廃プラスチック分解油のディーゼル発電機への適用に関する * 実験的研究 * 廃プラスチック分解油のディーゼル発電機への適用に関する実験的研究 - 廃プラスチック分解油への廃食油添加の影響 - 廃プラスチック分解油への廃食油添加の影響 * 神長俊基神長 * 俊佐野基慶一郎佐野武田克彦慶一郎

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しょうこあると
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1 廃プラスチック分解油のディーゼル発電機への適用に関する * 実験的研究 * 廃プラスチック分解油のディーゼル発電機への適用に関する実験的研究 - 廃プラスチック分解油への廃食油添加の影響 - 廃プラスチック分解油への廃食油添加の影響 *** 神長俊基神長 *** 俊佐野基慶一郎佐野武田克彦慶一郎 **** **** Experimental Study on Application to Diesel Generator of Waste Plastic Decomposition Oil -Influence of Addition Waste Edible Oil for Waste Plastic Decomposition Oil ** 武田克彦 Toshiki KAMINAGA, Keiichiro SANO, Katsuhiko TAKEDA A feasibility study was conducted to check whether waste plastic decomposition oil () could be used for diesel engines. About 1 million tons of waste plastics are discarded every year in Japan, 83% of which are recycled. Thermal recycling is particularly common, but it has a low energy yield because of the need for transport to incineration plants. Given this, expectations are growing for the use of Waste Plastic Decomposition Oil () as a fuel for a new thermal recycling method. However, the problem is that has low kinematic viscosity and that it is difficult to burn it when using it as a diesel fuel. In order to explore the possibility of using blended with waste edible oil, this study investigated its effects on engine performance and exhaust emission characteristics. The study used with its blend ratios of waste edible oil 1%, 2% and 3% respectively, and burned these oils in a conventional 32-cc diesel engine. The engine load was set in five stages by a dynamometer, and maximum load was set at continuous rated output of the test engine. Exhaust gas was sampled directly from an exhaust pipe to accurately measure smoke density using an opacity meter. The study also utilized an exhaust gas analyzer to gauge the level of exhaust emissions, such as CO, CO2, O2, total hydro carbon (THC) and nitrogen oxides (NOx), that were taken directly from exhaust gas samples. The study also investigated engine performance, including brake specific fuel consumption (BSFC). The results found that smoke emissions when was used were lower compared to the case of gas oil, but they increased when blended with waste edible oil was utilized. Similarly, NOx emissions were lower when was used in comparison with gas oil, but they reached the level of gas oil when blended oil was used. However, when it comes to BSFC, marked the highest figure after it was improved by mixing waste edible oil. Since NOx and smoke emissions tended to increase when the blending ratios were 2% and 3%, the study concluded that the 1% blending ratio is considered to be most ideal. 1. はじめに近年の使い捨ての文化により, 廃棄されるプラスチックは増加しつつあり, 国内での廃棄量は年間およそ 1 万トンとも推定されている. そのうちのおよそ 83% がリサイクルされているが, 環境省は, 廃プラスチックを焼却処分する際の熱を回収するサーマルリサイクルを特に推奨している. そこで, 廃プラスチックを熱分解して液化し, ディーゼル発電機の燃料としてリサイクルする方法が検討され 1),2), 廃プラスチック分解油 (:Waste Plastic Decomposition Oil) を用いた発電機の高効率化などの研究もおこなわれている 3),4). * 原稿受付平成 29 年 8 月 2 日. ** 正会員関東学院大学理工学部 ( 横浜市金沢区六浦東 1-5-1). *** 関東学院大学大学院 ( 同上 ). **** 関東学院大学人間共生学部 ( 同上 ). このリサイクル方法では, 大きな施設や工場が必要なく, 小さな自治体や, 小さな島しょ国でも容易に廃プラスチックを油化することができ, 燃料として活用することができる利点がある. よって, 大規模な施設への, 輸送によるエネルギーロスがなく, 効率の良いリサイクルがおこなえるものと期待されている. 一方で, パラオ共和国などの太平洋の小さな島国では, 観光ビジネスが盛んになる反面, 先進国並みにゴミが増加の一途を辿り, ゴミ処理問題が急務となっている. その多くは, 飲食物などのパッケージに使用された廃プラスチックであり, 加えて, 欧米化された料理によって廃食油も増加しつつある. それらを解決する試みとして, 廃プラスチック分解油を用いたディーゼル発電が期待されている. 廃プラスチック分解油は, ディーゼル燃料としては動粘度が若干低い課題があるため 5), 動粘度の高い廃食油の添加によって燃料性状の改善の可能性がある. また, 廃食油は, 植物由来の食用油を用いれば, 含酸素燃料であるため助燃作用が Journal Journal of the of JIME the JIME Vol. 53, No. Vol., 1(218) No.(5) 日本マリンエンジニアリング学会誌日本マリンエンジニアリング学会誌第巻第第 53 巻号第 (5) 1 号 (218)

2 148 廃プラスチック分解油のディーゼル発電機への適用に関する実験的研究日本マリンエンジニアリング学会執筆要項 - 廃プラスチック分解油への廃食油添加の影響期待でき, さらに, 植物由来のためカーボンニュートラルが適用される. そこで本研究では, 廃プラスチック分解油に廃食油を 1%,2%,3% の割合で添加し, ディーゼルエンジンへの影響を調べた. 特に, 島しょ国で容易にリサイクル燃料を製造することを目的とし, 廃食油はエステル交換などの化学的処理を施さずに添加した. ここでは, 廃食油の添加率が機関性能や排気ガス特性におよぼす影響を明らかにした結果について報告する. 2. 供試燃料の性状本研究で使用したの製造工程は, 廃プラスチックを電気ヒータで約まで加熱し, ガス体にしてから冷却することで油を生成したものである. 製造方法を簡易化するために, 生成した油は蒸留などをおこなわずに, そのまま用いた. したがって, 本研究で使用したは, ガソリンに近い成分も含まれた混合油であると考えられる. 本製造方法では,1kg のプラスチックから約 1l の油が精製される. 供試燃料には, ニートとに廃食油を体積比で 1%,2%,3% 添加したものを使用した. 廃食油の添加割合別に, それぞれを +1%, +2%, +3% と称する. 廃食油は大学内のカフェで使用済のサラダ油を用いた. また, 比較対象として,JIS2 号軽油も供試燃料として用いた. Fig.1 に密度および動粘度の測定結果を示す. この図は, 横軸に燃料温度をとり, 縦軸に密度と動粘度をとったものである. なお, 密度はフロート式比重計を用い, 動粘度はビスコメイト式粘度計を使用して測定をおこなった. Fig.1 より, は軽油よりも密度および動粘度が低いことがわかる. 動粘度は, 燃料噴射系の摺動部の潤滑性に影響を及ぼすため, 適度な粘度を保つことが重要であり, 廃食油添加によって改善できたと Kinematic Viscosity[mm 2 /s] % +2% +3% Temperature[K] Fig.1 Density and Kinematic Viscosity Density[kg/m 3 ] Table 1 Fuel Properties 6) Properties/Test Fuels Lower calorific value [MJ/kg] Flash point [K] Pour point [K] Cetane number HFRR [µm] Sulfur content [w%] <.6 <.1 考えられる. よって, 動粘度のみを考慮すれば, 廃食油を添加したは, 燃料噴射系の摺動部の潤滑性が改善されて, 燃料油として問題なく使用できるものと推察される. Table1 にその他の燃料性状を示す. 本研究では, の燃料性状を測定していないため, 先行研究 6) で測定した結果を参考までに記す. 3. 実機性能試験 3.1 実験装置および実験方法供試機関には, ヤンマー製の縦型空冷 4 サイクルディーゼル機関 (L7V) を使用した.Table1 に供試機関の主要諸元を,Fig.2 に実験装置の概略図を示す. 実験装置は, 供試機関と層流型空気流量計 ( 司測研製, LFE-1B), 排気ガス分析装置 ( 堀場製作所製, MEXA-91D ), オパシメータ ( 堀場製作所製 MEXA-SW ), 燃料計測装置 ( 小野測器製, FM-25A), データロガー ( 江藤電機製,51A) などから構成される. 実験方法は, 供試機関の回転速度を 3rpm 一定とし, 負荷を定格出力付近までの 5 段階に設定し, 前述のように 5 種類の供試燃料を用いて測定をおこなった. 3.2 実験結果および考察 Fig.3 に, 各供試燃料の粒子状物質 (smoke) の測定結果を示す. この図は, 横軸に軸出力, 縦軸に smoke 排出量を示したものである. なお, 以降の排気ガス測 Engine Type Table 2 Engine Specifications YANMAR L7V6 Bore Stroke [mm] Displacement Volume [cc] 32 Compression Ratio 21.1 Maximum Output [kw/rpm] 4.8/3 Rated Output [kw/rpm] 4.3/3 Injection Pressure [MPa] 19.6 Fuel Injection Timing Combustion Chamber BTDC16 Direct Injection Journal of the JIME Vol., No.(5) -2- 日本マリンエンジニアリング学会誌第巻第号 (5) Journal of the JIME Vol. 53, No. 1(218) 148

3 廃プラスチック分解油のディーゼル発電機への適用に関する実験的研究日本マリンエンジニアリング学会執筆要項 - 廃プラスチック分解油への廃食油添加の影響 149 Smoke[m -1 ] % +2% +3%.2 Fig.2 Experimental Setup 定結果も同様に, 横軸を軸出力として測定結果を比較較していく. Fig.3 より, の Smoke の値はほかの燃料と比べて低減していることがわかる. これは, 本研究で使用したは, ガソリン成分や灯油軽油成分が混在している油であることに起因しているものと推測される. を用いてディーゼルエンジンを運転する際に, 雰囲気温度が 2 以上であればまったく問題ないのだが,17 程度から着火性が悪くなり, 安定した運転が困難になった. したがって, はガソリン成分を含んだ混合油であるため着火遅れ期間が長期化し, 予混合燃焼が促進されて拡散燃焼期間が短縮されたため,Smoke を大幅に低減することができたものと推察される. 次に, 廃食油添加の影響を見てみると, 廃食油添加によって若干ではあるがに比べて Smoke が増加していることがわかる. これは, 廃食油を添加したことによって着火性が良好になり, の長い着火遅れ期間が短くなったため, 予混合化が低くなって拡散燃焼期間が長くなり,Smoke を生成したものと推測される. また, 高負荷時の 3% 添加燃料は, 噴霧特性ならびに蒸発特性の悪化により, 着火遅れ短縮効果が阻害され,2% 添加よりも逆に Smoke が低下したのではないかと考えられる. しかしながら, 廃食油添加による Smoke の増加は小さく, 比較対象である軽油よりも低いため, 廃食油添加による影響はまったく問題ないものと考えられる. Fig.4 に, 窒素酸化物 (NOX) の測定結果を示す. は軸出力 4[kW] 付近のみ増加しているが, 全体的に最も低い値であることがわかる. 前述のように, はガソリン成分を含んだ混合油であるため, 着火遅れ期間が長期化し, 均質な予混合気が形成され, 局所的な高温領域を生成する過濃領域が減少されたため, サーマル NO とプロンプト NO が低減されたためと考えられる 6). 言い換えれば, は着火性が悪く, 蒸発特性が良好であるためと考えられる. また, 上述のように, を用いてディーゼルエンジンを運転する際に, 雰囲気温度が 17 以下では着火性が悪くなり, 安定した運転が困難になったことから, 燃焼開始時期が遅れていることが推察されるため, 燃焼開始時期が上死点から離れた時期に遅角化されて低圧下での燃焼になったため, 低温予混合燃焼が得られたためとも考えられる. そして, 軸出力 4[kW] 付近では, 燃料の噴射量が多いため燃焼室の温度が高くなり, 着 NOx[ppm] THC[ppm] Fig. 3 PM Emissions +1% +2% +3% Fig. 4 NOx Emissions 8 +1% +2% +3% Fig. 5 THC Emissions 火遅れ期間が短くなったため,NOX が増加しているものと考えられる. 次に, 廃食油添加の影響を見てみると, 廃食油添加によって増加していることがわかる. これは, 廃食油添加によって着火性が良好になり, の長い着火遅れが短くなったため, 局所的な過濃領域が高温領域を生成し,NOX が増加しているものと考えられる. しかしながら, 比較対象である軽油とほぼ同等の排出量であるため, 廃食油添加による影響は問題ないものと考えられる. Fig.5 に, 全炭化水素 (THC) の測定結果を示す. また,Fig.6 に, 一酸化炭素 (CO) の測定結果を示す. は,THC も CO も高い値を示していることがわかる. これも前述のように, はガソリン成 Journal of the JIME Vo, No. (5) -3- 日本マリンエンジニアリング学会誌第巻第号 (5) Journal of the JIME Vol. 53, No. 1(218) 149

4 15 廃プラスチック分解油のディーゼル発電機への適用に関する実験的研究日本マリンエンジニアリング学会執筆要項 - 廃プラスチック分解油への廃食油添加の影響分を含んでいる混合油であるため着火時期が遅角化され, 完全燃焼されなかったため, 増加したものと考えられる. しかしながら, 軸出力 4[kW] 付近では低くなっている. 前述のように, 軸出力 4[kW] 付近では NOx が増加していることからも, 燃料の噴射量が多いため燃焼室の温度が高くなり, 着火遅れ期間が短くなったため,NOX の増加と引き換えに, 未燃分である THC と CO は低減しているものと考えられる. 次に, 廃食油添加の影響を見てみると,THC も CO も廃食油添加によって低減していることがわかる. これは, 廃食油を添加することで着火性が改善されたため低減できたものと考えられる. また, 廃食油は含酸素燃料であるため, 助燃作用によって燃焼が促進されたため, 排出量の低減につながったものと考えられる. 全体的に軽油よりもほかの燃料は高い値となっているが,THC および CO は酸化触媒によって容易に低減できるため問題ないものと考えられる. Fig.7 に, 二酸化炭素 (CO2) の測定結果を示す. 各供試燃料の CO2 の排出量を全体的にみると, ほぼ同等の値となった. したがって, 廃食油が植物性のものであればカーボンニュートラルが適用されるため,CO2 排出量はその混合分だけ削減することができるといえる. Fig.8 に燃料消費率 (BSFC) を示す. また,Fig.9 に, 正味熱効率 (BTE) の測定結果を示す. 供試燃料の発熱量が異なることから, 正味熱効率で表す.Fig.9 より, はほかの燃料に比べて正味熱効率が悪くなっていることがわかる. これも前述のように, はガソリン成分を含んだ混合油であるため着火時期が遅角化され, 燃焼期間全体が上死点よりも後方に遅れたためと推測される. また, 廃食油を添加した燃料を見てみると, 廃食油添加によって改善されていることがわかる. 特に, 軸出力 4[kW] 付近では, 軽油よりも低燃費が得られた. これは, 廃食油を添加することで着火性が改善されたためと考えられる. さらに, 廃食油は含酸素燃料であるため, 助燃作用によって燃焼が促進されたため, 燃料消費率が改善されたものと考えられる. そして, 廃食油が植物性のものであればカーボンニュートラルが適用されるため, 燃費および CO2 削減の観点から, 廃食油添加は有効であるといえる. CO[%] % +2% +3% Fig. 6 CO Emissions CO 2[%] BSFC[g/kW h] Brake Thermal Efficiency[%] Fig. 7 CO2 Emissions % +2% +3% % +2% +3% Fig. 8 Brake Specific Fuel Consumption 2 +1% 15 +2% +3% Fig.9 Brake Thermal Efficiency 4. おわりに本研究では, 容易にリサイクル燃料を製造することを目的とし, 廃食油はエステル交換などの化学的処理を施さずに添加し, 廃食油添加の影響を調べた. に廃食油を 1%~3% の割合で添加して実験をおこなった結果, 以下の結論が得られた. (1) の密度と動粘度は軽油よりも低いが, 廃 Journal of the JIME Vol., No.(5) -4- 日本マリンエンジニアリング学会誌第巻第号 (5) Journal of the JIME Vol. 53, No. 1(218) 15

5 廃プラスチック分解油のディーゼル発電機への適用に関する実験的研究日本マリンエンジニアリング学会執筆要項 - 廃プラスチック分解油への廃食油添加の影響 151 食油を添加することで改善することができた. (2) の Smoke は大幅に低減することができた. 廃食油を添加することで若干増加する傾向が得られた. (3) の NOX は, 全体的に軽油よりも低い値となった. 廃食油を添加することで, 軽油と同等の排出量まで増加する傾向が得られた. (4) の THC および CO は軽油よりも全体的に高く, 廃食油添加によって低減する傾向が得られた. (5) CO2 はほぼ同等の結果が得られたため, 廃食油が植物性のものであれば, カーボンニュートラルによって, 添加分だけ CO2 削減が得られる. (6) 燃料消費率はが最も悪く, 廃食油添加によって改善される傾向が得られた. 特に, 軸出力 4[kW] 付近では, 軽油よりも低燃費が得られた. (7) 廃食油添加によって smoke が増加するため, 低燃費との両立などを考慮すると, 廃食油は 1% 添加が最適であると考えられる. 42(8), ) K. Takeda,K. Endoh,T. Kanou,K. Sano: Experimental Study on Improving Diesel Generator Efficiency Using Waste Plastic Decomposition Oil -An Attempt to Use Water Emulsion-,Journal of the JIME,Vol.5, No.1 (215), おわりに, 本研究で使用した廃プラスチック分解油は, 株式会社ブレストおよび国立研究開発法人産業技術総合研究所より提供していただいたものである. ここに記載して深く謝意を表する. 参考文献 1) Y. Kodera,Y. Ishihara,D. Muto,T. Kuroki: Technical and Economic Studies for the Promotion of Fuel Production through Waste Plastic Recycling,Journal of the Japan Society of Waste Management Experts,Vol.19, No. 1(8), ) M. Kazi:The situation and problem of the Industry waste plastic liquefaction, FSRJ News, Vol.13 (4), ) H. Mizoguchi,K. Hasegawa,H. Furukawa, H. Uno, S Ohnuki:Combustion Characteristics of Diesel Engines Employing Diesel Fuel Blended with Plastic Derived from Shore Litter, Journal of Fisheries Technology,Vol.3, No.1 (21), ) K. Endoh,K. Takeda:Application of the Waste Plastic Decomposition Oil to Diesel Engines, The 2nd International Conference on Advanced Materials, Energy, and Environments(213) 5) K. Endoh,K. Takeda,K. Sano:Recycling Techniques as Diesel Fuel of Waste Plastic Decomposition Oil Containing Automobile Shredder Residue,Bulletin of Institute of Science and Technology Kanto Gakuin University, Vol. Journal of the JIME Vo, No. (5) -5- 日本マリンエンジニアリング学会誌第巻第号 (5) Journal of the JIME Vol. 53, No. 1(218) 151

Table 1. Assumed performance of a water electrol ysis plant. Fig. 1. Structure of a proposed power generation system utilizing waste heat from factori

Table 1. Assumed performance of a water electrol ysis plant. Fig. 1. Structure of a proposed power generation system utilizing waste heat from factori Proposal and Characteristics Evaluation of a Power Generation System Utilizing Waste Heat from Factories for Load Leveling Pyong Sik Pak, Member, Takashi Arima, Non-member (Osaka University) In this paper,