Зниження NOx за допомогою емульгації олії/води

Оксиди азоту (NO_x) відомі як безпосередньо небезпечні для здоров’я людини та навколишнього середовища. Мобільні та стаціонарні дизельні та бензинові двигуни значною мірою сприяють світовим викидам NO_x . Емульгація палива з водою є способом зменшення викидів NO_x двигунів. Ультразвукова емульгація є ефективним засобом для створення дрібнодисперсних емульсій палива/води.

Автомобілі та вантажівки, літаки, електрогенератори, навантажувачі, блоки кондиціонування повітря та котли генерують великі кількості твердих частинок (PM) та NO_x в результаті згоряння нафтопродуктів. NO_x стосується сумішей оксиду азоту (NO) та діоксиду азоту (NO₂), а також N₂O, NO₃, N₂O₄ та N₂O₅. Оксид азоту та діоксид азоту сприяють утворенню приземного озону, смогу і є небезпечними для навколишнього середовища та людей. Екологічне регулювання вирішує проблему викидів забруднювачів повітря шляхом посилення обмежень. Викиди двигунів також включають діоксид сірки (SO₂) внаслідок наявності сполук сірки в паливі. Ця проблема зменшується за допомогою гідродезсірки або ультразвуково-асистованої десульфуризації.

Робота на емульсії палива/води

Протягом останніх років було проведено багато досліджень щодо впливу води на рівень викидів NO_x . Було випробувано різні об’ємні співвідношення палива та води від 1:1 до 19:1 для визначення властивостей згоряння. У більшості випадків додавали 1–2 об’ємні відсотки ПАР для стабілізації емульсії.

Передумови згоряння

Згоряння палива генерує теплову та механічну енергію. Механічну частину можна використовувати для приводу поршнів або турбін для руху або виробництва електроенергії. У більшості двигунів теплова енергія не використовується. Це призводить до нижчої термодинамічної ефективності.

nПриблизно 90% NO_x , що утворюються в процесі згоряння палива, становить NO. NO переважно утворюється внаслідок окиснення атмосферного азоту (N₂). Додавання води до палива знижує температуру згоряння через випаровування води. Коли вода в емульсії паливо-вода випаровується, навколишнє паливо також випаровується. Це збільшує площу поверхні палива. Нижча температура та кращий розподіл палива призводять до меншого утворення NO_x.

Ультразвукова емульгація

Багато досліджень показали, що введення води в процес згоряння палива знижує викиди NO_x . Воду можна додати, утворюючи емульсію палива/води двома способами:

• нестабілізована: інлайн-емульгація води в паливо перед інжекцією
• стабілізована: виробництво стабільної емульсії палива/води для використання як альтернативного палива прямого застосування

Canfield (1999) підсумовує зниження NO_x за допомогою використання води та інших добавок:

• нестабілізована емульсія
  • додавання води, об.%: 10–80%
  • NO_x зниження на: 4–60%
• стабілізована емульсія
  • додавання води, об.%: 25–50%
  • NO_x зниження на: 22–83%

Емульсія

Емульсія є сумішшю зазвичай незмішуваних рідин (фаз), таких як олія та вода. Під час процесу емульгації дисперсна фаза (наприклад, вода) вводиться в рідку фазу (наприклад, олію). Завдяки застосуванню високого зсуву, розмір частинок (= розмір крапель) дисперсної фази зменшується. Чим менший розмір частинок, тим стабільніша створена емульсія. Додаткову стабільність можна досягти за допомогою введення ПАР або стабілізаторів. Натисніть на графік вище , щоб переглянути приклади результатів ультразвукової емульгації 10% води в моторній олії (Velocite 3, Mobil Oil, Гамбург, Німеччина). Це дослідження було проведено Behrend та Schubert (2000).

Ультразвук

При ультразвуковій обробці рідин із високою інтенсивністю звукові хвилі, що поширюються в рідкому середовищі, створюють чергування циклів високого тиску (стиснення) та низького тиску (розрідження), частота яких залежить від частоти. Під час циклу низького тиску високочастотні ультразвукові хвилі створюють у рідині маленькі вакуумні бульбашки або порожнини. Коли бульбашки досягають об’єму, за якого вони більше не можуть поглинати енергію, вони різко колапсують під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією. Під час імплозії локально досягаються дуже високі температури (прибл. 5 000K) та тиски (прибл. 2 000atm). Імплозія кавітаційної бульбашки також призводить до утворення рідинних струменів зі швидкістю до 280m/s.

Доведено, що ультразвук генерує дуже гомогенні емульсії води в олії (w/o) та олії у воді (o/w) завдяки високому кавітаційному зсуву. Оскільки параметри ультразвукової обробки добре контролюються, розмір та розподіл частинок є регульованими та відтворюваними. Зазвичай ультразвук застосовується в проточній комірці. Тому емульсію можна виготовляти безперервно в лінії. З цієї причини ультразвукову обробку можна використовувати для виготовлення стабілізованих та нестабілізованих емульсій.

У таблиці нижче наведено загальні потужності обробки для різних рівнів ультразвукової потужності.

Ультразвукове дегазування та знепенювання

Ультразвук також допомагає зменшити кількість повітряних бульбашок в суміші емульсії. Зображення праворуч показує ефект (5-секундні зображення прогресу зліва направо) ультразвукової обробки на вміст бульбашок. Оскільки зміни у вмісті бульбашок спричиняють коливання моменту інжекції, дегазування, деаерація та знепенювання за допомогою ультразвукової обробки покращують продуктивність двигуна.

Ультразвукове процесне обладнання

Hielscher є провідним постачальником високоефективних ультразвукових пристроїв, у всьому світі. Оскільки Hielscher виробляє ультразвукові процесори потужністю до 16kW на один пристрій, то немає обмежень у розмірі установки або потужності обробки. Кластери з кількох систем 16kW використовуються для виробництва великих об’ємів палива прямого застосування. Промислова переробка палива не потребує великої кількості ультразвукової енергії. Фактичну потребу в енергії можна визначити за допомогою 1kW ультразвукового процесора в лабораторних умовах. Усі результати таких лабораторних випробувань можна легко масштабувати.

Вартість ультразвукової обробки

Ультразвукова обробка є ефективною технологією обробки. Витрати на ультразвукову обробку складаються переважно з інвестицій
в ультразвукові пристрої, комунальних витрат та витрат на обслуговування. Видатна енергоефективність (див. графік) ультразвукових пристроїв Hielscher допомагає зменшити комунальні витрати.

Література

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Вплив в’язкості безперервної фази на емульгування ультразвуком, в: Ультразвукова сонохімія 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Вплив згоряння дизель-водяної емульсії на дизельний двигун NO_x Викиди, в: Магістерська дисертація, представлена аспірантурі Університету Флориди, 1999.