NOx-reduktion genom olje-/vattenemulgering

Kväveoxider (NO_x) är kända för att vara direkt farliga för människors hälsa och miljön. Mobila och stationära diesel- och bensinmotorer bidrar i hög grad till den globala_x Utsläpp. Emulgering av bränslet med vatten är ett sätt att minska NO-utsläppen._x utsläpp från motorer. Ultraljudsemulgeringen är ett effektivt sätt att generera finstora bränsle-/vattenemulsioner.

Bilar och lastbilar, flygplan, elgeneratorer, gaffeltruckar, luftkonditioneringsaggregat och värmepannor genererar stora mängder partiklar (PM) och NO_x genom förbränning av petroleumprodukter. NEJ_x blandningar av kväveoxid (NO) och kvävedioxid (NO₂) samt N₂O, NEJ₃, N₂O₄ och N₂O₅. Kväveoxid och kvävedioxid bidrar till ozonhalt, smog och och är farliga för miljön och människor. Miljölagstiftningen tar itu med utsläppen av luftföroreningar genom att Gränser för åtdragning. Motorutsläpp inkluderar också svaveldioxid (SO₂) till följd av svavelföreningar i bränslet. Detta problem reduceras genom väteavsvavling eller Ultraljudsassisterad avsvavling.

Körs på bränsle-/vattenemulsion

Under de senaste åren har mycket arbete lagts ned på att inverkan av vatten på NO_x Utsläppsnivåer. Olika bränsle:vattenvolymetriska förhållanden från 1:1 till 19:1 har testats för förbränningsegenskaper. I de flesta fall tillsattes 1 till 2 volymprocent ytaktivt ämne för emulsionsstabilisering.

Bakgrund om förbränning

Förbränningen av bränsle genererar termisk och mekanisk energi. Den mekaniska fraktionen kan användas för att driva kolvar eller turbiner för framdrivning eller elproduktion. I de flesta motorer används inte den termiska energin. Detta resulterar i en lägre termodynamisk verkningsgrad.

Cirka 90 % av NO_x till följd av bränsleförbränningsprocessen är NEJ. NO bildas främst genom oxidation av atmosfäriskt kväve (N₂). Vatten som tillsätts till bränslet sänker förbränningstemperaturen på grund av vattenavdunstning. När vattnet i bränsle-vatten-emulsionen avdunstar förångas även det omgivande bränslet. Detta ökar bränslets yta. Den lägre temperaturen och den bättre bränslefördelningen leder till en lägre bildning av NO_x.

Ultraljud emulgering

Att föra in vatten i bränsleförbränningen har i många arbeten visat sig vara sänk NO_x Utsläpp. Vattnet kan tillsättas genom att bilda en bränsle-/vattenemulsion på två sätt:

• Ostabiliserad: Inline emulgering av vatten i bränslet före insprutning
• Stabiliserad: Tillverkning av en stabil bränsle/vattenemulsion för användning som drop-in-alternativ till bränsle

Canfield (1999) sammanfattar NEJ_x Minskning genom användning av vatten och andra tillsatser:

• ostabiliserad emulsion
  • Tillsatt vattenvolym%: 10 till 80 %
  • NEJ_x minskning med: 4 till 60 %
• Stabiliserad emulsion
  • Tillsatt vattenvolym%: 25 till 50 %
  • NEJ_x minskning med: 22 till 83 %

emulsion

En emulsion är en blandning av generellt oblandbara vätskor (faser), såsom olja och vatten. Under emulgeringsprocessen införs den dispergerade fasen (t.ex. vatten) i den flytande fasen (t.ex. olja). Genom tillämpning av Hög skjuvningreduceras partikelstorleken (= droppstorleken) för den dispergerade fasen. Ju mindre partikelstorlek, desto stabilare är den genererade emulsionen. Ytterligare stabilitet kan uppnås genom tillförsel av ytaktiva ämnen eller stabilisatorer. Klicka på bilden ovan för att se provresultat för ultraljudsemulgering av 10% vatten i motorolja (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Tyskland). Denna studie genomfördes av Behrend och Schubert (2000).

Ultraljud

Vid ultraljudsbehandling av vätskor vid höga intensiteter, ljudvågorna som fortplantar sig in i det flytande mediet resulterar i alternerande högtryckscykler (kompression) och lågtryck (sällsynthet), med hastigheter beroende på frekvensen. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. När bubblorna når en volym där de inte längre kan absorbera energi, kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation. Under implosionen uppnås mycket höga temperaturer (ca 5 000 K) och tryck (ca 2 000 atm) lokalt. Implosionen av kavitationsbubblan resulterar också i vätskestrålar med en hastighet på upp till 280 m/s.

Ultraljud har visat sig generera mycket homogena emulsioner av vatten i olja (w/o) och olja i vatten (o/w) av hög kavitationell skjuvning. Eftersom parametrarna för ultraljud är väl kontrollerbara, är partikelstorleken och fördelningen väl Justerbar och repeterbar. Vanligtvis appliceras ultraljudet i en flödescellsreaktor. Därför kan emulsionen vara Görs kontinuerligt in-line. Av denna anledning kan ultraljud användas för tillverkning av stabiliserade och ostabiliserade emulsioner.

Tabellen nedan visar allmänna bearbetningskapaciteter för olika ultraljudseffektnivåer.

Ultraljudsavgasning och skumdämpning

Ultraljud hjälper också till att minska mängden luftbubblor i emulsionsblandningen. Bilden till höger visar effekten (5 sek. förloppsbilder från vänster till höger) av ultraljud på bubbelinnehållet. Eftersom variationer i bubbelinnehållet orsakar fluktuationer i injektionstidpunkten, kan en avgasning, avluftning och skumdämpning Genom ultraljud förbättras motorns prestanda.

Utrustning för ultraljudsprocesser

Hielscher är den Ledande leverantör av ultraljudsenheter med hög kapacitetöver hela världen. Eftersom Hielscher tillverkar ultraljudsprocessorer på upp till 16kW Ström per enskild enhet, finns det Ingen gräns för anläggningens storlek eller bearbetningskapacitet. Kluster av flera 16 kW-system används för tillverkning av stora volymer drop-in-bränslen. Industriell bränsleförädling Behöver inte mycket ultraljudsenergi. Det faktiska energibehovet kan bestämmas med hjälp av en 1 kW ultraljudsprocessor i bänkskala. Alla resultat från sådana bänkstudier kan Skalas upp enkelt.

Kostnader för ultraljud

Ultraljud är en effektiv bearbetningsteknik. Kostnader för ultraljudsbearbetning beror huvudsakligen på investeringen
för ultraljudsenheter, kostnader för allmännyttiga tjänster och underhåll. Den enastående energieffektivitet (se diagram) av Hielscher ultraljudsenheter hjälper till att minska användningskostnaderna.

Litteratur

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Inverkan av kontinuerlig fasviskositet på emulgering med ultraljud, i: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Effekter av förbränning av diesel-vattenemulsion på dieselmotor NO_x Utsläpp, i: Examensarbete presenterat för forskarskolan vid University of Florida, 1999.