzija
  • dodana voda v prostorninskih %: od 25 do 50%
  • Zmanjšanje emisij NO_x za: od 22 do 83%

Emulzija

Emulzija je zmes običajno nemešljivih tekočin (faz), kot sta olje in voda. Med emulgiranjem se dispergirana faza (npr. voda) vnese v tekočo fazo (npr. olje). Z uporabo močnega striga se zmanjša velikost delcev (= velikost kapljic) dispergirane faze. Manjši kot so delci, stabilnejša je nastala emulzija. Dodatno stabilnost je mogoče doseči z dodajanjem površinsko aktivnih snovi ali stabilizatorjev. Kliknite zgornji grafični prikaz , da si ogledate primere rezultatov ultrazvočnega emulgiranja 10% vode v motornem olju (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Nemčija). To raziskavo sta izvedla Behrend in Schubert (2000).

Ultrazvok

Pri sonikaciji tekočin z visoko intenzivnostjo zvočni valovi, ki se širijo v tekočem mediju, povzročajo izmenjujoče se cikle visokega tlaka (stiskanje) in nizkega tlaka (redčenje), katerih hitrost ponavljanja je odvisna od frekvence. Med ciklom nizkega tlaka ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti v tekočini ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali praznine. Ko mehurčki dosežejo prostornino, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka silovito sesedejo. Ta pojav se imenuje kavitacija. Med implozijo so lokalno dosežene zelo visoke temperature (približno 5.000K) in tlaki (približno 2.000atm). Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči tudi curke tekočine s hitrostjo do 280m/s.

Dokazano je, da ultrazvok ustvarja zelo homogene emulzije vode v olju (w/o) in olja v vodi (o/w) z močnim kavitacijskim strigom. Ker je mogoče parametre ultrazvočne obdelave dobro nadzorovati, je mogoče velikost delcev in njihovo porazdelitev dobro prilagajati in ponovljivo dosegati. Ultrazvok se običajno uporablja v reaktorju s pretočno celico. Zato je emulzijo mogoče izdelovati neprekinjeno neposredno v procesni liniji. Zaradi tega se ultrazvočna obdelava lahko uporablja za izdelavo stabiliziranih in nestabiliziranih emulzij.

Spodnja tabela prikazuje splošne zmogljivosti obdelave pri različnih ravneh ultrazvočne moči.

Ultrazvočno razplinjevanje in odstranjevanje pene

Ultrazvok pomaga tudi zmanjšati količino zračnih mehurčkov v emulzijski zmesi. Slika na desni prikazuje učinek ultrazvočne obdelave na vsebnost mehurčkov (posnetki poteka v razmikih 5 sekund od leve proti desni). Ker spremembe vsebnosti mehurčkov povzročajo nihanja v času vbrizgavanja, razplinjevanje, odzračevanje in odstranjevanje pene z ultrazvočno obdelavo izboljšajo delovanje motorja.

Ultrazvočna procesna oprema

Hielscher je vodilni dobavitelj ultrazvočnih naprav z veliko zmogljivostjo na svetu. Ker Hielscher izdeluje ultrazvočne procesorje z močjo do 16kW na posamezno napravo, velikost obrata ni omejena , prav tako ne zmogljivost obdelave. Skupine več sistemov z močjo 16kW se uporabljajo za izdelavo velikih količin goriv, ki jih je mogoče uporabljati brez prilagoditev motorja. Industrijska obdelava goriv ne zahteva veliko ultrazvočne energije. Dejanske potrebe po energiji je mogoče določiti z uporabo ultrazvočnega procesorja z močjo 1kW v namiznem merilu. Vse rezultate takšnih namiznih preizkusov je mogoče preprosto prenesti v večje merilo.

Stroški ultrazvočne obdelave

Ultrazvočna obdelava je učinkovita procesna tehnologija. Stroški ultrazvočne obdelave izhajajo predvsem iz naložbe
v ultrazvočne naprave, stroškov energije in drugih obratovalnih virov ter vzdrževanja. Izjemna energijska učinkovitost (glejte diagram) ultrazvočnih naprav Hielscher pomaga zmanjšati stroške energije in drugih obratovalnih virov.

Literatura

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

Canfield, A., C. (1999): Vplivi zgorevanja emulzije dizelskega goriva in vode na emisije NO_x iz dizelskih motorjev, v: magistrsko delo, predloženo podiplomski šoli Univerze na Floridi, 1999.