Смањење NOx емулговањем уља и воде

Познато је да су оксиди азота (NO_x) непосредно опасни по здравље људи и животну средину. Мобилни и стационарни дизелски и бензински мотори у великој мери доприносе глобалним емисијама NO_x . Емулговање горива са водом представља начин да се смање емисије NO_x из мотора. Ултразвучно емулговање је ефикасан начин добијања емулзија горива и воде са ситним капљицама.

Аутомобили и камиони, ваздухоплови, електрични генератори, виљушкари, клима-уређаји и котлови стварају велике количине суспендованих честица (PM) и NO_x сагоревањем нафтних деривата. NO_x означава смеше азот-моноксида (NO) и азот-диоксида (NO₂), као и N₂O, NO₃, N₂O₄ и N₂O₅. Азот-моноксид и азот-диоксид доприносе стварању приземног озона и смога и опасни су по животну средину и људе. Прописи о заштити животне средине регулишу емисије загађујућих материја у ваздух пооштравањем граничних вредности. Емисије из мотора такође садрже сумпор-диоксид (SO₂) услед присуства једињења сумпора у гориву. Овај проблем се ублажава хидродесулфуризацијом или ултразвучно потпомогнутом десулфуризацијом.

Рад на емулзију горива и воде

Последњих година спроведена су бројна истраживања о утицају воде на NO_x емисије. Испитивана су својства сагоревања при различитим запреминским односима гориво:вода, од 1:1 до 19:1. У већини случајева додавано је 1 до 2 запреминска процента површински активне материје ради стабилизације емулзије.

Основе сагоревања

Сагоревањем горива стварају се топлотна и механичка енергија. Механички део енергије може се користити за покретање клипова или турбина ради погона или производње електричне енергије. У већини мотора топлотна енергија се не користи. То доводи до ниже термодинамичке ефикасности.

Приближно 90% NO_x насталог у процесу сагоревања горива чини NO. NO настаје првенствено оксидацијом атмосферског азота (N₂). Вода додата гориву снижава температуру сагоревања услед испаравања воде. Када вода у емулзији горива и воде испарава, испарава и околно гориво. Тиме се повећава површина горива. Нижа температура и боља расподела горива доводе до смањеног стварања NO_x.

Ултразвучно емулговање

У многим радовима показано је да увођење воде у процес сагоревања горива смањује NO_x емисије. Вода се може додати формирањем емулзије горива и воде на два начина:

• нестабилизована: емулговање воде у гориву у протоку пре убризгавања
• стабилизована: производња стабилне емулзије горива и воде која се користи као директна замена за гориво

Canfield (1999) сумира смањење NO_x употребом воде и других адитива:

• нестабилизована емулзија
  • додата вода, запремински %: 10 до 80%
  • NO_x смањење за: 4 до 60%
• стабилизована емулзија
  • додата вода, запремински %: 25 до 50%
  • NO_x смањење за: 22 до 83%

Емулзија

Емулзија је смеша углавном немешљивих течности (фаза), као што су уље и вода. Током емулговања дисперзна фаза (нпр. вода) уводи се у течну фазу (нпр. уље). Применом интензивног смицања, величина честица (= величина капљица) дисперзне фазе се смањује. Што су честице мање, то је добијена емулзија стабилнија. Додатна стабилност може се постићи додавањем површински активних материја или стабилизатора. Кликните на горњу илустрацију да бисте видели примере резултата ултразвучног емулговања 10% воде у моторном уљу (Velocite 3, Mobil Oil, Хамбург, Немачка). Ово истраживање спровели су Behrend и Schubert (2000).

Ултразвук

При ултразвучној обради течности високим интензитетом, звучни таласи који се простиру кроз течни медијум стварају наизменичне циклусе високог притиска (компресије) и ниског притиска (разређења), чија учесталост зависи од фреквенције. Током циклуса ниског притиска ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или шупљине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, нагло колабирају током циклуса високог притиска. Ова појава назива се кавитација. Током имплозије локално се достижу веома високе температуре (приближно 5.000K) и притисци (приближно 2.000atm). Имплозија кавитационог мехурића такође ствара млазеве течности брзине до 280m/s.

Доказано је да ултразвук ствара веома хомогене емулзије воде у уљу (w/o) и уља у води (o/w) захваљујући интензивном кавитационом смицању. Пошто се параметри ултразвучне обраде могу добро контролисати, величина и расподела честица могу се прецизно подешавати и репродуковати. Ултразвук се обично примењује у реактору са проточном ћелијом. Зато се емулзија може производити континуирано у протоку. Из тог разлога, ултразвучна обрада може се користити за производњу стабилизованих и нестабилизованих емулзија.

Табела испод приказује опште капацитете обраде за различите нивое ултразвучне снаге.

Ултразвучна дегазација и уклањање пене

Ултразвук такође помаже да се смањи количина мехурића ваздуха у емулзионој смеши. Слика десно приказује утицај ултразвучне обраде на садржај мехурића (слике напретка у интервалима од 5 секунди, слева надесно). Пошто промене садржаја мехурића изазивају колебања тренутка убризгавања, дегазација, деаерација и уклањање пене ултразвучном обрадом побољшавају перформансе мотора.

Ултразвучна процесна опрема

Hielscher је водећи добављач ултразвучних уређаја великог капацитетау свету. Пошто Hielscher производи ултразвучне процесоре снаге до 16kW по појединачном уређају, нема ограничења у величини постројења или капацитету обраде. Групе од више система снаге 16kW користе се за производњу великих количина горива која служе као директна замена за постојећа горива. Индустријска обрада горива не захтева много ултразвучне енергије. Стварна потреба за енергијом може се утврдити помоћу ултразвучног процесора снаге 1kW у лабораторијској стоној поставци. Сви резултати таквих испитивања могу се лако пренети на већи обим производње.

Трошкови ултразвучне обраде

Ултразвучна обрада је ефикасна процесна технологија. Трошкови ултразвучне обраде углавном произлазе из улагања
у ултразвучне уређаје, трошкова енергије и комуналних услуга и одржавања. Изузетна енергетска ефикасност (видети дијаграм) ултразвучних уређаја Hielscher помаже у смањењу трошкова енергије и комуналних услуга.

Литература

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Утицај вискозности континуалне фазе на емулговање ултразвуком, у: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Утицај сагоревања емулзије дизел-горива и воде на NO_x емисије дизел-мотора, у: мастер рад поднет школи постдипломских студија Универзитета Флориде, 1999.