Giảm NOx bằng phương pháp nhũ hóa dầu/nước

Các oxit nitơ (NO_x) được biết là gây nguy hiểm tức thời cho sức khỏe con người và môi trường. Động cơ diesel và động cơ xăng di động cũng như cố định góp phần lớn vào lượng phát thải NO_x trên toàn thế giới. Nhũ hóa nhiên liệu với nước là một cách để giảm lượng phát thải NO_x của động cơ. Nhũ hóa bằng siêu âm là một phương pháp hiệu quả để tạo ra nhũ tương nhiên liệu/nước có kích thước giọt nhỏ.

Ô tô và xe tải, máy bay, máy phát điện, xe nâng, thiết bị điều hòa không khí và nồi hơi tạo ra lượng lớn bụi dạng hạt (PM) và NO_x do đốt cháy các sản phẩm dầu mỏ. NO_x chỉ các hỗn hợp gồm nitơ monoxit (NO) và nitơ đioxit (NO₂) cũng như N₂O, NO₃, N₂O₄ và N₂O₅. Nitơ monoxit và nitơ đioxit góp phần hình thành ozon gần mặt đất và sương khói và gây hại cho môi trường cũng như con người. Các quy định về môi trường kiểm soát việc phát thải chất ô nhiễm không khí bằng cách siết chặt các giới hạn. Khí thải động cơ cũng chứa lưu huỳnh đioxit (SO₂) do các hợp chất lưu huỳnh trong nhiên liệu. Vấn đề này được giảm thiểu bằng phương pháp khử lưu huỳnh bằng hydro hoặc khử lưu huỳnh có hỗ trợ siêu âm.

Vận hành bằng nhũ tương nhiên liệu/nước

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về ảnh hưởng của nước đến mức phát thải NO_x . Nhiều tỷ lệ thể tích nhiên liệu:nước khác nhau, từ 1:1 đến 19:1, đã được thử nghiệm để đánh giá đặc tính cháy. Trong hầu hết các trường hợp, chất hoạt động bề mặt được bổ sung ở mức 1 đến 2 phần trăm thể tích để ổn định nhũ tương.

Kiến thức cơ bản về quá trình cháy

Quá trình đốt cháy nhiên liệu tạo ra nhiệt năng và cơ năng. Phần cơ năng có thể được dùng để dẫn động pít-tông hoặc tua-bin nhằm tạo lực đẩy hoặc phát điện. Trong hầu hết các động cơ, nhiệt năng không được sử dụng. Điều này dẫn đến hiệu suất nhiệt động lực học thấp hơn.

Khoảng 90% NO_x sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu là NO. NO chủ yếu được hình thành do quá trình oxy hóa nitơ trong khí quyển (N₂). Nước được thêm vào nhiên liệu làm giảm nhiệt độ cháy do sự bay hơi của nước. Khi nước trong nhũ tương nhiên liệu/nước bay hơi, nhiên liệu xung quanh cũng hóa hơi. Điều này làm tăng diện tích bề mặt của nhiên liệu. Nhiệt độ thấp hơn và sự phân bố nhiên liệu tốt hơn dẫn đến giảm sự hình thành NO_x.

Nhũ hóa bằng siêu âm

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng việc đưa nước vào quá trình đốt cháy nhiên liệu giúp giảm lượng NO_x phát thải. Có thể bổ sung nước bằng cách tạo nhũ tương nhiên liệu/nước theo hai cách:

• không được ổn định: nhũ hóa nước vào nhiên liệu trực tiếp trên đường ống trước khi phun
• được ổn định: sản xuất nhũ tương nhiên liệu/nước ổn định để sử dụng làm nhiên liệu thay thế trực tiếp

Canfield (1999) tóm tắt mức giảm NO_x nhờ sử dụng nước và các chất phụ gia khác:

• nhũ tương không được ổn định
  • nước bổ sung theo % thể tích: 10 đến 80%
  • NO_x giảm: 4 đến 60%
• nhũ tương được ổn định
  • nước bổ sung theo % thể tích: 25 đến 50%
  • NO_x giảm: 22 đến 83%

Nhũ tương

Nhũ tương là hỗn hợp của các chất lỏng thường không hòa lẫn vào nhau (các pha), chẳng hạn như dầu và nước. Trong quá trình nhũ hóa, pha phân tán (ví dụ: nước) được đưa vào pha lỏng (ví dụ: dầu). Bằng cách áp dụng lực cắt lớn, kích thước hạt (= kích thước giọt) của pha phân tán được giảm xuống. Kích thước hạt càng nhỏ thì nhũ tương tạo ra càng ổn định. Có thể tăng thêm độ ổn định bằng cách bổ sung chất hoạt động bề mặt hoặc chất ổn định. Nhấp vào hình phía trên để xem các kết quả minh họa về việc nhũ hóa 10% nước trong dầu động cơ (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Đức) bằng siêu âm. Nghiên cứu này được thực hiện bởi Behrend và Schubert (2000).

Siêu âm

Khi xử lý chất lỏng bằng siêu âm ở cường độ cao, sóng âm truyền vào môi trường lỏng tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (giãn) luân phiên, với tốc độ tùy thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bọt chân không nhỏ hoặc các khoang rỗng trong chất lỏng. Khi các bọt đạt đến thể tích mà chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Trong quá trình sụp đổ, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất rất cao (khoảng 2.000atm) xuất hiện cục bộ. Sự sụp đổ của bọt xâm thực cũng tạo ra các tia chất lỏng với vận tốc lên đến 280m/s.

Siêu âm đã được chứng minh là tạo ra các nhũ tương rất đồng nhất của nước trong dầu (w/o) và dầu trong nước (o/w) nhờ lực cắt lớn do xâm thực. Do các thông số xử lý bằng siêu âm có thể được kiểm soát tốt, kích thước hạt và sự phân bố kích thước hạt có thể được điều chỉnh và tái lập tốt. Thông thường, siêu âm được áp dụng trong thiết bị phản ứng có buồng dòng chảy. Do đó, nhũ tương có thể được sản xuất liên tục trực tiếp trên đường ống. Vì lý do này, xử lý bằng siêu âm có thể được sử dụng để tạo ra các nhũ tương được ổn định và không được ổn định.

Bảng dưới đây trình bày năng suất xử lý tổng quát ở các mức công suất siêu âm khác nhau.

Khử khí và phá bọt bằng siêu âm

Siêu âm cũng giúp giảm lượng bọt khí trong hỗn hợp nhũ tương. Hình bên phải cho thấy tác động của việc xử lý bằng siêu âm đối với hàm lượng bọt khí (các ảnh thể hiện diễn biến cách nhau 5 giây, từ trái sang phải). Vì sự thay đổi hàm lượng bọt khí gây ra dao động về thời điểm phun, việc khử khí, loại bỏ không khí và phá bọt bằng siêu âm giúp cải thiện hiệu suất động cơ.

Thiết bị xử lý bằng siêu âm

Hielscher là nhà cung cấp thiết bị siêu âm năng suất cao hàng đầutrên toàn thế giới. Vì Hielscher sản xuất các thiết bị xử lý bằng siêu âm có công suất lên đến 16kW cho mỗi thiết bị riêng lẻ, nên không có giới hạn về quy mô nhà máy hoặc năng suất xử lý. Các cụm gồm nhiều hệ thống 16kW đang được sử dụng để sản xuất khối lượng lớn nhiên liệu thay thế trực tiếp. Quá trình xử lý nhiên liệu công nghiệp không cần nhiều năng lượng siêu âm. Nhu cầu năng lượng thực tế có thể được xác định bằng một thiết bị xử lý bằng siêu âm 1kW ở quy mô để bàn. Tất cả các kết quả từ những thử nghiệm quy mô để bàn như vậy đều có thể được mở rộng quy mô dễ dàng.

Chi phí xử lý bằng siêu âm

Xử lý bằng siêu âm là một công nghệ xử lý hiệu quả. Chi phí xử lý bằng siêu âm chủ yếu đến từ khoản đầu tư
cho thiết bị siêu âm, chi phí tiện ích và bảo trì. Hiệu suất năng lượng vượt trội (xem biểu đồ) của các thiết bị siêu âm Hielscher giúp giảm chi phí tiện ích.

Tài liệu tham khảo

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Ảnh hưởng của độ nhớt pha liên tục đến quá trình nhũ hóa bằng siêu âm, trong: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Ảnh hưởng của quá trình đốt cháy nhũ tương diesel/nước đến lượng NO_x phát thải từ động cơ diesel, trong: Luận văn thạc sĩ trình lên trường sau đại học của University of Florida, 1999.