پیرولیز ظروف پلاستیکی مواد غذایی زائد و استفاده از پتانسیل آن در موتور دیزل به همراه دوپینگ با نانو ذرات در زمان تزریق بهینه

پیرولیز ظروف پلاستیکی مواد غذایی زائد و استفاده از پتانسیل آن در موتور دیزل به همراه دوپینگ با نانو ذرات در زمان تزریق بهینه

چکیده

مصرف بیش از حد پلاستیک و مدیریت نادرست پسماند ما را به سمت حذف بقایای پلاستیکی جمع‌آوری شده در محل‌های دفن زباله سوق می‌دهد از دیدگاه اکولوژیکی اساسی است. تبدیل ضایعات به انرژی تلاشی است برای ارزیابی انرژی حاصل از زباله های پلاستیکی ظروف غذا که می تواند به عنوان روغن پلاستیک زباله (WPO) از طریق تجزیه در اثر حرارت بازیابی شود. به منظور به حداکثر رساندن پتانسیل WPO به عنوان سوخت برای موتورهای دیزلی، نانوذره دی اکسید تیتانیوم (TiO2) در سه سطح دوپینگ شد. این مقاله بر روی تاثیر WPO دوپ شده با نانوذرات بر ویژگی‌های موتور دیزل در سه زمان تزریق سوخت مختلف 25 درجه BTDC (قبل از مرکز مرگ بالا)، 23 درجه BTDC، 21 درجه BTDC تمرکز دارد. نتایج آزمایش بهبود بیشتری در مصرف سوخت مخصوص ترمز و راندمان حرارتی ترمز برای سوخت‌های آزمایشی مخلوط شده با نانوذرات TiO2 در مقایسه با سایر مخلوط‌های آزمایشی با افزایش زمان تزریق به میزان دو درجه نشان داد. کاهش قابل توجه آلاینده‌هایی مانند مونوکسید کربن، هیدروکربن‌ها و دود به دلیل بهبود نرخ اکسیداسیون توسط نانوذرات TiO2 ثبت شد، اما با NOx کمی تنبیه شد. این مطالعه به این تصمیم منجر شد که افزودن 150 ppm TiO2 به WPO جایگزین مناسبی برای دیزل برای موتورهایی است که زیر 25 درجه BTDC کار می کنند.

مقدمه

افزایش بی رویه قیمت سوخت بر زندگی روزمره هر انسان معمولی با درآمد متوسط تأثیر می گذارد. طبق سناریوی جهانی، تقاضا برای نفت خام در این دوره پس از پاندمی کووید-19 افزایش یافته است. تحقیقات در مورد سوخت جایگزین مناسب برای سوخت دیزل عمدتاً، روغن‌های گیاهی تمیز و شکل استری شده آن ها، در دو دهه گذشته حاکم بوده است. ویسکوزیته بالای روغن نباتی یک اشکال عمده برای تجاری سازی است، همچنین هزینه های تولید سوخت های بیودیزل هنوز بیشتر از سوخت دیزل معمولی، و آن ها اغلب به عنوان یک اقدام تبلیغاتی مالیات می گیرند. از سوی دیگر، افزایش جمعیت، تولید ناخالص داخلی (GDP) و استفاده از پلاستیک های یکبار مصرف به تولید بیشتر زباله جامد کمک می کند. علاوه بر این، ظهور کارخانه های بازیافت و زباله سوز کمتر، ما را به سوء استفاده از زباله ها سوق می دهد که منجر به افزایش دفع ضایعات پلاستیکی در محل های دفن زباله می شود. در حالی که 60٪ از کل زباله های پلاستیکی پردازش و بازیافت می شود، 40٪ باقی مانده جمع آوری نشده و در سراسر منطقه ریخته می شود.. با در نظر گرفتن این دو موضوع عمده از جمله کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی و مدیریت صحیح ضایعات پلاستیکی، سوخت جایگزین تولید شده از اجزای بازیافتی می تواند یکی از راه حل های ممکن برای مشکلات فوق باشد. علاوه بر این، به زمینه تحقیق زباله به انرژی می پردازد.

محصولات پلاستیکی که به جریان زباله ختم می‌شوند از انواع پلیمری تولید می‌شوند و با اندازه‌ها و شکل‌های مختلف تولید می‌شوند. در مورد بسته بندی مواد غذایی، پلیمرهای پلی استایرن (PS) و پلی پروپیلن (PP) عمده ترین منابع مورد استفاده در آن هستند. در تمام کشورهای توسعه یافته، میزان فزاینده زباله های بسته بندی مواد غذایی به عنوان موضوعی تلقی می شود که نیاز به توجه فوری دارد [14]. از تلاش آنها، IT عقب مانده 14◦BTDC NOx را به شدت کاهش می دهد، اگرچه 25٪ و 30٪ کاهش انتشار CO و HC را کاهش می دهد. محتوای معطر بالا در روغن پلاستیک و احتراق ناقص ناشی از تزریق دیرهنگام سوخت باعث افزایش 35 درصدی دود می شود.

با توجه به ادبیات، اندازه گیری مناسبی از تحقیقات در مورد رفتار عملیاتی یک موتور دیزل با استفاده از سوخت های ترکیبی نانو نشان داده شده است. با این حال، تحقیق با زمان تزریق ثابت محدود شده است. در عین حال، تعداد بسیار کمی از محققان استفاده از نانوذرات TiO2 را برای تقویت WPO ساخته شده از مخلوط پلاستیک های زباله بررسی کرده اند. با توجه به درک نویسندگان، هیچ تحقیق دیگری تأثیر سوخت ترکیبی نانو TiO2 را بر رفتار موتور در زمان‌های تزریق مختلف برای WPO دوپ‌شده نانو به‌طور خاص از PS و PP بررسی نکرد. بنابراین، تحقیق حاضر قصد دارد تأثیر نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2) را بر روی عملکرد موتور احتراق تراکمی، ویژگی‌های احتراق و انتشار با تنظیم زمان‌های تزریق سوخت مانند 23◦ BTDC، 25◦BTDC و 21◦BTC با سرعت ثابت 1500 دور در دقیقه (rmp) ارزیابی کند.

مواد و روش ها

تولید WPO

فعالیت حرارتی (تیرولیز) بدون اکسیژن، که مواد پلیمری پلاستیکی را ضعیف می‌کند و مایعاتی تولید می‌کند که در موتورها به کار می‌روند. در این مطالعه، مخلوطی از پلاستیک‌های PP و PS حاوی بقایای مواد غذایی، نوشیدنی‌ها و آب جمع‌آوری‌شده از کافه‌ها، رستوران‌ها و محل‌های دفع خانگی به دلایل اجتناب از تفکیک و در دسترس بودن آسان انتخاب شد. این پلاستیک‌ها به صورت تراشه‌های نازک کوچک (تقریباً 1 سانتی‌متر مربع) خرد می‌شوند و سپس برای از بین بردن کثیفی تمیز می‌شوند و در حرارت کم قرار می‌گیرند تا رطوبت کاملاً از بین برود. کاتالیزور به دلیل در دسترس بودن سطح جامد و اسیدیته، شکستن پلی پروپیلن را تشویق می کند. برخلاف PP، ساختار PS از یک زنجیره هیدروکربنی طولانی با گروه فنیل متصل به هر اتم کربن دیگر تشکیل شده است [17]. کاتالیزورهای سیلیکا آلومینا Si-Al برای پشتیبانی از ترک خوردگی بهتر پلاستیک ها به منظور کاهش بخش های هیدروکربنی در مایع استفاده شد [39]. طرح شماتیک واحد استخراج پیرولیز در مقیاس آزمایشگاهی در شکل 1 نشان داده شده است.

پلاستیک های مختلف با 10 درصد وزنی زغال سنگ و 1 درصد وزنی کاتالیزور مخلوط شد و در دمای 400-500 درجه سانتیگراد در فشار جوی حدود 3-4 ساعت در یک راکتور مهر و موم شده قابل کنترل با ماشین لباسشویی نگهداری شد. این پیرولیز توسط سه سیم پیچ گرمایش الکتریکی کایو پشتیبانی می شود که برای شکستن حرارتی تراشه های پلاستیکی با سرعت گرمایش 10 درجه سانتیگراد در دقیقه استفاده می شود.

گاز پیرولیز در یک محفظه جداگانه متراکم شد و روغن پلاستیک (82٪ در وزن ورودی)، باقیمانده جامد اوکه (13٪ در وزن) و گاز (5٪ در وزن) که مخلوطی از ایزو بوتان است، تولید کرد. پروپیلن، اتان و مقادیر کمی متان.

ویژگی نانو ذرات

دی‌اکسید تیتانیوم با اندازه دانه متوسط کم‌تر از ۳۰ نانومتر از سیگما آلدریچ خریداری شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (‏SEM)‏برای ارزیابی مورفولوژی، تبلور و اندازه نانوذرات TiO۲ استفاده شدند. نانوذرات به شکل نامنظم و شش‌ضلعی با تغییر اندازه متوسط بودند (‏شکل ۲)‏. بنابراین، هیچ کلوخه ای در تزریق کننده سوخت وجود نخواهد داشت، زیرا اندازه نانوذره بسیار کوچک‌تر از نازل تزریق کننده سوخت است. تصویر SEM نشان می‌دهد که فاز آناتاز نانوذرات TiO۲ با بلورینگی عالی با حلقه‌های هم مرکز نقطه‌چین است که می‌تواند به شکل غیر کروی TiO۲ نسبت داده شود، که همچنین با مطالعه اشعه X دیزراکشن تعیین می‌شود (‏شکل ۲)‏. ​

یک پراش سنج بروکر برای انجام آنالیز XRD بر روی نمونه آماده‌شده از نانوذرات TiO۲، اشعه X Cu – K طول‌موج (‏)‏= ۱.۵۴۰۶ استفاده شد و داده‌ها برای محدوده ۲ از ۱۰ تا ۸۰ گرفته شد. قله‌های پراش نانوذرات TiO۲ با صفحات (‏۱ ۰ ۱)‏، (‏۱ ۰ ۵)‏، (‏۱ ۱ ۲)‏، (‏۲۰۰)‏، (‏۲۱۱)‏، (‏۳۰۱)‏ساختار کریستالی نانوذرات TiO۲ را تایید می‌کند. به منظور یافتن اندازه دانه میانگین نانو ذره، از رابطه (‏۱)‏دبای شرر استفاده شده‌است. ​

D = (‏k x)‏(‏x cos)

که در آن D اندازه ذرات در نانومتر، طول‌موج تابش (‏= ۱.۵۴ A)‏، k ثابت (‏۰.۹۴)‏، پهنای اوج در نیم‌بیشینه (‏FWHM)‏در رادیان و موقعیت اوج است. با اوج تیز در زاویه براگ ۲ (‏۲۵.۲)‏و با استفاده از FWHM پراش آناتاز غالب (‏۱ ۰ ۱)‏اندازه کریستالیت TiO۲ محاسبه شد و متوسط اندازه دانه نانوذرات ۲۰.۶۳ نانومتر بدست آمد. ​

آماده‌سازی سوخت نانو​​​​​​

تیتانیوم دی‌اکسید با ۵۰، ۱۰۰ و ۱۵۰ ppm سه نسبت برای دوپه کردن با روغن پلاستیک خام براساس حجم بودند (‏برای مثال، ۱۰۰ درصد WPO با ۱۵۰ ppm نانوذره TiO۲)‏. در ابتدا نانوذرات با ppm ۱۰۰ در WPO خالص پراکنده می‌شوند و به طور مساوی با استفاده از یک همزن مغناطیسی به مدت یک ساعت تحت شرایط جوی ترکیب می‌شوند. علاوه بر این، نمونه‌ها به مدت ۳۰ دقیقه سونیکاسیون می‌شوند تا با استفاده از سونیکاتور سبک پراب، همگن شوند. روند مشابهی برای دو غلظت دیگر تکرار می‌شود. ارزش حرارتی WPO خالص و WPO با نسبت‌های مختلف افزودنی نانوذرات TiO۲، و همچنین با عدد ستان، ویسکوزیته و نقطه اشتعال مورد آزمایش و مقایسه قرار می‌گیرند. جدول ۲ خواص نفت پلاستیکی زباله تمیز و نفت پلاستیکی زباله را با سوخت نانو ذرات TiO۲ نشان می‌دهد. نانوذرات TiO۲ در غلظت‌های ۵۰، ۱۰۰ و ppm ۱۵۰ به WPO اعمال می‌شوند که منجر به افزایش وزن مخصوص به ترتیب ۰.۷۵، ۱.۵۲ و ۳.۷۹ % می‌شود. افزودن نانوذرات به WPO در مقایسه با WPO خالص، ویسکوزیته را به ترتیب به میزان ۲.۴۱، ۳.۶۴ و ۶.۷۱ درصد برای نانوذرات TiO۲ ۵۰، ۱۰۰ و ppm ۱۵۰ بهبود بخشید. برای بررسی پایداری، روغن پلاستیکی مخلوط TiO۲ در یک بطری تحت شرایط ایستا ذخیره شد. سوخت‌های تست شده به مدت یک هفته بدون جداسازی فاز پایدار باقی ماندند. ​

روش تجربی:

موتور دیزل سرعت ثابت همراه با دینامومتر جریان گردابی و طرح شماتیک تجربی آن در شکل 2 نشان‌داده شده‌است. ​موتور دیزل سرعت ثابت همراه با دینامومتر جریان گردابی و طرح آزمایشی شماتیک آن در شکل 3 نشان داده شده است. صفحه کنترل که به کامپیوتر متصل است، رابط با موتور دیزل ثابت و دینامومتر و مشخصات آن در جدول 3 ذکر شده است. به منظور محاسبه فشار سیلندر با توجه به زاویه میل لنگ، یک مبدل فشار، رمزگذار TDC به همراه تقویت کننده شارژ بر روی دستگاه تست موتور نصب و به سیستم جمع آوری اطلاعات کامپیوتری متصل شد. نرم افزار ICEngineSoft می تواند به داده های فشار برای موقعیت زاویه میل لنگ تکیه کند. مشخصات انتشار با استفاده از یک آنالایزر گاز AVL DI و دود سنج AVL 437 مورد بررسی قرار گرفت. موتورهای تحقیقاتی ارائه شده با مهره تنظیم نقطه تزریق برای تغییر زمان تزریق استفاده می شود. با تنظیم تدریجی مهره، نمودار تزریق که بر روی مانیتور نمایش داده می شود به صورت افقی تغییر می کند تا زمان تزریق بر اساس چرخش به تعویق بیفتد یا پیشرفت کند. مهره را تا رسیدن به نقطه تزریق سوخت مورد نیاز تنظیم کنید. دو مخزن سوخت جداگانه برای تامین گازوئیل و روغن پلاستیکی در نظر گرفته شد. میزان مصرف سوخت (مبتنی بر حجمی) موتور با استفاده از دستگاه بورت استاندارد تعیین می شود و زمان مورد نیاز به ازای هر 10 سی سی مصرف سوخت با استاپ واچ ثبت می شود.

بررسی در دو مرحله انجام شد: اول، گازوئیل، سوخت WPO تمیز آزمایش شد و قرائت ها برای تمام شرایط بارگذاری ثبت شد. در فاز دوم، سه نسبت مختلف به‌عنوان ppm 50، 100 ppm و 150 ppm نانو ترکیبی WPO تحت سه زمان تزریق سوخت مختلف مانند AFIT-25◦BTDC، SFIT-23◦BTDC و RFIT-21◦BTDC مورد آزمایش قرار گرفت. شرایط آزمایشی در جدول 4 ذکر شده است. برای جلوگیری از نشتی، خطوط خنک کننده و خطوط سوخت قبل از روشن شدن موتور به طور کامل بررسی شدند و سپس برای رسیدن به حالت پایدار به مدت 5 تا 8 دقیقه کار می کنند. شرایط بارگذاری با تنظیم سطح جریان یک دینامومتر جریان گردابی ساخته شد. برای هر یک، ویژگی های موتور بار آنالیز و در برابر قدرت ترمز ثبت شد. نتایج بررسی‌شده با سوخت‌های پایه مانند دیزل و روغن پلاستیکی باطله در زمان‌بندی استاندارد تزریق مقایسه شد (جدول 5 را ببینید).

نتایج و بحث

ویژگی‌های عملکرد

BTE یک عامل قابل‌اعتماد برای اندازه‌گیری میزان موثر سوخت در موتور است که انرژی شیمیایی خود را به خروجی مکانیکی تبدیل می‌کند و براساس معادلات ۲ و معادله ۳ محاسبه می‌شود. ​

وزن مخصوص و زمان لازم برای ۱۰ سی‌سی سوخت مصرفی در ثانیه در نظر گرفته شد. ​

BTE موتور، با WPO مخلوط شده با نانو در زمان‌های تزریق مختلف با توجه به قدرت ترمز در شکل 4 نشان‌داده شده‌است. با افزایش بار موتور، عملکرد BTE به دلیل سوخت بالا مورد نیاز در باره‌ای بالاتر برای تولید توان بیشتر به عنوان خروجی بهبود می‌یابد. از شکل 5 ، WPO حداقل BTE ۲۲.۵۴ % را در میان سایر سوخت‌ها نشان می‌دهد که ۱۰.۵ % کم‌تر از دیزل است. این امر ممکن است به دلیل نوسانات پایین، ارزش حرارتی کم‌تر، ویسکوزیته بالا و اتمیزه شدن ضعیف WPO خالص باشد که باعث عملکرد کند می‌شود. نانوذرات ۱۵۰ پی پی ام (ppm) ، WPO را با هم ترکیب کردند. ​

ارزش حرارتی را بهبود بخشید که در نتیجه آن BTE در باره‌ای بالا برای زمانبندی تزریق استاندارد به ۲۳ / ۷ % افزایش یافت. این امر را می توان به ویژگی افزایش مساحت سطح به نسبت حجم نسبت داد که به نوبه خود اجازه می‌دهد تا بخش‌های بیشتری از سوخت با احتراق با کیفیت هوا واکنش نشان دهد. (‏به عنوان مثال با کاهش اندازه ذرات، بخش بیشتری از اتم‌ها در سطح یافت می‌شوند که منجر به واکنش شیمیایی بیشتر نانوذرات می‌شود.)‏ علاوه بر این، می توان آن را از شکل 4 مشاهده کرد. ، با افزایش غلظت نانوذره، BTE نیز با افزایش محتوای اکسیژن موجود در سوخت‌های نانو ترکیبی افزایش می‌یابد. علاوه بر این، تاثیر زمانبندی تزریق به منظور بهبود بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. با پیشبرد FIT، BTE تقویت می‌شود و برعکس زمانی که عقب افتاده باشد. برای مثال، BTE از WPO ۵۰ ppm آلاییده از ۲۲.۱ % به ۲۴.۱ % زمانی که IT از ۲۳ BTDC به ۲۵ BTDC در شرایط بار کامل منتقل شد، افزایش یافت. به طور همزمان، BTE برای WPO آلاییده به ۱۵۰ ppm از ۲۳.۷ % به ۲۶ % افزایش یافت. این امر احتمالا اثر ترکیبی افزودن نانو و AFIT را نسبت می‌دهد. با پیشرفت فن‌آوری اطلاعات، سوخت با هوای فشرده کم درون سیلندر به دست می‌آید و واکنش نشان می‌دهد، که به سوخت بیشتر و زمان کافی برای مخلوط شدن در مرحله قبل از احتراق اجازه می‌دهد. در نتیجه برای احتراق کامل تشویق می‌شود. این امر WPO مخلوط شده با نانوذرات TiO۲ در ۲۵ BTDC را قادر می‌سازد تا به حداکثر BTE از ۲۶ % دست یابد که ۵.۳ % بیشتر از دیزل استاندارد در SFIT است. ​

پارامتر مصرف سوخت خاص، مهارت یک موتور را با استفاده از سوخت ارائه شده برای تحویل کار نشان می دهد. هرچه پارامتر آن کمتر باشد، تبدیل انرژی سوخت موتور بیشتر است. شکل 7 تغییر مصرف سوخت ویژه ترمز سوخت های مختلف آزمایش شده را با توجه به قدرت ترمز نشان می دهد. به طور کلی، BSFC با افزایش قدرت ترمز برای همه سوخت های تست کاهش می یابد و همین روند مشاهده شد. این به این دلیل است که در بارهای بیشتر، تبدیل سوخت عرضه شده به خروجی کار زیاد خواهد بود، یعنی انرژی بیشتری برای همان مقدار سوخت تحویل داده می شود و در نتیجه BSFC کمتری ایجاد می شود. سه ویژگی مانند ارزش حرارتی، چگالی و ویسکوزیته بر پارامتر BSFC تأثیر می گذارد. ارزش حرارتی پایین WPO به جرم سوخت بیشتری برای تولید کار نیاز دارد که در نتیجه 0.39 کیلوگرم بر کیلووات ساعت است که 13 درصد بیشتر از دیزل است.

با این حال، افزودن نانوذرات به WPO، ویسکوزیته آن را افزایش می‌دهد که منجر به کاهش 6.15 درصدی مصرف سوخت می‌شود، اگرچه هنوز 6.5 درصد بیشتر از دیزل است. علاوه بر این، همانطور که در شکل 6 مشاهده می شود، BSFC با افزایش غلظت نانوذرات کاهش می یابد که به دلیل رسانایی حرارتی بالای نانوذرات TiO2 رخ می دهد که به عنوان یک کاتالیزور احتراق عمل می کند تا با افزایش نرخ تبخیر قطرات سوخت، اتمی شدن ثانویه را انجام دهد [46]. ]. برای همه غلظت‌های نانو، BSFC زمانی که زمان تزریق زودتر دو درجه کمتر بود (یعنی 25◦BTDC)  بود. به عنوان مثال، در بار کامل، سوخت WPO با 50 ppm 8.6٪ BSFC کمتری را نشان می دهد زمانی که IT از 23◦BTDC به 25◦BTDC تنظیم شد.

اگرچه در BTDC 25، ppm 150 از TiO2 دوپ شده WPO 6.8٪ کاهش در BFSC هنگام مقایسه سوخت دیزل استاندارد نشان می دهد. این شواهد اثر همراه AFIT و افزودن نانوذرات را نشان می‌دهد که سوخت WPO را برای ارائه عملکرد برتر بهبود می‌بخشد. با این حال، اگر IT را تا 21◦BTDC عقب بیاندازیم، BSFC افزایش می یابد و این به دلیل تاخیر در تزریق سوخت است که مرحله احتراق از تحریک TDC دور می شود، احتراق ناقص و افزایش مصرف سوخت.

​ویژگی‌های ترکیب احتراق

در طول احتراق با باره‌ای مختلف، فشار داخل سیلندر افزایش می‌یابد. فشار درون سیلندر با مقدار سوخت تجمع یافته در طول زمان تاخیر اشتعال تعیین می‌شود. برای یک WPO تمیز، حداکثر فشار همان طور که در شکل 8 نشان‌داده شده‌است، در مقایسه با دیزل و سایر سوخت‌ها افزایش یافت.

ویسکوزیته بالای WPO منجر به اسپری نامناسب و تاخیر طولانی می‌شود. این امر منجر به مصرف بیش از حد سوخت برای مشتعل شدن می‌شود که به طور ناگهانی فشار داخل سیلندر را افزایش می‌دهد. اضافه شدن TiO۲ راه را برای دو مزیت هموار می‌کند، یکی از آن‌ها یک کاتالیزور است که اکسیژن اضافی برای ترویج واکنش احتراق ارائه می‌دهد، از طرف دیگر نفوذ گرمایی WPO را افزایش می‌دهد،​​​​​​​ که باعث پیشرفت نفوذ اسپری و سپس احتراق کامل می‌شود [‏ ۴۲ ]‏. در ۷ / ۲ کیلووات، WPO با ppm ۱۵۰ TiO۲ به حداکثر فشار ۲ / ۴۴ bar رسید، که ۸ / ۵ % بیشتر از دیزل است. علاوه بر این، سوخت مشابه در ۲۵ BTDC به ۱۱.۷ % افزایش در فشار اوج رسید. این امر زمانی رخ می‌دهد که تزریق اولیه سوخت فرصت فراوانی برای ترکیب با هوا و ایجاد ترکیب بار کیفی که حداکثر فشار و آزادسازی گرما را تولید می‌کند، داشت [‏ ۴۳ ]‏. ​

شکل 9 تغییرات HRR در ۲.۷ کیلو وات بار موتور در زاویه مهار برای تمام سوخت‌های تست را نشان می‌دهد. نتیجه آزاد شدن گرما نشان‌دهنده پیشرفت در فرآیند احتراق است. ترکیبات آروماتیک بالا در روغن پلاستیک زائد سرعت احتراق را کاهش می‌دهند و سرعت آزاد شدن در گرما را محدود می‌کنند. این منجر به سوختن دیر هنگام با آزاد شدن گرمای کم‌تر می‌شود، که در انتشار NOx منعکس می‌شود. به منظور افزایش احتراق WPO، نانوذرات با اندازه کوچک‌تر و مساحت سطح بزرگ‌تر آلاییده شدند که انتقال حرارت سوخت را به حداکثر می‌رسانند، در نتیجه باعث احتراق سریع در سیلندر موتور می‌شوند. همین امر در مورد جیانگجون وی و السی نیز صدق می‌کند [‏ ۴۴، ۴۵ ]‏، که همچنین نشان دادند که افزایش غلظت نانو مواد افزودنی در سوخت می‌تواند با افزایش فشار داخل سیلندر و میزان حرارت آزاد شده به احتراق کامل دست یابد. بعلاوه، بالاترین HRR برای WPO با ۱۵۰ ppm نانو در ۲۵ BTDC ثبت شده‌است، که ۱۷ % بیشتر از دیزل است. شکل 16 ثابت می‌کند که پیشرفت فن‌آوری اطلاعات فرآیند احتراق را تغییر می‌دهد، زیرا زمان ته‌نشینی سوخت بیشتر به تاخیر می‌افتد و بسیاری از نانوذرات TiO۲ موجود در سوخت WPO به اندازه کافی واکنش می‌دهند تا اتمیزه شدن بهتری را ایجاد کنند و بنابراین نرخ واکنش بالاتری را طلب می‌کنند. علاوه بر این، مشاهده می‌شود که یک پیشروی (‏یا حتی تاخیر)‏در زمانبندی تزریق همیشه دلالت بر یک تغییر در فاز احتراق ندارد [‏ ۳۶ ]‏. ​

تاخیر اشتعال پارامتر، پیشرفت رفتار ترمودینامیکی در محفظه احتراق بین شروع تزریق و شروع احتراق را ارزیابی می‌کند. انحراف تاخیر اشتعال با توان ترمز مربوطه برای همه سوخته‌ای تست شده در شکل 10 نشان‌داده شده‌است. از آنجایی که دمای داغ، ویسکوزیته سوخت را در باره‌ای بالاتر کاهش می‌دهد، تاخیر اشتعال با افزایش بار موتور کاهش می‌یابد. در میان تمام سوخته‌ای تست شده، WPO دارای ستان پایین است، و WPO در زمان تزریق استاندارد تاخیر اشتعال طولانی تری را نشان می‌دهد و این ممکن است به دلیل این اتفاق بیفتد که WPO در طبیعت فرار کمتری دارد، که برای آن دمای بالا برای احتراق خودکار مورد نیاز است. علت آن این است که، دمای هوای فشرده در زمان ۲۳ BTDC برای احتراق خودکار کافی نیست، چون خود اشتعالی، دمای WPO بالاتر از دیزل و دیگر سوخت‌های نانو آلاییده است. به منظور از بین بردن معایب ذکر شده در بالا، نانو پتانسیل (‏TiO۲)‏با WPO در سه غلظت معلق شد که در آن ppm ۱۵۰ منجر به بهبود خوب در نوسانات، و احتراق حدود ۲۱ % کاهش در ID با WPO خالص شد. این امر می‌تواند به دلیل افزایش خاصیت احتراق (‏مقدار ستان بالا)‏[‏ ۴۵، ۴۷ ]‏ سوخت باشد. هدایت حرارتی بالاتر نانوذرات امکان بهبود انتقال حرارت بین هوا و سوخت را فراهم می‌کند که می‌تواند علت و در نتیجه افت در تاخیره‌ای فیزیکی و شیمیایی باشد. ​

در اینجا در 25◦BTDC زمان کافی را در فاز پیش مخلوط شده برای WPO دوپ شده با TiO2 با ppm 150 فراهم می کند تا مخلوط قابل احتراق با کیفیت خود را برای انجام یک احتراق سریع آماده کند.

ویژگی های انتشار

تغییرات انتشار اکسیدهای نیتروژن (NOx) بین با و بدون افزودنی های نانو WPO و سوخت دیزل در قدرت ترمزهای مختلف در شکل 12 نشان داده شده است. مقدار NOx تولید شده تابعی از دمای داخل سیلندر است و به عنوان افزایش می یابد دمای داخل سیلندر همراه با افزایش بار موتور افزایش می یابد. از آنجایی که ویژگی اصلی انتشار NO ارزش گرمایشی و گرمای نهان تبخیر آن است، WPO تمیز کمترین NOx را در بین سایر سوخت‌های آزمایشی نشان می‌دهد. دلیل آن این است که در این تجزیه و تحلیل، مقادیر کالری کمتر WPO بدون افزودنی منجر به مقدار تزریق سوخت بالاتری می‌شود که منجر به کاهش دمای سیلندر و احتراق و انتشار کمتر NOx می‌شود [46]، که قبلا در HRR بحث شده است. از آنجایی که این نانوذرات اکسیژن‌دار به‌عنوان کاتالیزور برای اکسید کردن نیتروژن موجود در واکنش سوخت عمل می‌کنند، در مقایسه با WPO معمولی 21.7 درصد افزایش NOx را به همراه دارد.

این به این دلیل است که مولکول های نیتروژن بیشتر علاقه مند به ترکیب با مولکول های اکسیژن در دماهای بالاتر برای تشکیل NOx هستند. از شکل 10 استنباط می شود، تاخیر احتراق کوتاه تری برای سوخت دیزل مشاهده می شود، که اندازه احتراق پیش مخلوط را کاهش می دهد و زمان کمتری را برای اختلاط هوا و سوخت فراهم می کند. در نتیجه، ترکیب ضعیف هوا و سوخت NOx بیشتری تولید می کند [46]. در اینجا، مدت زمان احتراق می تواند عامل غالب به دلیل NOx بالاتر برای سوخت دیزل نسبت به WPO + TiO2 باشد. نتایج به‌دست‌آمده مطابق با احمد ال سیسی و همکاران است. [45] و الوک رنجان و همکاران [46]. به وضوح از شکل 11 مشخص شده است که NOx به طور پیوسته با تزریق سوخت اولیه برای WPO افزایش می‌یابد که به دلیل مدول حجیم بالاتر که به علاوه سطح انتشار NOx را افزایش می‌دهد [47]. برای همان نسبت TiO2، اگر زمان تزریق دو درجه پیشرفت کند، افزایش NOx بین 17٪ تا 32٪ است. با این وجود، اگر IT را تا 21◦BTDC به تاخیر بیندازیم، انتشار NOx به طور قابل توجهی کاهش می یابد و این به دلیل تاخیر کمتر در اشتعال است که باعث تجمع کمتر سوخت در طول فاز پیش مخلوط شده و در نتیجه دمای داخل سیلندر پایین و آزاد شدن گرما می شود. با مشاهده دقیق شکل 11، برای همان فناوری اطلاعات، گزارش شده است که افزایش دوز نانوذرات در همه موارد، NOx را اندکی باد می کند. این مربوط به نحوه واکنش فلزات مرتبط با نانوذرات با هوا برای ایجاد مخلوط همگن است که به اکسیداسیون کمک می کند، دمای اکسیداسیون را بالا می برد و با تخلیه NOx اضافه می شود [52].

زمانی که سوخت بیشتری با فشار بیشتر به محفظه احتراق پمپ می‌شود، کدورت دود با بار افزایش می‌یابد، که این امر باعث می‌شود مناطق غنی از سوخت و در نتیجه باعث افزایش انتشار دود شوند. شکل 14 تغییرات ماتی دود در برابر BP برای دیزل، WPO و WPO با مقدار TiO۲ در شرایط مختلف بار را نشان می‌دهد. در میان تمام سوخت‌ها، WPO خالص با دود بالا بدتر می‌شود و این نشان‌دهنده احتراق ناقص ناشی از ویسکوزیته بالا و اتمیزه شدن ضعیف است که منجر به ایجاد مخلوط سوخت غنی می‌شود. یکی دیگر از دلایل افزایش دود در WPO خالص ممکن است ناشی از نسبت کربن به هیدروژن بالاتر و گنجاندن عناصر معطر باشد. انتشار دود برای دیزل، WPO، WPO با نانو در 23◦BTDC و 25◦BTDC در شرایط بار کامل مشخص شد. ​

از آنجا که احتراق انتشاری جزئی علت اصلی انتشار دود است، نانو افزودنی TiO۲ اکسیژن‌دار باعث توسعه احتراق انتشاری برای WPO می‌شود که به نوبه خود دود برای سوخت‌های WPO معلق نانو را کاهش می‌دهد. نتیجه به‌دست‌آمده مطابق با Nantha Gopal et al [‏ ۴۹ ]‏ است. علاوه بر این، از شکل 13 شفافیت دود کم‌تر است چون در تمام شرایط بارگذاری موتور، IT از BTDC ۲۱ به BTDC ۲۵ منتقل شده‌است. به عنوان مثال، هنگامی که IT از BTDC ۲۱ و BTDC ۲۳ به BTDC ۲۵ برای سوخت ppm ۱۵۰ WPO توسعه داده شد، به میزان ۲۳.۵ % و ۱۷ % کاهش یافت. این امر به دلیل بهبود فن‌آوری اطلاعات، افزایش بازده احتراق با فراهم آوردن زمان کافی برای اختلاط هوای سوخت با کیفیت خوب است که دمای احتراق را افزایش می‌دهد که باعث کاهش ایجاد دود می‌شود. همانطور که سوخت غنی‌تر می‌شود، دود بیشتر دیده می‌شود، در اینجا اکسیژن اضافی منطقه غنی از سوخت درون سیلندر را رقیق می‌کند، که منجر به دود کم‌تر می‌شود [‏ ۵۰ ]‏. انتشار دود برای تزریق تاخیری بیشتر از 25◦BTDC و 23◦BTDC بود و این اتفاق می افتد زیرا سوخت در نزدیکی TDC تزریق می شود و زمان کمتری برای اتمی شدن فراهم می کند. ​

تغییرات هیدروکربن برای دیزل و WPO با و بدون ترکیبات افزودنی نانو در توان ترمزی مختلف در شکل نشان‌داده 14 شده‌است. تغییرات هیدروکربن برای دیزل و WPO با و بدون ترکیبات افزودنی نانو در توان ترمزی مختلف در شکل 16 نشان‌داده شده‌است. تشکیل مخلوط بسیار لاغر، گرفتن سوخت در داخل دیواره‌های محفظه و سرد کردن مخلوط قابل احتراق، دلایل تشکیل HCs هستند. به دلیل تاخیر طولانی‌تر، مقدار بیشتری از WPO بسیار چسبناک از تزریق کننده با قطرات سوخت حجیم ناشی از اکسیداسیون نامناسب بیرون می‌آید و واکنش را خاموش می‌کند. این امر نشان‌دهنده افزایش چندگانه انتشار HC برای WPO در مقایسه با دیزل است. کاهش در حدود ۲۵ % پس از دوپینگ نانوذره با WPO حاصل می‌شود. پراکندگی TiO۲ به WPO انتشار شعله در داخل سیلندر را افزایش می‌دهد، و به شعله اجازه می‌دهد تا وارد شکاف‌های سیلندر موتور شود و احتراق کامل را تضمین می‌کند [‏ ۴۴ ]‏. از شکل 15 ، نتیجه می شود که پیشرفت زمان‌بندی تزریق و افزایش در سطح نانوذرات، اکسیداسیون HC را تایید می‌کند. تزریق اولیه سوخت و وجود نانو افزودنی‌ها در آن، برهمکنش سوخت و اکسیدکننده و همچنین رفتار کاتالیزوری را افزایش می‌دهد که منجر به افزایش واکنش‌های احتراق و در نتیجه بهبود اکسیداسیون HC می‌شود [29]. برای همان نسبت نانو، اگر IT از 23◦ تا 25◦BTDC متفاوت باشد، افت HC بین 22% تا 34% است و در بار کامل، سوخت WPO + TiO2@25◦BTDC 7.2% کمتر از گازوئیل انتشار HC منتشر می کند.

دلیل اصلی انتشار مونواکسید کربن احتراق ناقص است و آن را در غیاب مواد اکسیدکننده، دما و زمان اقامت تشدید می‌کند. تغییر انتشار CO برای تمام سوخت مورد بررسی در شکل 18 نشان‌داده شده‌است. WPO دارای ترکیبات کربن اشباع‌شده بالا و با وجود پیوند دوگانه است [‏ ۲۳ ]‏. این ترکیبات نیاز به انرژی بیشتری برای جداسازی دارند، که منجر به یک دوره تاخیر طولانی‌تر با سوخت بیشتری می‌شود که در طول فرآیند احتراق سوخت نسوخته باقی می‌ماند، که علت اصلی افزایش انتشار CO برای WPO در طول زمان است. با افزودن نانو بیشتر از WPO، کاهش ۵ / ۱ درصدی در انتشار CO مشاهده می‌شود. این می‌تواند به دلیل انرژی فعالسازی کم‌تر نانوذرات باشد چون باعث اکسیداسیون ذرات کربن در سیلندر به CO۲ می‌شود، که CO را در سوخت‌های نانو WPO کاهش می‌دهد. به عنوان یک افزایش در غلظت نانو، کاهش در CO در شکل 17 نشان‌داده شده‌است.

بیانیه زیر به وضوح توضیح می‌دهد که، در میان سه نانو ppm مختلف، ۱۵۰ ppm از TiO۲ اثرات سوختن نسبتا بیشتری را نشان می‌دهد، که می‌تواند به دلیل غلظت بالای TiO۲ موجود در نفت پلاستیکی زباله باشد، که واکنش احتراق را تسریع می‌کند و تشکیل CO را سرکوب می‌کند. همچنین انتشار CO برای ۲۵ BTDC در مقایسه با ۲۳ BTDC برای سوخت مشابه به دلیل افزایش بازده احتراق کاهش می‌یابد. همچنین انتشار CO برای ۲۵ BTDC در مقایسه با ۲۳ BTDC برای سوخت مشابه به دلیل افزایش بازده احتراق کاهش می‌یابد. شروع اولیه تزریق اجازه اکسیداسیون با کیفیت را می‌دهد، بر این اساس، انتشار CO به حداقل می‌رسد، و کاهش در تخلیه CO در محدوده ۳.۱۴ % است، و نشان می‌دهد که افزودنی‌های نانوذرات TiO۲ کاتالیزورهای اکسیداسیون موثری در کاهش انتشار CO هستند وقتی که در ترکیب با WPO در یک موتور دیزل که در ۲۵ BTDC کار می‌کند استفاده می‌شود. همان طور که از شکل 18 دیده می‌شود این مقدار اضافی هوا (‏لاندای لامبدا)‏با افزایش قدرت ترمز کاهش می‌یابد. این امر می‌تواند به این واقعیت نسبت داده شود که مخلوط سوخت هوا با کاهش در لامبدا غنی می‌شود، که عامل کلیدی برای افزایش انتشار CO است [‏ ۵۳ ]‏. در باره‌ای پایین و متوسط، مقدار هوای اضافی (‏لامبدا)‏برای سوخت‌های مخلوط شده با نانو بیشتر از دیزل و WPO خالص است. افزودن نانوذرات TiO۲ با WPO خالص به موتور کمک می‌کند تا با دادن اکسیژن اضافی در طول احتراق، ضعیف‌تر عمل کند [‏ ۵۴ ]‏، در حالی که در باره‌ای بالاتر مقادیر نزدیک تری برای تمام سوخته‌ای تست دیده شد. آترود و همکارانش و سلوان و همکارانش نتایج مشابهی را در تحقیقات خود مشاهده کردند. ​

تحلیل اقتصادی

برآورد هزینه برای تولید ضایعات روغن پلاستیکی با این فرض تعیین می شود که کارخانه سالانه 450000 لیتر WPO تولید کند. فرض بر این است که این نیروگاه به مدت 300 روز در سال با ظرفیت 500 لیتر در هر بسته کار خواهد کرد که روزانه 1500 لیتر تولید می کند. اما اگر بتوان از باقیمانده محصولات گازی و جامد استفاده کرد، هزینه کلی بسیار بیشتر کاهش خواهد یافت [57].

نتیجه گیری

یک مطالعه تجربی بر روی کاربرد نانوذرات TiO۲ (‏۵۰ ppm، ۱۰۰ ppm، ۱۵۰ ppm)‏در WPO به‌دست‌آمده از پلی استایرن و پلی پروپیلن به عنوان سوخت در یک موتور دیزل با سرعت ثابت تک سیلندر استفاده می‌شود. با تزریق سوخت دیزل و WPO خالص در SFIT به عنوان پایه، این مطالعه رفتار موتور را با تنظیم زمان تزریق سوخت برای سوخت‌های WPO مخلوط شده نانو مورد بحث قرار داد. براساس نتایج به‌دست‌آمده می توان به نتایج زیر دست یافت:

• ارزش حرارتی و ستان WPO استخراج‌شده از ظروف غذاهای آماده به طور قابل‌توجهی با افزودن نانوذرات TiO۲ بهبود یافت. غلظت ppm ۱۵۰ نانوذرات TiO۲ برای بهبود ویژگی‌های موتور بهینه بود. BSFC با افزودن نانوذرات TiO۲ به سوخت‌های WPO بهبود یافت، به خصوص در مورد AFIT ۲۵ BTDC که منجر به ۱۷.۷ % و ۶.۹ % BSFC کم‌تر در مقایسه با WPO و دیزل شد. ​
• افزودن نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید به سوخت WPO باعث بهبود موتور BTE شد. به عبارت دقیق‌تر، BTE بالاتر برای ppm ۱۵۰ در طول IT ۲۵ BTDC به دست آمد که در مقایسه با WPO خالص و ۵ % با دیزل، ۱۵.۳ % بیشتر است. ​
• با افزایش دو درجه‌ای IT، تاخیر اشتعال برای WPO + ۱۵۰ ppm TiO۲ افزایش می‌یابد، که فشار درون سیلندر را به ۴۶.۴۵ بار افزایش می‌دهد که ۱۲ % بیشتر از دیزل است و دوز بالاتر نانو در سوخت به دلیل نسبت سطح به حجم بالا حرارت بیشتری آزاد می‌کند. ​
• افزودنی های نانو حامل اکسیژن موجود در WPO و اجازه دادن زمان اضافی (یعنی BTDC 25) برای اتمیزه کردن، سرعت اکسیداسیون را افزایش می دهد که HC را 7.2% و 42% و CO را 3.5% و 11% نسبت به دیزل و WPO تمیز کاهش می دهد. ​
• کاهش قابل‌توجهی در دود برای WPO مخلوط TiO۲ به طور خاص در پیشبرد IT با دو درجه و ۴ % افزایش با انتشار NOx به دلیل محتوای غنی اکسیژن مشاهده شد. ​

به طور کلی، می توان نتیجه گرفت که پیش بردن زمان تزریق سوخت با اضافه کردن نانو در WPO، مشخصات موتور را از نظر عملکرد، احتراق و آلایندگی با جریمه اندکی مانند NOx بهبود می‌بخشد. از این رو، برای موتور دیزل ثابت، WPO می‌تواند یک جایگزین دقیق با سوخت دیزل باشد. با این حال، برای تحقیقات بیشتر برای کاهش NOx و امکان‌سنجی آن برای جنبه‌های بلند مدت توصیه می‌شود. ​

منابع:

مقاله

Pyrolysis of disposed plastic food containers and its potential in diesel engine by doping with nano particle at optimum injection timing

لینک مقاله