การลด NOx ด้วยการทำอิมัลชันน้ำมัน/น้ำ

ไนโตรเจนออกไซด์ (NO_x) เป็นที่ทราบกันว่าเป็นอันตรายโดยตรงต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อม เครื่องยนต์ดีเซลและเบนซินทั้งแบบเคลื่อนที่และแบบอยู่กับที่มีส่วนอย่างมากต่อการปล่อย NO_x ทั่วโลก การทำเชื้อเพลิงให้เป็นอิมัลชันร่วมกับน้ำเป็นวิธีหนึ่งในการลดการปล่อย NO_x จากเครื่องยนต์ การทำอิมัลชันด้วยอัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิผลในการผลิตอิมัลชันเชื้อเพลิง/น้ำที่มีหยดขนาดเล็ก

รถยนต์และรถบรรทุก อากาศยาน เครื่องกำเนิดไฟฟ้า รถยก เครื่องปรับอากาศ และหม้อไอน้ำก่อให้เกิด ฝุ่นละออง (PM) และ NO_x ในปริมาณมากจากการเผาไหม้ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม NO_x หมายถึงส่วนผสมของไนตริกออกไซด์ (NO) และไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO₂) รวมถึง N₂O, NO₃, N₂O₄ และ N₂O₅ ไนตริกออกไซด์และไนโตรเจนไดออกไซด์ มีส่วนทำให้เกิดโอโซนระดับใกล้พื้นดินและหมอกควัน และเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและมนุษย์ กฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมจัดการกับการปล่อยมลพิษทางอากาศโดย กำหนดขีดจำกัดให้เข้มงวดขึ้น การปล่อยมลพิษจากเครื่องยนต์ยังรวมถึงซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) ซึ่งเกิดจากสารประกอบกำมะถันในเชื้อเพลิง ปัญหานี้ลดลงได้ด้วยการกำจัดกำมะถันด้วยไฮโดรเจนหรือ การกำจัดกำมะถันโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วย.

การเดินเครื่องด้วยอิมัลชันเชื้อเพลิง/น้ำ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการศึกษาจำนวนมากเกี่ยวกับ อิทธิพลของน้ำต่อ NO_x ในแง่ของระดับการปล่อย มีการทดสอบสมบัติการเผาไหม้ที่อัตราส่วนเชื้อเพลิง:น้ำโดยปริมาตรต่าง ๆ ตั้งแต่ 1:1 ถึง 19:1 ในกรณีส่วนใหญ่ มีการเติมสารลดแรงตึงผิว 1 ถึง 2 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตรเพื่อทำให้อิมัลชันคงตัว

พื้นฐานเกี่ยวกับการเผาไหม้

การเผาไหม้เชื้อเพลิงก่อให้เกิดพลังงานความร้อนและพลังงานกล พลังงานส่วนที่เป็นพลังงานกลสามารถใช้ขับเคลื่อนลูกสูบหรือกังหันเพื่อการขับเคลื่อนหรือการผลิตไฟฟ้า ในเครื่องยนต์ส่วนใหญ่ พลังงานความร้อนไม่ได้ถูกนำมาใช้ ส่งผลให้ประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ต่ำลง

ประมาณ 90% ของ NO_x ที่เกิดจากกระบวนการเผาไหม้เชื้อเพลิงคือ NO โดย NO ส่วนใหญ่เกิดจากการออกซิเดชันของไนโตรเจนในบรรยากาศ (N₂) น้ำที่เติมลงในเชื้อเพลิงช่วยลดอุณหภูมิการเผาไหม้เนื่องจากการระเหยของน้ำ เมื่อน้ำในอิมัลชันเชื้อเพลิง/น้ำระเหย เชื้อเพลิงที่อยู่รอบ ๆ ก็กลายเป็นไอด้วยเช่นกัน ทำให้พื้นที่ผิวของเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น อุณหภูมิที่ต่ำลงและการกระจายตัวของเชื้อเพลิงที่ดีขึ้นส่งผลให้ การเกิด NO_{x ลดลง}.

การทำอิมัลชันด้วยอัลตราซาวนด์

งานศึกษาจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าการนำน้ำเข้าสู่การเผาไหม้เชื้อเพลิงช่วย ลด NO_x ที่ปล่อยออกมา. สามารถเติมน้ำได้โดยทำให้เกิดอิมัลชันเชื้อเพลิง/น้ำด้วยสองวิธี:

• แบบไม่ทำให้คงตัว: ทำให้น้ำเป็นอิมัลชันในเชื้อเพลิงภายในสายการไหลก่อนการฉีด
• แบบทำให้คงตัว: ผลิตอิมัลชันเชื้อเพลิง/น้ำที่คงตัวเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงทางเลือกที่สามารถใช้ทดแทนเชื้อเพลิงเดิมได้โดยตรง

Canfield (1999) สรุปการลด NO_x ด้วยการใช้น้ำและสารเติมแต่งอื่น ๆ ดังนี้:

• อิมัลชันแบบไม่ทำให้คงตัว
  • น้ำที่เติม vol%: 10 ถึง 80%
  • NO_x ลดลง: 4 ถึง 60%
• อิมัลชันแบบทำให้คงตัว
  • น้ำที่เติม vol%: 25 ถึง 50%
  • NO_x ลดลง: 22 ถึง 83%

อิมัลชัน

อิมัลชันคือส่วนผสมของ ของเหลวที่โดยทั่วไปไม่ละลายเข้ากัน (เฟส) เช่น น้ำมันและน้ำ ในกระบวนการทำอิมัลชัน เฟสกระจายตัว (เช่น น้ำ) จะถูกนำเข้าสู่เฟสของเหลว (เช่น น้ำมัน) การใช้ แรงเฉือนสูงทำให้ขนาดอนุภาค (= ขนาดหยด) ของเฟสกระจายตัวลดลง ยิ่งขนาดอนุภาคเล็กลง อิมัลชันที่ได้ก็ยิ่งคงตัวมากขึ้น สามารถเพิ่มความคงตัวได้ด้วยการเติมสารลดแรงตึงผิวหรือสารทำให้คงตัว คลิกที่ภาพกราฟิกด้านบน เพื่อดูตัวอย่างผลการทำอิมัลชันด้วยอัลตราซาวนด์ของน้ำ 10% ในน้ำมันเครื่อง (Velocite 3, Mobil Oil, ฮัมบูร์ก ประเทศเยอรมนี) การศึกษานี้ดำเนินการโดย Behrend และ Schubert (2000).

อัลตราซาวนด์

เมื่อใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงกับของเหลว คลื่นเสียงที่แพร่เข้าสู่ตัวกลางของเหลวจะทำให้เกิดวัฏจักรความดันสูง (การอัดตัว) และความดันต่ำ (การขยายตัว) สลับกัน โดยมีอัตราขึ้นอยู่กับความถี่ ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงจะสร้างฟองสุญญากาศขนาดเล็กหรือโพรงในของเหลว เมื่อฟองมีปริมาตรถึงระดับที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีก ฟองจะยุบตัวอย่างรุนแรงในช่วงวัฏจักรความดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าคาวิเทชัน ระหว่างการยุบตัวเข้าด้านใน จะเกิดอุณหภูมิสูงมาก (ประมาณ 5,000K) และความดันสูงมาก (ประมาณ 2,000atm) เฉพาะจุด การยุบตัวเข้าด้านในของฟองคาวิเทชันยังทำให้เกิดลำพุ่งของของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280m/s

อัลตราซาวนด์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถสร้าง อิมัลชันที่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างมาก ทั้งชนิดน้ำในน้ำมัน (w/o) และน้ำมันในน้ำ (o/w) ด้วย แรงเฉือนสูงจากคาวิเทชัน เนื่องจากสามารถควบคุมพารามิเตอร์ของการใช้อัลตราซาวนด์ได้ดี ขนาดอนุภาคและการกระจายขนาดจึง ปรับได้อย่างเหมาะสมและให้ผลซ้ำได้ โดยทั่วไปจะใช้อัลตราซาวนด์ในเครื่องปฏิกรณ์แบบเซลล์ไหล ดังนั้นจึงสามารถ ผลิตอิมัลชันอย่างต่อเนื่องภายในสายการไหล ด้วยเหตุนี้ การใช้อัลตราซาวนด์จึงสามารถใช้ผลิตอิมัลชันทั้งแบบทำให้คงตัวและแบบไม่ทำให้คงตัวได้

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยทั่วไปสำหรับระดับกำลังอัลตราซาวนด์ต่าง ๆ

การไล่ก๊าซและการกำจัดฟองด้วยอัลตราซาวนด์

อัลตราซาวนด์ยังช่วย ลดปริมาณฟองอากาศ ในส่วนผสมอิมัลชันด้วย ภาพด้านขวาแสดงผลของการใช้อัลตราซาวนด์ต่อปริมาณฟอง (ภาพแสดงความคืบหน้าทุก 5 วินาทีจากซ้ายไปขวา) เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของปริมาณฟองทำให้จังหวะการฉีดผันผวน การไล่ก๊าซ การไล่อากาศ และการกำจัดฟอง ด้วยอัลตราซาวนด์จึงช่วยปรับปรุงสมรรถนะของเครื่องยนต์

อุปกรณ์สำหรับกระบวนการอัลตราซาวนด์

Hielscher เป็น ผู้จัดหาอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ที่มีกำลังการประมวลผลสูงชั้นนำของโลก เนื่องจาก Hielscher ผลิตเครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ที่มีกำลังสูงถึง 16kW ต่อเครื่อง จึง ไม่มีข้อจำกัดด้านขนาดโรงงาน หรือกำลังการประมวลผล มีการใช้ระบบ 16kW หลายระบบรวมกันเป็นกลุ่มเพื่อผลิตเชื้อเพลิงที่ใช้ทดแทนเชื้อเพลิงเดิมได้โดยตรงในปริมาณมาก การแปรรูปเชื้อเพลิงในระดับอุตสาหกรรม ไม่ต้องใช้พลังงานอัลตราซาวนด์มากนัก สามารถหาความต้องการพลังงานที่แท้จริงได้โดยใช้เครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ขนาด 1kW ในระดับตั้งโต๊ะ ผลลัพธ์ทั้งหมดจากการทดลองระดับตั้งโต๊ะดังกล่าวสามารถ ขยายขนาดได้อย่างง่ายดาย.

ต้นทุนการใช้อัลตราซาวนด์

การใช้อัลตราซาวนด์เป็นเทคโนโลยีการประมวลผลที่มีประสิทธิผล ต้นทุนการประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ส่วนใหญ่เกิดจากการลงทุน
ในอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ ค่าสาธารณูปโภค และการบำรุงรักษา ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ที่โดดเด่น (ดู แผนภูมิ) ของอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ Hielscher ช่วยลดค่าสาธารณูปโภค

เอกสารอ้างอิง

Behrend, O., Schubert, H. (2000): อิทธิพลของความหนืดของเฟสต่อเนื่องต่อการทำอิมัลชันด้วยอัลตราซาวนด์ ใน: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): ผลของการเผาไหม้อิมัลชันดีเซล/น้ำต่อการปล่อย NO_x จากเครื่องยนต์ดีเซล ใน: วิทยานิพนธ์ปริญญาโทที่เสนอต่อบัณฑิตวิทยาลัยแห่ง University of Florida, 1999.