循環経済戦略におけるエタノールおよびエトキシ酢酸エチル添加剤を使用した廃プラスチックのディーゼル燃料へのエネルギー回収

Oct 23, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 5330 (2022) この記事を引用

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プラスチック製品の普及は、大きな廃棄問題と環境問題を引き起こします。循環経済の概念がますます重視されており、プラスチック原材料の需要に大きな影響を与える可能性があります。使用済みプラスチックのリサイクルは、国の循環経済の主要な焦点です。この研究は、循環経済の需要を満たすための代替燃料源として廃プラスチックからのエネルギー回収に焦点を当てています。熱分解によって生成される廃プラスチック燃料は、代替燃料として利用されると主張されている。この研究は、単気筒直噴ディーゼルエンジン (DIDE) での高密度ポリエチレン (HDPE) の熱分解から生成される廃プラスチック燃料 (WPF) の性能と排出基準を決定することに焦点を当てています。 3 つの異なる比率の WPF を、酸化添加剤として 10% エタノールおよび 10% エトキシ酢酸エチルと組み合わせて、第 4 成分燃料ブレンドを作成しました。エタノールは、低粘度、高酸素含有量、高い水素対炭素比という好ましい特性を有しており、第四級燃料によりブレーキの熱効率が向上し、燃料消費量が向上し、排出ガスが削減されます。 WEE20 ブレンドは、ディーゼルと比較してブレーキ熱効率が 4.7% 高く、燃料消費量が 7.8% 削減されています。第 4 成分燃料ブレンドは、さまざまな負荷条件下で、一酸化炭素が 3.7 ～ 13.4% 減少し、炭化水素が 2 ～ 16% 減少したことを示しました。

プラスチックの消費量は、過去50年間で倍増したが、今後20年間で倍増すると予想されている。環境問題を軽減するために、ポリマー産業は、単一用途のプラスチックではなく、付加価値のある製品の回収に注力する必要があります。循環経済の概念は勢いを増しており、使用済みプラスチックのリサイクルのアイデアを増やすという意欲的な戦略が含まれています。消費量の削減、平均余命の延長、リサイクル、消費後のエネルギー回収はすべて、プラスチックによって引き起こされる汚染を減らすために推奨される戦略です。機械的リサイクルは循環経済にとって極めて重要ですが、不適合な混合、機械的特性の低下、強化添加剤などの障害が循環経済を妨げています。プラスチックの処分にはサーマルリサイクルや燃焼が注目されています。廃プラスチックの処理は、エネルギー回収の重要な機会をもたらします。炭化水素はプラスチック中に存在し、きれいに燃焼するため、優れた燃料源です。熱分解は、環境に優しく費用対効果が高いだけでなく、廃プラスチックからエネルギーを回収する技術であり、これまでプラスチック廃棄物を燃料製造用のエネルギー源として再利用していましたが、環境に優しく費用対効果にも優れています1。

ディーゼル燃料の使用は、自動車、農業、発電分野などの多くの産業で普及しており、熱効率の向上と優れた燃費のメリットが得られます。代替の燃料源を探すことは、通常、良い経験になります。 Singh et al.2 は、触媒を使用せずに純粋なプラスチック熱分解油を合成し、燃料の特性を研究しました。プラスチックオイルブレンドをエンジンでテストしたところ、50% ブレンドを使用すると効率が低下し、排出量の増加が最小限に抑えられることがわかりました。 Das et al.3 は、ゼオライト A 触媒から生成された廃プラスチック油ブレンドを調査しました。エンジン分析により、全負荷時にブレンドのブレーキ熱効率が最大 20% 向上することがわかりました。混合比や負荷比が大きいほど、排気ガスはディーゼルよりも高い値になると考えられます。 Mangesh らは、高密度および低密度のポリエチレン、スチレン、ポリプロピレンなどのいくつかのポリマーから生成される熱分解油を研究しました。 Bukkarapu ら 5 は、プラスチック廃棄物を燃料に変換する熱分解法を研究し、エンジンの特性を調べることによってディーゼルエンジンでのプラスチックオイルの使用を報告しました。 Chandran ら 6 は、ディーゼル様ポリマーとタイヤ油ブレンド、蒸留および脱硫された廃プラスチック油とのさまざまな廃プラスチック油混合物の化学的および物理的特性を報告しました。

Fayyazbakhsh と Pirouzfar7 は、排出ガスを削減し、燃料特性を改善し、DIDE の性能を向上させるための酸素添加剤のレビューを実施しました。彼らは、ディーゼルのアルコール含有量を増やすと燃焼中の予混合燃焼段階が強化され、その結果排出量が減少すると結論づけました。 Bridjesh et al.8 は、ディーゼルの代わりに廃プラスチック油 (WPO) の半分の量と添加剤の酢酸メトキシエチルとジエチルエーテルを使用することを試みました。 Sachuthananthan et al.9 は、酸化マグネシウムのナノ粒子とプラスチック熱分解油をさまざまな比率で組み合わせました。この調査は、エンジンの物理化学的特性に対する圧縮着火の影響を調査するために実施されました。 Mangesh et al.10 は、不飽和化学物質を飽和化学物質に変換するための新しいアプローチとして熱分解油の水素化を研究しました。この研究では、ディーゼルと組み合わせた水素化ポリプロピレン熱分解油の燃焼、生成、および排出について調査しました。

Devaraj et al.11 は、ジエチルエーテルをブレンドすると、プラスチックブレンドのセタン価がディーゼルや WPO のセタン価よりも増加するだけでなく、煙の排出も減少することを示しました。 Ananthakumar et al.12 によると、彼らは WPO とジエチルエーテルの混合燃料を使用してディーゼルエンジンの性能をテストしました。結果は、WPO ブレンドの BTE がディーゼルよりも低く、比燃料消費量 (SFC) がすべての場合においてディーゼルよりも BTE が大幅に低いことを示しました。一方、炭化水素 (HC) と煙の排出量はディーゼルと同様でした。 Vijayabalan と Kaimal13 は、WPO で 5 ～ 15 体積パーセントのジエチルエーテル (DEE) で動作するディーゼルエンジンの特性を調査しました。ブレンドの DEE が増加すると、BTE が増加し、燃料消費量が減少しました。一酸化炭素（CO）排出量が減少する一方、未燃焼炭化水素排出量も減少しました。

Sukjit et al.14 は、燃料としてプラスチックオイルキャスターオイルを使用し、添加剤としてブタノールと DEE を組み合わせて使用するディーゼルエンジンに関する実験研究を実施しました。プラスチックオイル、ヒマシ油、DEE の混合物を燃料として使用すると、エンジンの排出物が削減されます。 Ravi と Karthikeyan15 は、プラスチックオイルとのプロパノール混合物はディーゼルと比較して性能と排出の点で好ましく、排出基準が削減されるという点で好ましいと示唆しました。 Das ら 16 は、性能の向上と排出量の削減について WPO とエタノールを調査し、Taguchi メソッドを使用して性能と排出量を最適化しました。この研究の結果によると、20% エタノールと 20% WPO 混合ディーゼルでは、圧縮比が高く、負荷が高いほど、可能な限り BTE が大きくなり、排出量が最小限に抑えられます。綿密かつ包括的な調査により、廃プラスチック燃料は、現在のエンジン改造の有無にかかわらず、単一燃料として、または二成分混合物としてベースのディーゼルまたは酸素添加燃料と組み合わせて使用できることが明らかになりました。酸素添加剤を使用するためにいくつかの試みが行われていることが観察されています。三元燃料混合物にアルコールを添加すると、四元混合物に見られるディーゼルの動粘度や密度の増大が回避され、ベース燃料の特性が改善され、排出量が大幅に削減されることが判明しました17。

この研究は、循環経済アプローチによる輸送燃料源としての使用済みプラスチック廃棄物からのエネルギー回収に焦点を当てています。この調査は、単気筒ディーゼルエンジンでの HDPE の熱分解から作られた廃プラスチック燃料の排出特性と性能特性を測定することを目的としています。アルコールおよびエチル酸素添加剤と、廃プラスチックから回収されたプラスチック燃料との組み合わせは、ディーゼルエンジン用途では試みられていない。この研究では、ディーゼルエンジンの性能を向上させるために、10% エタノールと 10% エトキシ酢酸エチル添加剤の組み合わせを、第 4 燃料として異なる比率の廃プラスチック燃料とブレンドしました。したがって、この研究では、廃プラスチック燃料と含酸素添加剤を燃料とした単気筒ディーゼルエンジンの排出特性と性能を評価します。 WPF の結果は、循環経済を満たすための環境の持続可能性について評価されます。

熱分解プロセスでは、廃プラスチックがディーゼルエンジンの燃料として代替エネルギーに変換されます。廃プラスチック燃料には、使用するプラスチックのグレードや使用する熱分解技術によって異なる幅広い化学的特性があります。廃プラスチック燃料の低発熱量と高粘度は、プラスチック燃料をディーゼルエンジンとして利用する場合の 2 つの最も重大な欠点です。 HDPE は、かなりの結晶化度を持ち、分岐がほとんどない直鎖状の長鎖ポリマーとしての構造で知られており、結果として高い耐久性を実現します。予測によると、HDPE の世界需要は 2025 年までに約 950 億トンに達し、プラスチック汚染の最も重大な原因の 1 つとなります。 HDPE は、アルカリ、希酸、グリースに対して優れた耐性を示します。その優れた強度により、牛乳容器、潤滑油容器、シャンプーボトル、洗剤ボトル、リサイクル箱、買い物袋などの製造に広く使用されています。 HDPE 廃棄物は熱分解の原料として使用できる可能性が高く、何度もリサイクルできます4。 Ning Liu ら 25,26 は、廃棄ポリマーからエネルギーを回収し、それを太陽エネルギー用途に使用しました。これは環境に優しいだけでなく、低コストの廃棄ポリマーを高付加価値のエネルギー利用に変換することにより、幅広い用途向けの多孔質カーボンを作成するグリーンな方法も提供します。

接触プロセスは、変換を行うために触媒を使用することを特徴とします。プラスチック廃棄物の熱分解には、温度、加熱速度、触媒の使用量、粒子サイズ、保持時間、水分含有量、原料組成など、いくつかのプロセス要素が関係します。熱熱分解と比較して、この方法は合成廃棄物が石油に変換される可能性が高く、これまで考えられていたよりも低い反応時間と温度で品質が向上することを示しました。これらの変数により、エネルギー消費を削減しながら、同時に熱分解プロセス全体の出力を増加させることができます。熱分解プロセスでは、材料が真空下に保持されている間に熱劣化が発生します。製造業者によると、HDPE ポリマーの接触熱分解変換は熱分解反応器内で実行されました。細断されたプラスチックゴミは、600℃で連続運転できるマッフル炉に投入されます。熱電対を介して温度を監視および調整するデジタルコントローラー。接触熱分解反応器には、変換を助ける真空ポンプが付属していました。この手順で使用される触媒は、ダイオキシンの生成を防ぎます。プラスチック材料の種類に応じて、指定された温度と時間で反応が起こります。 HDPE テストには 60 分の応答時間が必要で、450 °C で HDPE は熱分解油に変換されました。結果によると、HDPE の油生産量は、25% のワックス形成と 25% のガスを含む熱分解油の 50 重量％であり、コークスの形成が観察されます。

多くの研究者が、リサイクルプラスチックから製造される代替燃料の性能を向上させる可能性のあるさまざまな添加剤を研究しています。表 1 は、廃プラスチック燃料の調査と酸素添加剤を使用した場合の性能結果を表にまとめたものです。エタノールは、再生可能な生物資源と酸素化特性により、ディーゼルエンジンの魅力的な代替燃料です。これらの含酸素化合物は、揮発性と潜熱特性が高いため、エンジンによく使用されます。多くの研究 27,28 は、CI エンジンの代替燃料としてディーゼル燃料、バイオディーゼル、アルコール混合物の最適化に焦点を当ててきました。しかし、三成分ブレンドには、発熱量の低下、相分離、流動点、危険な保管および輸送環境などの重大な欠点があります。エタノールは、エンジン燃料としてディーゼルと混合できます。エタノールには、より高い酸素含有量、低粘度、より少ない硫黄含有量、高い水素対炭素比、高い蒸発冷却速度など、多くの有利な特性があります。エタノールは純粋なディーゼルよりも粘度が低いため、シリンダーに噴射される燃料の霧化が改善され、ディーゼルと組み合わせると空気との混合が改善されます29,30。さらに、エタノールは蒸発潜熱が高いため、ディーゼル燃料と混合すると、吸気行程および圧縮行程中のエタノールの蒸発冷却効果によって体積効率が向上する可能性があります。

酸素添加燃料の利用は、現在および将来において、ディーゼルエンジンからの排出量を削減するための実行可能な選択肢であると思われる。「酸素化燃料」という用語は、酸素を含む化学物質を指します。燃料の燃焼効率を高め、大気汚染物質の量を減らすために使用されます。 Rao et al.31 は、酸素添加剤を使用してディーゼルを変更することで、性能を向上させながら同時に排出量を削減する取り組みを行ってきました。三成分混合物を作成するために、ニトロメタンと酢酸 2-エトキシエチル (EEA) がさまざまな量でディーゼル燃料に添加されました。 2-ブトキシエタノールと 2-エトキシエチルアセテートは、Srinivasan と Devaradjane によって研究されました 32。酸素濃度が 5% から 15% に上昇すると、煙、CO、および HC の排出が減少しますが、窒素酸化物 (NOx) の排出は増加します。一方、Deepanraj ら 33 は、EEA ブレンドで動作するディーゼルエンジンの特性を研究しました。 5%、10%、15% EEA を含むいくつかの燃料混合物の影響が DIDE で研究されました。 EEA 混合燃料は、さまざまな負荷状況下でテストした場合、エンジン性能を向上させ、排出ガスを大幅に削減しました。

最も重点を置いているのは、HDPE 由来の廃プラスチック燃料をディーゼルエンジンの代替燃料として使用することです。文献情報源を検討したところ、エタノールおよびエトキシ酢酸エチルと組み合わせた場合のディーゼルエンジンの高密度ポリエチレン由来の燃料についてはほとんど研究が行われていないことがわかりました。相分離は、EEA などの添加剤を廃プラスチック油およびディーゼル混合物と組み合わせることで回避できます。分子適合性および結合添加剤は架橋剤として機能し、均一なブレンドが得られます。表 1 に示すように、多くの研究者が、アルコールやエチル添加剤などのさまざまな酸素添加剤を廃プラスチック燃料に試しました。 2 つの含酸素添加剤と廃プラスチック燃料の組み合わせは、ディーゼルエンジンでは実行されませんでした。添加剤の混合率は、多くの調査で WPF で 5 ～ 15% が採用されました 15、16、19、20、22、23。したがって、添加剤の添加は体積ベースで 10% に維持され、これが最適な比率と考えられます。この研究では、単気筒ディーゼルエンジンの排出特性と性能を評価するために、10% エタノールと 10% エトキシ酢酸エチルの組み合わせに、第 4 燃料として廃プラスチック燃料を 3 つの増分比率で添加しました。

この研究では、熱分解プロセスから得られた廃プラスチック燃料を、酸素添加剤とともに、体積基準で 20%、30%、40% の異なる比率でディーゼルと混合しました。 WEE と呼ばれる第 4 成分燃料は、廃プラスチック燃料、体積ベースで 10% のエタノール、および 10% のエトキシ酢酸エチルのブレンドによって形成され、純粋なディーゼルと混合されます。 WEE20 (60% ディーゼル + 20% WPF + 10% エタノール + 10% エトキシ酢酸エチル)、WEE30 (50% ディーゼル + 30% WPF + 10% エタノール + 10% エトキシ酢酸エチル)、および WEE40 として調製された第 4 成分燃料ブレンド(40% ディーゼル + 40% WPF + 10% エタノール + 10% エトキシ酢酸エチル)。

エンジンの研究は、出力 4.2 kW の水冷単気筒 DIDE を利用して実施される可能性があります。テストエンジンは手回し技術を使用して始動しました。ディーゼルエンジンは、その性能を測定するために渦電流動力計に接続されました。ダイナモメーターを使用すると、生成される電力に応じて、ゼロから最大 100% までの増分でエンジンに手動で負荷をかけることができます。テストエンジンは 17:1 の圧縮比で 1500 rpm で動作し、標準テスト条件で動作しました。実験は、噴射タイミング 21° bTDC (上死点前)、噴射圧力 210 bar で実施されました。エンジンからの排気汚染は、AVL di ガス分析計と煙計を使用して調査されました。 AVL プログラムは、エンジンの安定性と汚染レベルを評価するために使用されました。実験エンジンのセットアップを図 1 に示します。廃プラスチック燃料、エタノール、エトキシ酢酸エチルの特性を表 2 に示します。WPF の燃料特性には、ディーゼル燃料の特性と同様の重要な側面がいくつかあります。ただし、準備された燃料の燃焼特性と排出特性は決定される必要があり、機器の詳細は表 3 にまとめられています。

エンジンのセットアップの概略図。

ディーゼルエンジンの廃プラスチック燃料の性能と排出特性に関する調査が行われています。ベースライン燃料としてディーゼルを使用し、体積ベースで 10% のエタノールと 10% のエトキシ酢酸エチルで構成され、20%、30%、および 40% のさまざまな比率の WPF とブレンドされた第 4 成分燃料ブレンドを使用して、テストが実行されました。ディーゼルエンジン。評価は、最大容量の 0 ～ 100% まで 25% の増分負荷で動作する未改造の単気筒ディーゼルエンジンで実行されました。エンジンから生成される排気ガスには、炭化水素 (HC)、窒素酸化物 (NOx)、一酸化炭素 (CO)、煙などが分析されています。

エンジン性能は、ディーゼル、WPF、および含酸素添加剤を含む WPF の第 4 成分燃料ブレンドの全負荷時で、ブレーキ熱効率 (図 2) が 27.61%、24.12%、28.92%、26.26%、25.45% であることが観察されました。ブレーキの熱効率は、酸素添加剤を使用したさまざまな負荷で 17.84 ～ 28.92%、16.81 ～ 26.26%、および 16.1 ～ 25.45% の範囲になります。最大負荷で評価した場合、WEE20 の BTE はディーゼルの BTE より約 4.74% 大きく、WPF の BTE よりもほぼ 20% 高かった。さまざまな負荷の下で廃プラスチック燃料と比較した場合、4 成分ブレンド WEE20、WEE30、および WEE40 では 22%、12%、および 8% の BTE 結果の改善が観察されています。廃プラスチック燃料混合物の利用により、より高い BTE が達成されました。

エンジン負荷に対するブレーキの熱効率のパフォーマンス。

廃プラスチック燃料にエタノールとエトキシ酢酸エチルを添加すると、燃料の燃焼に良い影響を与えました。添加剤中の酸素分子の存在による酸素含有量の増加がこれに関与している可能性があり、その結果、添加剤中の酸素分子の存在によりより効率的な燃焼が起こると考えられます34。排気温度の低下により燃焼プロセスで失われるエネルギーが少なくなるため、より高いエンジン性能が達成される可能性があります。プラスチック燃料には芳香族化合物が高濃度で含まれており、プラスチック燃料の重合連鎖を切断するには多量のエネルギーが必要です。燃料噴射の問題とスプレーの品質の悪さは、他の評価済み燃料と比較して、さまざまな負荷環境下での熱効率の悪さによる WPF の粘度の高さのせいである可能性もあります 3。

各エンジンの燃料消費量はそれぞれ異なり、エンジンの速度と負荷によって異なります。レシプロエンジンの最高効率は、エンジンがスロットルされていない空気を受け取り、エンジンがトルクピークに近づいているときにのみ達成されます。図 3 は、さまざまな負荷シナリオの下での 3 成分ブレンドの関数としての燃料消費量の変化を示しています。 WEE20 の燃料消費量は、ディーゼルのさまざまな負荷条件で約 3.16% から 7.77% 減少します。 WPF と比較して、さまざまな負荷状況で燃料使用量が 14.1% から 23.8% まで大幅に削減されました。効率の向上は、同じ量の出力を提供するために必要な燃料が少なくなる高酸素状態を使用することによって得られます。さらに重要なことは、ブレンドの発熱量がエンジン出力に影響を与えることです。

エンジン負荷に対する比燃料消費量のパフォーマンス。

廃プラスチック燃料は純ディーゼルに比べて発熱量が低い。これは燃料噴霧形成の進行に影響を及ぼし、部分燃焼を引き起こします。その結果、熱効率が低下し、燃料消費量が増加します。最大負荷で 361 g/kWhr を記録した廃プラスチック燃料と比較すると、四元ブレンド WEE20、WEE30、および WEE40 ではそれぞれ 275 g/kW-hr、312 g/kWhr、および 322 g/kWhr であることが観察されました。 WPF とそのブレンドは発熱量が低く粘度が高いため、燃料使用量はディーゼル運転よりも多くなります19。混合添加剤の加熱バルブが低いと、同じ量の出力を供給するための燃料消費量が増加し、セタン価が低いために点火遅れが長くなり、エタノールの失活作用によって燃焼温度が低下します18。

ディーゼルエンジンの排気ガス温度は、燃焼サイクル中にエンジン室内で放出される熱量に応じて大きく変化します。排気ガス温度 (EGT) からも、性能、空燃比、燃焼熱、利用可能な酸素レベルの詳細な概要が得られます。燃焼温度は EGT に影響を与え、負荷の増加に伴う排気温度の上昇に寄与します 35。観察された WPF と 4 成分ブレンドの EGT は、すべての負荷条件でディーゼルよりも高かった (図 4)。 WEE20 は EGT の 5.3% 増加を記録し、他のブレンドでもディーゼルより約 9 ～ 10% 高い温度が観察されました。 WPF は粘度が高く揮発性が低いため不完全燃焼を示し、結果として EGT が高くなります。一部のガスは膨張行程の終わりに燃焼するため、より高い EGT が観察されています 36。第 4 成分ブレンドにはより多くの酸素が含まれており、燃焼を促進するため、あらゆる負荷条件で EGT が高くなります。

エンジン負荷による排気ガス温度の変化。

一酸化炭素の排出は主に、燃焼プロセスにおける酸素の利用可能性が不十分であるか、酸素の使用が不十分であることによって発生します。ディーゼルと比較すると、第 4 成分混合物はあらゆる負荷において一酸化炭素の排出量がはるかに少なくなります。図 5 は、提示されたすべての混合物について、一酸化炭素排出量が低負荷から半負荷まで徐々に低下し、その後全負荷に達するまで上昇することを示しています。最大負荷でのテストにより、WEE20 からの CO 排出量はディーゼルより 13.41%、WPF より約 20.22% 少ないことがわかりました。ディーゼルと比較して、四元ブレンド WEE20、WEE30、および WEE40 は、負荷を変化させた場合に、それぞれ 13.41%、6.21%、および 3.73% という大幅な CO 削減を示しました。第 4 成分ブレンドと WPF を比較すると、二酸化炭素排出量が 9% ～ 23.6% 減少することが示されています。四元混合物は酸素濃度が高いため、燃料をより効果的に燃焼させることができます。より多くの燃料粒子が酸化されるため、CO 排出量が減少します。セタン価の低いアルコールを添加すると、燃焼時の着火遅れ時間が長くなります。 OH 基の効果の結果として、以前に報告されているように、大部分のアルコールは炭素位置から OH ラジカルによる H 引き抜きを受けます 37。点火遅れ時間の結果、より多くの燃料と空気の混合が発生し、結果として燃焼が改善され、CO が削減されます。一酸化炭素排出量に対するマイナスの影響は、廃プラスチック油によって示されており、その粘度の増加により混合燃料の非効率的な噴霧が生じ、最終的には一酸化炭素排出量の増加につながります。

エンジン負荷に応じた一酸化炭素排出量の変化。

炭化水素の排出は、主に、燃焼プロセス内での燃料と空気粒子の不適切な混合、および燃料自体の不完全燃焼によって発生します。ディーゼルと WEE20、WEE30、および WEE40 の 4 成分ブレンドを比較すると (図 6)、炭化水素排出量はさまざまな負荷条件でそれぞれ約 11.76 ～ 16.39%、4.41 ～ 8.82%、および 1.47 ～ 1.72% 減少します。混合燃料中の酸素濃度が高く、燃料と空気が適切に混合されるため、燃料が燃焼すると燃焼室内で混合が行われます。したがって、燃焼室内で燃焼する燃料粒子の量はディーゼルよりも多くなります。 WEE20 の炭化水素排出量は、最大負荷時にディーゼルよりも約 16% 少なく、WPF よりも 21.5% 少なくなりました。アイドル状態では低いエンジン速度と低い燃料噴射圧力が存在し、その結果、燃焼の安定性に必要なわずかにリッチな燃焼状態になります。エタノールをディーゼルと混合すると、酸素の効果により部分的に燃料が豊富な領域が減少し、噴射燃料の粘度が低下することにより霧化が改善されることが、HC排出量を削減する主な理由です。 Mani ら 38 は、プラスチック燃料とディーゼルを比較した場合、最大負荷時に HC が 15% 大きいことを発見しました。廃プラスチックには不飽和芳香族化合物が含まれているため、不朽の性質があり、その結果、炭化水素の排出量が増加します36。 WPO の低いセタン価と低い自己着火特性は、シリンダーの希薄混合気領域での消火効果の強化に寄与し、ひいては炭化水素の排出量の増加に寄与します。

エンジン負荷に応じた炭化水素排出量の変動。

ディーゼルエンジンでは、NOx は主に熱メカニズムによって生成され、程度は低いですがプロンプトメカニズムを通じて生成されます。温度が上昇すると、熱プロセスにより NOx レベルが指数関数的に増加します。四元ブレンド WEE20、WEE30、および WEE40 を異なる負荷でディーゼル燃料と比較した場合、窒素酸化物の排出量はそれぞれ 12.06%、22.13%、および 35.85% 増加しました (図 7)。四元ブレンドからの NOx 排出量の増加は、主に燃料ブレンドの燃焼温度の上昇によって引き起こされます。燃焼の完了は、混合燃料中の酸素濃度の増加の結果として起こります。その結果、燃焼温度が上昇し、NOxの排出量が増加します。酸素添加物をディーゼル燃料に添加すると、燃料の酸素含有量が増加します。その結果、燃焼室がリーン状態になってしまいました。酸素化燃料は、窒素を酸化するために必要な追加の酸素を提供します。結果として、酸素化燃料の NOx 排出量が増加します。

エンジン負荷に応じた窒素酸化物排出量の変化。

Mani et al.38 は、全負荷時にディーゼルに比べてプラスチック燃料の NOx 排出量が 25% 高いことを発見しました。図 6 に示すように、テストしたすべての燃料の NOx 排出レベルは上昇しています。過剰な酸素濃度は、シリンダー内での NOx 排出の発生に最も重大な影響を与えます。窒素鎖は高温にさらされると分解し、崩壊します。その後、これらの窒素結合は、シリンダーの単調構造内に閉じ込められた酸素分子と相互作用します。廃プラスチック燃料からの排出量は、ディーゼルからの排出量よりも 12 ～ 50% 多いことが判明しました。 WPF にはより多くの炭素数の化合物が含まれているため、余剰空気の利用可能性が減少し、温度の上昇につながり、NOx の増加につながります。

エンジンの排気ガスは、エンジンの燃焼プロセスを視覚的に示します。燃料が非効率的に燃焼すると煙が発生し、未燃の炭素粒子が発生します。拡散燃焼段階中にエンジン内で煙が発生します。すべての燃料噴霧液滴は元素炭素原子に分割され、その後燃焼ゾーンで酸化されます。煙の排出は、空気の不足、より優れた炭素対水素比、燃料のより高い粘度、不十分な霧化、および燃焼室内の過剰な燃料の蓄積により、燃焼が豊富なゾーンでも発生します。図 8 によれば、ディーゼルと比較して、WEE20 および WEE30 ブレンドによって発生する煙の量は、それぞれ 8 ～ 9.38% および 4.44 ～ 7.69% 減少します。一方、WEE40 は煙が 2% とわずかに増加したと報告しました。

エンジン負荷による煙の排出量の変化。

ディーゼル燃料と比較して、第 4 成分混合物は煙の排出が少なくなります。これは主に、より高いセタン価と燃料混合物中の酸素の存在の相乗効果によるものです。セタン価は着火の質を示します。セタン価が高いほど、燃料はより可燃性になります。セタン価が上昇すると、燃料の着火性も向上します。燃料の着火性が向上すると、燃料は燃焼室内でより効率的に燃焼します。その結果、エンジンが生成する未燃焼の炭素粒子が少なくなります。さらに、燃料中の酸素は燃料の燃焼を助け、煙の発生を減らします。 Ravikumar と Senthilkumar39 は、コーティングされたエンジンの煙が標準のディーゼルエンジンより 8.6% ～ 21.28% 減少することを発見しました。ディーゼルと比較して、廃プラスチック燃料は 18.8% ～ 39% 多くの煙を発生させました。 WPF には芳香族成分がより多く含まれており、その結果、燃料混合物の開発と噴霧の生成が不正確になり、不完全燃焼と大量の煙の排出が発生します13。不完全燃焼のもう 1 つの理由は、WPF の粘度が高く、揮発性が低いことです 12。

プラスチック製品は人間の職場や家庭環境に遍在しています。プラスチック汚染は、陸上生態系に悪影響を及ぼし、汚染する可能性があります。さらに、プラスチックは地球温暖化の一因となります。プラスチックは環境中に長期間残留し、動物を危険にさらし、毒物を拡散させます。毎年、プラスチックは鳥から海の生き物まで、何百万もの動物を殺しています(Okunola et al.40)。その一方で、ディーゼルの排気ガスは、がん、心血管疾患、呼吸器疾患、大気、水、土壌汚染、汚れ、視界の低下、地球規模の気候変動を引き起こします。一酸化炭素は、気候変動と地球温暖化に関連する温室効果ガスの数に影響を与えます。 CO は、ヘモグロビンと結合してカルボキシヘモグロビン (COHB) を形成すると急性中毒を引き起こし、肺からヒト組織への適切な酸素輸送を妨げます。 COVID-19 の症状として、過剰な CO 濃度は適切な呼吸器系の機能を損ないます (Adefeso et al.41)。炭化水素は人間にとって非常に有害です。炭化水素の摂取は、免疫系、肝臓、呼吸器、生殖器、循環器、腎臓系に影響を与えます。炭化水素に汚染された人間の排泄物は、発育と生殖を妨害する可能性のある癌やホルモンの問題も引き起こします (Srivastava et al.42)。

エタノールは水溶性で生分解性があり、容易に蒸発するため、化石燃料に比べて安全面での利点が得られる可能性があります。エタノール燃料は、ほぼすべての国で生産できるため、最も費用対効果の高いエネルギー源です。エタノールは、トウモロコシやその他の植物から得られる燃料の一種です。エタノールにはさまざまな種類がありますが、最も一般的なのは E10 であり、その混合率は 10 ～ 15% と世界的に異なります。ブラジルや米国などの多くの国では、50 ～ 85 パーセントのエタノールを含む高レベルのエタノール燃料混合物の使用が許可されています43。エタノールは簡単に製造できるため、化石燃料に比べて安価です。エタノール燃料の燃焼の主な副生成物は、二酸化炭素と水です。汚染に関しては、排出される二酸化炭素の影響はほとんどありません。一方、トウモロコシやサトウキビなどのバイオマスから作られるエタノールの燃焼は、「大気カーボンニュートラル」と考えられています。これは、バイオマスが成長するときに CO2 を吸収し、エタノールの燃焼時に排出される CO2 を相殺する可能性があるという事実によるものです44。

リニアエコノミーは、原料、製造プロセス、最終製品の配送に焦点を当てています。製品のその後については、それに値する考慮がまったく払われていませんでした。耐用年数が終了した後の製品の状態は見落とされています。プラスチック製品は、リサイクルの代わりに埋め立て地に廃棄されるか、焼却される可能性があります。 Gong ら 45 および Zhang ら 46 は、理想的なポリマー廃棄物回収方法である電気化学的貯蔵および蒸気蒸発システムへの廃棄ポリマーのエネルギー回収のための代替ソリューションを開発しました。

リサイクルプラスチックを使用する製油所は石油消費量を削減し、探査への資本支出を削減し、石油埋蔵量を増加させます。プラスチックの生産には世界の石油の約 8% が使用されており、その使用量の約半分はモノマーの生成に、残りの半分はエネルギーの生産に使用されます。商業的に持続可能であるためには、物理的および化学的処理を広く実施する必要があります。 Palos らによって提案されたアプローチ 47 は、新しい廃棄物管理ビジネスネットワークの確立を示唆しています。石油業界は、ビジネスネットワークの持続可能な開発への取り組みから利益を得るだろう。

この研究は、プラスチック廃棄物からエネルギーを回収し、輸送車両の潜在的な燃料として循環経済アプローチを達成するために生物作物エタノールを利用することに焦点を当てています。プラスチックに含まれる炭化水素はエネルギー密度が高いため、優れた燃料源となります。サーキュラーエコノミーでは、強度を落とさずにどれだけリサイクルできるかが課題の一つです。費用対効果の高い耐用年数が終了したソリューションを提供する場合、プラスチックの熱分解と燃焼は、環境への影響を軽減しながら付加価値のある製品の生産を可能にするため、実行可能な選択肢となります。廃棄されたプラスチックをリサイクルして再利用すると、大量のエネルギーを節約し、回収できる可能性があります。同様に、2020年から2021年の期間におけるインドの石油純輸入は1億8,500万トン、5,510億ドルであり、エタノール混合E20プログラムが機能すれば、政府は年間40億ドルを節約できる可能性がある。エタノールはまた、化石燃料よりも汚染が少なく、安価です。 E20は、豊富な耕地、食糧穀物とサトウキビの生産量の拡大、自動車をエタノール混合燃料に転換する能力などにより、国家的ニーズであり戦略的需要となっている。二輪車ではCO排出量が50％削減され、四輪車では最大30％削減されました。また、エタノールとガソリンの混合物は炭化水素排出量を 20% 削減します 48,49。

この研究の目的は、ディーゼルエンジンでの HDPE の熱分解から生成される廃プラスチック燃料の性能を測定することです。 WPF の第 4 成分燃料ブレンドは、ディーゼルエンジンのパフォーマンス中に WPF の高価値の排出物に対処するために開発されました。このブレンドには、有害な排出物を削減するための酸素添加剤として 10% エタノールと 10% エトキシ酢酸エチルが含まれていました。 WPF ブレンドの結果、ディーゼルよりも最大 20% 燃費が向上し、化石燃料と比較して排気管排出量が CO で約 13%、HC で約 16% 削減されます。同様に、インドにおけるエタノール混合プログラムは、年間30,000億ルピーの外貨節約、エネルギー安全保障、二酸化炭素排出量の削減、大気環境の改善、自立、傷んだ食糧穀物の利用、農家の増加など、数多くの利益をもたらすだろう。収入の増加、新たな雇用の創出、投資の可能性の増加48。エネルギー回収された WPF と含酸素添加剤の使用は、燃料効率の向上を通じてエンジンからの温室効果ガス排出量を削減し、国のエネルギー需要を高め、経済を促進することで気候変動に対抗することが可能です48,49。

処理面で大きな問題となっている廃プラスチックをエネルギーに変換できる可能性があります。この研究では、燃料源として循環経済を満たすための潜在的な選択肢として、廃プラスチックからエネルギーを回収する可能性を調査します。この研究の目的は、ディーゼルエンジンでの HDPE の熱分解から生成される廃プラスチック燃料の性能を調査することです。 3 つの異なる比率の WPF を含む第 4 成分燃料ブレンドは、ディーゼルエンジンのパフォーマンス中に発生する WPF の高価値の排出に対処するために開発されました。この混合物には、第四燃料混合物を生成するための酸素添加剤として、10% エタノールと 10% エトキシ酢酸エチルが含まれていました。以下の観察は、単気筒ディーゼルエンジンの第 4 成分混合燃料について行われたもので、WEE20 のブレーキ熱効率はディーゼルよりも 4.74% 高く、最大負荷時では WPF の熱効率よりもほぼ 20% 高くなります。 WPF との 4 成分ブレンドでは、22%、12%、および 8% の BTE 結果の改善が観察されています。 WEE20 の燃料消費量はディーゼルで約 7.77% 減少し、WPF と比較してさまざまな負荷状況で燃料使用量が 14.1% から 23.8% まで大幅に削減されます。 WEE20 は EGT の 5.3% 増加を記録し、他のブレンドでもディーゼルより約 9 ～ 10% 高い温度が観察されました。最大負荷時、WEE20 からの CO 排出量はディーゼルより 13.41% 少なく、WPF より約 20.22% 少なくなります。 4 成分ブレンド WEE20、WEE30、および WEE40 は、それぞれ 13.41%、6.21%、および 3.73% という大幅な CO 削減を示しました。 WEE20 の炭化水素排出量は最大負荷で記録され、ディーゼルよりも約 16%、WPF よりも 21.5% 少なくなりました。報告されている炭化水素は、第 4 成分ブレンドを比較すると、ディーゼルでは約 16.39%、8.82%、および 1.72% 減少します。窒素酸化物の排出量は、異なる負荷でディーゼル燃料と比較した場合、四元ブレンド WEE20、WEE30、および WEE40 でそれぞれ 12.06%、22.13%、および 35.85% 増加しました。 WEE20 および WEE30 ブレンドによって生成される煙の減少率は、それぞれ 8 ～ 9.38% および 4.44 ～ 7.69% です。この研究結果によると、廃プラスチック燃料は、ボイラー、産業用エンジン、船舶用エンジン、さらには機関車のディーゼルエンジンなどの代替エネルギー源として利用できる可能性がある。さらに、エネルギー回収された WPF とエタノールのブレンドは、エネルギー需要の改善、大気の質の改善、炭素排出量の削減、農家の収入の増加、雇用の創出、投資機会の拡大に役立ち、それによって国の経済に貢献します。

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