Yağ/Su Emülsifikasyonu ile NOx Azaltımı

Azot oksitlerin (NO_x) insan ve çevre sağlığı için doğrudan tehlikeli olduğu bilinmektedir. Hareketli ve sabit dizel ve benzinli motorlar, dünya genelindeki NO_x emisyonlarına büyük ölçüde katkıda bulunmaktadır. Yakıtın suyla emülsifiye edilmesi, motorların NO_x emisyonlarını azaltmanın bir yoludur. Ultrasonik emülsifikasyon, küçük damlacık boyutuna sahip yakıt/su emülsiyonları oluşturmak için etkili bir yöntemdir.

Otomobiller ve kamyonlar, uçaklar, elektrik jeneratörleri, forkliftler, klima üniteleri ve kazanlar, petrol ürünlerinin yanmasıyla büyük miktarlarda partikül madde (PM) ve NO_x üretir. NO_x , azot monoksit (NO) ve azot dioksit (NO₂) ile birlikte N₂O, NO₃, N₂O₄ ve N₂O₅ karışımlarını ifade eder. Azot monoksit ve azot dioksit, yer seviyesindeki ozon ve smog oluşumuna katkıda bulunur ve çevre ile insanlar için tehlikelidir. Çevre mevzuatı, hava kirletici emisyonlarını sınır değerleri sıkılaştırarak ele alır. Motor emisyonları, yakıttaki kükürt bileşikleri nedeniyle kükürt dioksit (SO₂) de içerir. Bu sorun, hidrodesülfürizasyon veya ultrason destekli desülfürizasyon ile azaltılır.

Yakıt/Su Emülsiyonu ile Çalışma

Son yıllarda, suyun NO_x emisyon düzeyleri üzerindeki etkisi hakkında çok sayıda çalışma yapılmıştır. 1:1 ile 19:1 arasında değişen çeşitli hacimsel yakıt:su oranları, yanma özellikleri açısından test edilmiştir. Çoğu durumda, emülsiyonun stabilizasyonu için hacimce yüzde 1 ile 2 arasında yüzey aktif madde eklenmiştir.

Yanma Hakkında Temel Bilgiler

Yakıtın yanması, termal ve mekanik enerji üretir. Mekanik enerji kısmı, hareket sağlamak veya elektrik üretmek amacıyla pistonları ya da türbinleri çalıştırmak için kullanılabilir. Çoğu motorda termal enerji kullanılmaz. Bu, daha düşük bir termodinamik verimliliğe yol açar.

Yakıtın yanması sürecinde oluşan ve yaklaşık %90’ı NO olan NO_x içindeki NO, esas olarak atmosferik azotun (N₂) oksidasyonuyla oluşur. Yakıta eklenen su, suyun buharlaşması nedeniyle yanma sıcaklığını düşürür. Yakıt-su emülsiyonundaki su buharlaştığında, çevresindeki yakıt da buharlaşır. Bu, yakıtın yüzey alanını artırır. Daha düşük sıcaklık ve yakıtın daha iyi dağılması, NO_{x oluşumunun azalmasını sağlar}.

Ultrasonik Emülsifikasyon

Birçok çalışmada, yakıtın yanmasına su katılmasının NO_x emisyonlarını azalttığı gösterilmiştir. Su, iki şekilde yakıt/su emülsiyonu oluşturularak eklenebilir:

• stabilize edilmemiş: enjeksiyondan önce suyun yakıt içinde hat üzerinde emülsifiye edilmesi
• stabilize edilmiş: doğrudan ikame edilebilen bir yakıt alternatifi olarak kullanılmak üzere stabil bir yakıt/su emülsiyonunun üretilmesi

Canfield (1999) su ve diğer katkı maddelerinin kullanımıyla NO_x azaltımını şöyle özetlemektedir:

• stabilize edilmemiş emülsiyon
  • eklenen su, hacimce %: %10–80
  • NO_x azaltım oranı: %4–60
• stabilize edilmiş emülsiyon
  • eklenen su, hacimce %: %25–50
  • NO_x azaltım oranı: %22–83

Emülsiyon

Bir emülsiyon, genellikle birbiriyle karışmayan sıvıların (fazların), örneğin yağ ve suyun, bir karışımıdır. Emülsifikasyon sürecinde, dağılmış faz (ör. su) sıvı fazın (ör. yağ) içine katılır. Dağılmış fazın parçacık boyutu (= damlacık boyutu), yüksek kesme uygulanarak küçültülür. Parçacık boyutu ne kadar küçükse, oluşturulan emülsiyon o kadar stabildir. Yüzey aktif maddeler veya stabilizatörler eklenerek ilave stabilite sağlanabilir. Yukarıdaki grafiğe tıklayarak motor yağı (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Almanya) içinde %10 suyun ultrasonik emülsifikasyonuna ilişkin örnek sonuçları görebilirsiniz. Bu çalışma, Behrend ve Schubert (2000) tarafından yürütülmüştür.

Ultrason

Sıvılara yüksek yoğunluklarda sonikasyon uygulandığında, sıvı ortamın içine yayılan ses dalgaları, frekansa bağlı hızlarda birbirini izleyen yüksek basınç (sıkışma) ve düşük basınç (seyrekleşme) döngülerine yol açar. Düşük basınç döngüsü sırasında, yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar sıvıda küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşturur. Kabarcıklar, artık enerji soğuramayacakları bir hacme ulaştıklarında, yüksek basınç döngüsü sırasında şiddetle çöker. Bu olguya kavitasyon denir. İçe doğru çökme sırasında, yerel olarak çok yüksek sıcaklıklara (yaklaşık 5.000K) ve basınçlara (yaklaşık 2.000atm) ulaşılır. Kavitasyon kabarcığının içe doğru çökmesi, hızı 280m/s’ye kadar ulaşan sıvı jetleri de oluşturur.

Ultrasonun, çok homojen emülsiyonlar halinde yağ içinde su (w/o) ve su içinde yağ (o/w) karışımlarını yüksek kavitasyonel kesme sayesinde oluşturduğu kanıtlanmıştır. Ultrasonikasyon parametreleri iyi kontrol edilebildiğinden, parçacık boyutu ve dağılımı da iyi bir şekilde ayarlanabilir ve tekrarlanabilir. Ultrason genellikle bir akış hücresi reaktöründe uygulanır. Bu nedenle, emülsiyon hat üzerinde sürekli olarak üretilebilir. Bu nedenle ultrasonikasyon, stabilize edilmiş ve stabilize edilmemiş emülsiyonların üretiminde kullanılabilir.

Aşağıdaki tablo, çeşitli ultrasonik güç düzeyleri için genel işleme kapasitelerini göstermektedir.

Ultrasonik Gaz Giderme ve Köpük Giderme

Ultrason ayrıca, hava kabarcıklarının miktarını azaltmaya emülsiyon karışımında yardımcı olur. Sağdaki resim, ultrasonikasyonun kabarcık içeriği üzerindeki etkisini göstermektedir (soldan sağa 5sec. aralıklarla ilerleme görüntüleri). Kabarcık içeriğindeki değişimler enjeksiyon zamanlamasında dalgalanmalara neden olduğundan, gaz giderme, hava giderme ve köpük giderme işlemlerinin ultrasonikasyonla gerçekleştirilmesi motor performansını iyileştirir.

Ultrasonik Proses Ekipmanları

Hielscher, yüksek kapasiteli ultrasonik cihazların önde gelen tedarikçisidir, dünya çapında. Hielscher, tek cihaz başına en fazla 16kW gücünde ultrasonik işlemciler ürettiğinden, tesis büyüklüğünde hiçbir sınır yoktur ve işleme kapasitesinde de hiçbir sınır yoktur. Birkaç 16kW sisteminden oluşan gruplar, büyük hacimlerde doğrudan ikame edilebilen yakıtların üretiminde kullanılmaktadır. Endüstriyel yakıt işleme çok fazla ultrasonik enerji gerektirmez. Gerçek enerji gereksinimi, masaüstü ölçekte bir 1kW ultrasonik işlemci kullanılarak belirlenebilir. Bu tür masaüstü denemelerinden elde edilen tüm sonuçlar kolayca daha büyük ölçeğe aktarılabilir.

Ultrasonikasyon Maliyetleri

Ultrasonikasyon, etkili bir işleme teknolojisidir. Ultrasonik işleme maliyetleri esas olarak ultrasonik cihazlara yapılan yatırımdan, enerji ve diğer hizmet giderlerinden ve bakımdan kaynaklanır. Üstün enerji verimliliği (bkz. grafik) sayesinde Hielscher ultrasonik cihazları, enerji ve diğer hizmet giderlerini azaltmaya yardımcı olur.

Kaynakça

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Sürekli faz viskozitesinin ultrasonla emülsifikasyon üzerindeki etkisi, yayımlandığı kaynak: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Dizel-Su Emülsiyonu Yanmasının Dizel Motor NO_x Emisyonları Üzerindeki Etkileri, kaynak: Florida Üniversitesinin lisansüstü eğitim enstitüsüne sunulan yüksek lisans tezi, 1999.