The Size Effect of TiO₂ Nanoparticles as a Promising Fuel Additive for Diesel and Waste Tyre Pyrolysis Oil Blend: Assessment of Thermodynamic, Environmental, and Economic Parameters

Technische Samenvatting: Het effect van de grootte van TiO₂-nanodeeltjes als brandstofadditief voor diesel en mengsels van pyrolyseolie uit afgedankte banden

Probleemstelling
De studie adresseert de dubbele uitdagingen van fossiele brandstofuitputting en milieuvervuiling, met een specifieke focus op het beheer van afgedankte banden en de optimalisatie van de prestaties van interne verbrandingsmotoren (ICE). Hoewel pyrolyseolie uit afgedankte banden (WTPO) een potentieel hernieuwbare brandstofbron biedt, brengt het direct gebruik ervan of het mengen ermee met diesel technische nadelen met zich mee, waaronder een lage calorische waarde, een hoge viscositeit en verhoogde emissies van CO, HC en NOx. Hoewel nanodeeltjes als additief veelbelovend zijn gebleken voor het verbeteren van de verbranding, ontbreeft het in de bestaande literatuur aan uitgebreide beoordelingen met betrekking tot de specifieke invloed van de grootte van de nanodeeltjes op de thermodynamische, economische en milieuprestaties van WTPO-dieselmengsels. Dit onderzoek beoogt dit gat te vullen door te evalueren hoe variërende groottes van Titaniumdioxide (TiO₂) nanodeeltjes (13 nm, 28 nm en 38 nm) een 20% WTPO-dieselmengsel (P20) beïnvloeden over een reeks motorbelastingen.

Methodologie
Het onderzoek maakte gebruik van een veelzijdige experimentele en analytische benadering:

• Experimentele opstelling: Tests werden uitgevoerd op een enkelcilinder, viertakt, direct inspuitende Kirloskar TV1 dieselmotor bij een constante snelheid van 1500 rpm.
• Brandstofmengsels: Vijf brandstofmengsels werden getest: pure diesel (D100), een 20% WTPO-mengsel (P20), en het P20-mengsel aangevuld met TiO₂-nanodeeltjes van drie verschillende groottes: 13 nm (P20Ti13), 28 nm (P20Ti28) en 38 nm (P20Ti38). Nanodeeltjes werden gedispergeerd met behulp van ultrasone menging om stabiliteit te garanderen.
• Operationele condities: Prestatie- en emissietests werden uitgevoerd onder vier motorbelastingen: 25%, 50%, 75% en 100%.
• Analytisch kader: Naast standaardprestatieparameters (remthermiële efficiëntie, specifiek brandstofverbruik) en emissies (CO, HC, NOx, CO₂), paste de studie geavanceerde thermodynamische en duurzaamheidsanalyses toe:
  • Eerste- en Tweede Wet Analyses: Energie- en exergieanalyses werden uitgevoerd om thermische efficiëntie, exergie-efficiëntie en exergieverlies te bepalen.
  • Exergo-economische Analyse: Evalueerde de kosteneffectiviteit van de brandstoffen door de kosten per eenheid vermogen ($/GJ) en relatieve kostenverschillen te berekenen.
  • Exergo-milieu Analyse: Beoordeelde de milieu-impact met behulp van principes van Life Cycle Assessment (LCA), waarbij de milieu-impactratio en de exergo-milieufactor werden berekend.
  • Duurzaamheidsindex (SI): Berekend om de algehele duurzaamheid van de brandstofmengsels te bepalen.

Belangrijkste Resultaten

• Brandstofverbruik en Efficiëntie: De toevoeging van WTPO en TiO₂-nanodeeltjes verhoogde het brandstofverbruik in vergelijking met pure diesel. Specifiek steeg het brandstofverbruik naarmate de grootte van de nanodeeltjes toenam. Bijgevolg namen zowel de thermische als de exergie-efficiëntie af door de toevoeging van pyrolyseolie en nanodeeltjes. Bij een belasting van 50% daalde de thermische efficiëntie van D100 van 24,053% naar 22,500% voor P20Ti38. Op dezelfde wijze daalde de exergie-efficiëntie van 21,88% (D100) naar 20,56% (P20Ti38) onder deze omstandigheden.
• Emissies:
  • CO en HC: De toevoeging van TiO₂-nanodeeltjes verminderde de koolmonoxide (CO) en koolwaterstof (HC) emissies aanzienlijk in vergelijking met het P20-mengsel zonder additieven. Bovendien zorgde een toename van de grootte van de nanodeeltjes voor een verdere vermindering van deze emissies. Zo daalde de HC-emissie bij een belasting van 75% bijvoorbeeld van 344,6 ppm (P20) naar 285,3 ppm (P20Ti38).
  • NOx en CO₂: Omgekeerd namen de NOx- en CO₂-emissies toe met de toevoeging van nanodeeltjes en naarmate de motorbelasting toenam. Grotere nanodeeltjes correleerden met hogere NOx-emissies.
• Thermodynamische en Economische Prestaties: De toevoeging van pyrolyseolie en nanodeeltjes verhoogde de thermische verliezen en het exergieverlies. Economisch gezien bood het P20-mengsel de laagste brandstofkostenratio vanwege de lagere prijs van WTPO, maar de toevoeging van nanodeeltjes verhoogde de totale kosten van de vermogensextractie. De laagste kosten per vermogen uit de motoras werden waargenomen voor het P20-mengsel bij volle belasting (107,53 $/GJ).
• Milieu-impact: De milieu-impactratio nam toe met de grootte van de nanodeeltjes. De exergo-milieufactor nam af naarmate de nanodeeltjes groter werden, wat wijst op een hogere milieubelasting ten opzichte van de output van het systeem bij grotere deeltjes.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat hoewel de toevoeging van TiO₂-nanodeeltjes aan WTPO-dieselmengsels specifieke emissiekenmerken verbetert (reductie van CO en HC), het tegelijkertijd thermodynamische nadelen introduceert, waaronder verhoogd brandstofverbruik, verminderde thermische en exergie-efficiëntie, en hogere NOx/CO₂-emissies. De studie benadrukt dat de grootte van de nanodeeltjes een cruciale variabele is; grotere deeltjes (38 nm) resulteerden over het algemeen in een hoger brandstofverbruik en grotere thermische verliezen vergeleken met kleinere maten (13 nm), hoewel ze een iets betere reductie van CO en HC boden.

De auteurs stellen dat hun werk een uitgebreide beoordeling biedt die thermodynamische, economische en milieuperspectieven integreert, wat vaak ontbreekt in studies naar alternatieve brandstoffen. Ze concluderen dat hoewel het P20-mengsel met nanodeeltjes potentieel heeft voor emissiecontrole, de trade-offs in efficiëntie en kosten zorgvuldig beheerd moeten worden. De studie benadrukt dat voor de commerciële levensvatbaarheid van deze brandstoffen toekomstig onderzoek zich moet richten op de stabiliteit van de dispersie van nanodeeltjes, het uitvoeren van 'cradle-to-grave' levenscyclusanalyses en het gebruik van Computational Fluid Dynamics (CFD) om het verbrandingsgedrag op microschaal te modelleren. Het onderzoek positioneert zichzelf als een stap naar de optimalisatie van het gebruik van afgeleide brandstoffen uit afval via nanotechnologie, waarbij een balans wordt gezocht tussen prestatiewinst en economische en milieureëleheden.