Synthesis of Glycerol Based Fuel Additives to Reduce NOx Emissions from Diesel Engines Operated on Diesel and Biodiesel fuels by SNCR

Tanugula, Shravan, Kumar

doi:10.24355/dbbs.084-201012101139-0

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Synthesis of Glycerol Based Fuel Additives to Reduce NOx Emissions from Diesel Engines Operated on Diesel and Biodiesel fuels by SNCR

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The demand for energy around the world is dramatically increasing due to the constant growth in industry and the transportation of the industrially produced goods. In view of growing energy demand without irreparably damaging the environment is of the most primary concern. With the rising fuel prices and environmental concern and the new laws imposed by the government to reduce emissions, alternative fuels could fill in the gap of satisfying the need of renewable energy with low environmental impact. Some of the most popular renewable energies proposed for the present day in transportation sector are ethanol, hydrogen and biodiesel. Although automobile industry is introducing new technologies like electric cars (e-cars) and hydrogen powered vehicles, the complete takeover of present day gasoline and the diesel engines by these technologies is not in near future. Due to the limitations in these technologies the compression ignition engines especially the diesel engines are expected to remain in use for high power applications. Unfortunately, the diesel engines possess a bad reputation of producing higher PM and NOx emissions compared to gasoline engines. The problem concerning higher PM emissions could be solved by diesel particulate filters and also by blending diesel fuel with biodiesel. However, the NOx emissions are the major concern of automobile industry and also a growing concern of biodiesel industry as biodiesel increases nitrogen oxides (NOx) emissions, mostly NO and NO2, which are considered as zone-A hazardous compounds. The present day technologies like DeNOx, NH3-SCR have their strengths and limitations to attain the standards and requirements, for example ultra-low sulfur diesel is required for DeNOx. NH3 SCR is the only system which shows some promising results which is presently restricted only to heavy-duty diesel vehicles. However, many researchers in the past have tried to reduce NOx emissions using SNCR in diesel engines by introduction of cyanuric acid to the introduction of ammonia. Eventually, to the present day any application of SNCR to the diesel engines were not proven to be successful. The present work represents the design and synthesis of compounds that are introduced as additives in diesel or biodiesel fuel to reduce NOx emissions up to 22 % from the diesel fuel and up to 47 % from the biodiesel fuel. The key in successful reduction of NOx emissions using SNCR technology in diesel engines lie in the use of specifically designed compounds (other than ammonia as reported by Lyon in his patent), the residence time of the ions, that is the time of contact between the ions produced by the added compounds and NO at a given temperature in the engine during combustion, and the amount in which they are introduced. This work represents the attained balance between all the above mentioned hurdles, in the sense the reactivity of the compounds to the residence time, and also the balance between the increase in fuel NOx caused by the additives in biodiesel to the reduction of NOx by the same additives in diesel fuel. Eventually, this study is a preliminary investigation into the successful reduction of NOx emissions using SNCR technology from both diesel and biodiesel fuels and forwards a strong argument that SNCR could reduce the NOx emissions in a most efficient way when proper compounds are chosen to do the work.

Die Nachfrage nach Energie wächst weltweit dramatisch an bedingt durch das konstante Wachstum in Industrie und Transport industriell hergestellter Waren. In Anbetracht der wachsenden Energienachfrage gilt die wichtigste Sorge der Umwelt, die keine irreparablen Schäden annehmen soll. Mit steigenden Kraftstoffpreisen und der Sorge für die Umwelt wurden neuen Gesetze von der Regierung zur Verringerung der Emissionen verabschiedet. Alternative Kraftstoffe könnten die Lücke, die durch den Bedarf an erneubaren Energien mit geringer Umweltbelastung entsteht, schließen. Einige der bekanntesten erneubaren Kraftstoffe, der vollständige Ersatz der heutigen Otto- und Dieselmotoren ist jedoch in naher Zukunft nicht zu erwarten. Aufgrund der Einschränkungen der obigen neuen Technologien, erwartet man, daß die Kompressions-zündungsmotoren, vor allem die Dieselmotoren, im Einsatz für Anwendungen mit hoher Leistung bleiben werden. Leider besitzen der Dieselmotore wegen, der Erzeugung von höheren PM- und NOx-Emissionen im Vergleich zum Benzinmotore einen schlechten Ruf. Das Problem in Bezug auf höhere Partikelemissionen konnte durch den Dieselpartikelfilter gelöst werden und auch durch das Beimischen von Biodiesel zu Dieselkraftstoff. Allerdings sind die NOx-Emissionen das wichtigste Anliegen der Automobilindustrie und auch eine wachsende Sorge der Biodiesel-Industrie, da Biodiesel Stickstoffoxide (NOx)-Emissionen, hauptsächlich NO und NO2, die als Zone-A gefährliche Verbindungen betrachtet werden, freisetzen. Die heutigen Technologien, wie DeNOx, NH3-SCR haben ihre Stärken und Schwächen, um die Normen und Anforderungen zu erfüllen, Beispielsweise ist Diesel mit sehr niedrigem Schwefelgehalt für DeNOx erforderlich. NH3 SCR ist das einzige System, das einige vielversprechende Ergebnisse zeigt, das derzeit jedoch auf schwere Nutzfahrzeuge mit Dieselmotoren beschränkt ist. Die vorliegende Arbeit stellt Design und Synthese von Verbindungen vor, die als Zusatzstoffe in Diesel- und Biodieselkraftstoffe eingeführt werden, um die NOx Emissionen bis zu 22 % aus Dieselkraftstoff und bis zu 47 % aus Biodieselkraftstoff zu verringern. Der Schlüssel einer erfolgreichen Abnahme von NOx Emissionen mit Hilfe der SNCR-Technologie bei Dieselmotoren liegt in der Anwendung von speziell hergestellten Verbindungen, die Menge in denen sie eingeführt werden, der Verweilzeit der Ionen die durch die zusätzlichen Verbindungen hergestellt werden und die NO Menge die bei einer bestimmten Temperatur während der Verbrennung im Motor erzeugt wird. Diese Arbeit stellt die erreichte Balance zwischen allen oben genannten Hürden dar und berücksichtigt die Reaktivität der Verbindungen, ihre Verweilzeit und auch die Balance zwischen dem Anstieg der Kraftstoffpreise und dem NOx-Anstieg, der durch die Additive im Biodiesel zur Verringerung der NOx-Emissionen verursacht wird. Die Auswirkung der gleichen Additive wird dann für den Dieselkraftstoff untersucht. Schließlich ist diese Studie eine vorläufige Untersuchung der erfolgreichen Reduzierung der NOx-Emissionen mit Hilfe der SNCR-Technik bei Diesel- und Biodiesel-Kraftstoffen. Das SNCR-Verfahren könnte die NOx-Emissionen in effizienter Weise reduzieren, wenn geeignete Additive gewählt werden.