NOx-reduktion genom olje-/vattenemulgering

Kväveoxider (NO_x) är kända för att utgöra en omedelbar fara för människors hälsa och miljön. Mobila och stationära diesel- och bensinmotorer bidrar i stor utsträckning till de globala NO_x -utsläppen. Emulgering av bränslet med vatten är ett sätt att minska motorernas NO_x -utsläpp. Ultraljudsemulgering är en effektiv metod för att framställa finfördelade bränsle-/vattenemulsioner.

Personbilar och lastbilar, flygplan, elgeneratorer, gaffeltruckar, luftkonditioneringsaggregat och värmepannor genererar stora mängder partiklar (PM) och NO_x genom förbränning av petroleumprodukter. NO_x avser blandningar av kvävemonoxid (NO) och kvävedioxid (NO₂) samt N₂O, NO₃, N₂O₄ och N₂O₅. Kvävemonoxid och kvävedioxid bidrar till marknära ozon och smog och är farliga för miljön och människor. Miljölagstiftningen hanterar utsläppen av luftföroreningar genom att skärpa gränsvärdena. Motorutsläppen innehåller även svaveldioxid (SO₂) till följd av svavelföreningar i bränslet. Detta problem minskas genom hydroavsvavling eller ultraljudsassisterad avsvavling.

Drift med bränsle-/vattenemulsion

Under de senaste åren har omfattande arbete ägnats åt vattnets inverkan på NO_x -utsläppsnivåerna. Förbränningsegenskaperna har undersökts vid olika volymförhållanden mellan bränsle och vatten, från 1:1 till 19:1. I de flesta fall tillsattes 1 till 2 volymprocent tensid för att stabilisera emulsionen.

Bakgrund om förbränning

Förbränning av bränsle genererar termisk och mekanisk energi. Den mekaniska andelen kan användas för att driva kolvar eller turbiner för framdrivning eller elproduktion. I de flesta motorer utnyttjas inte den termiska energin. Detta medför en lägre termodynamisk verkningsgrad.

Cirka 90% av de NO_x som uppstår vid bränsleförbränningen utgörs av NO. NO bildas främst genom oxidation av atmosfäriskt kväve (N₂). Vatten som tillsätts till bränslet sänker förbränningstemperaturen genom att vattnet förångas. När vattnet i bränsle-/vattenemulsionen förångas, förångas även det omgivande bränslet. Detta ökar bränslets yta. Den lägre temperaturen och den bättre bränslefördelningen leder till minskad bildning av NO_x.

Ultraljudsemulgering

Att tillföra vatten vid bränsleförbränning har i många studier visat sig minska NO_x -utsläppen. Vattnet kan tillsättas genom att en bränsle-/vattenemulsion bildas på två sätt:

• ostabiliserad: emulgering av vatten i bränslet direkt i processflödet före insprutning
• stabiliserad: framställning av en stabil bränsle-/vattenemulsion som kan användas som ett direkt ersättningsbränsle

Canfield (1999) sammanfattar NO_x -reduktionen vid användning av vatten och andra tillsatser:

• ostabiliserad emulsion
  • tillsatt vatten i volymprocent: 10 till 80%
  • NO_x -reduktion med: 4 till 60%
• stabiliserad emulsion
  • tillsatt vatten i volymprocent: 25 till 50%
  • NO_x -reduktion med: 22 till 83%

Emulsion

En emulsion är en blandning av vanligtvis icke blandbara vätskor (faser), såsom olja och vatten. Under emulgeringsprocessen tillförs den dispersa fasen (t.ex. vatten) till vätskefasen (t.ex. olja). Genom att applicera kraftig skjuvningminskas partikelstorleken (= droppstorleken) hos den dispersa fasen. Ju mindre partikelstorleken är, desto stabilare är den framställda emulsionen. Ytterligare stabilitet kan uppnås genom tillsats av tensider eller stabilisatorer. Klicka på diagrammet ovan för att se exempel på resultat från ultraljudsemulgering av 10% vatten i motorolja (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Tyskland). Denna studie genomfördes av Behrend och Schubert (2000).

Ultraljud

När vätskor behandlas med ultraljud med hög intensitet ger ljudvågorna som fortplantar sig i vätskemediet upphov till omväxlande högtryckscykler (kompression) och lågtryckscykler (förtunning), med en takt som beror 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 lokalt mycket höga temperaturer (cirka 5 000K) och tryck (cirka 2 000atm). Kavitationsbubblans implosion ger även upphov till vätskestrålar med hastigheter på upp till 280m/s.

Ultraljud har visat sig kunna generera mycket homogena emulsioner av vatten i olja (w/o) och olja i vatten (o/w) genom den kraftiga skjuvningen från kavitationen. Eftersom parametrarna för ultraljudsbehandlingen kan kontrolleras väl är partikelstorleken och partikelstorleksfördelningen i hög grad justerbara och reproducerbara. Vanligtvis appliceras ultraljudet i en flödescellsreaktor. Därför kan emulsionen framställas kontinuerligt direkt i processflödet. Av detta skäl kan ultraljudsbehandling användas för att framställa stabiliserade och ostabiliserade emulsioner.

Tabellen nedan visar generella bearbetningskapaciteter för olika ultraljudseffekter.

Avgasning och skumdämpning med ultraljud

Ultraljud bidrar även till att minska mängden luftbubblor i emulsionsblandningen. Bilden till höger visar hur ultraljudsbehandling påverkar bubbelhalten (bilder som visar förloppet under 5 sekunder från vänster till höger). Eftersom variationer i bubbelhalten orsakar variationer i insprutningstidpunkten förbättrar avgasning, avluftning och skumdämpning med ultraljudsbehandling motorns prestanda.

Ultraljudsutrustning för processer

Hielscher är den ledande leverantören av ultraljudsapparater med hög kapaciteti världen. Eftersom Hielscher tillverkar ultraljudsprocessorer med upp till 16kW effekt per enskild apparatfinns det ingen begränsning av anläggningsstorleken eller bearbetningskapaciteten. Grupper av flera 16kW-system används för att tillverka stora volymer direkt ersättningsbara bränslen. Industriell bränslebearbetning kräver inte mycket ultraljudsenergi. Det faktiska energibehovet kan fastställas med en 1kW-ultraljudsprocessor i bänkskala. Alla resultat från sådana försök i bänkskala kan enkelt skalas upp.

Kostnader för ultraljudsbehandling

Ultraljudsbehandling är en effektiv bearbetningsteknik. Kostnaderna för ultraljudsbearbetning härrör främst från investeringen
i ultraljudsapparater, energikostnader och underhåll. Den enastående energieffektiviteten (se diagram) hos Hielschers ultraljudsapparater bidrar till att minska energikostnaderna.

Litteratur

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Den kontinuerliga fasens viskositets inverkan på emulgering med ultraljud, i: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Effekter av förbränning av diesel-/vattenemulsion på dieselmotorers NO_x -utsläpp, i: Masteruppsats framlagd vid forskarutbildningsenheten vid University of Florida, 1999.