Valorisation énergétique des déchets plastiques en carburant diesel avec des additifs d'éthanol et d'éthoxyacétate d'éthyle dans le cadre d'une stratégie d'économie circulaire

Oct 23, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 5330 (2022) Citer cet article

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L'utilisation généralisée de produits en plastique crée d'énormes problèmes d'élimination et des préoccupations environnementales. L'accent a été mis de plus en plus sur la notion d'économie circulaire, qui pourrait avoir un impact significatif sur la demande de matières premières plastiques. Le recyclage des plastiques post-consommation est un axe majeur de l'économie circulaire du pays. Cette étude se concentre sur la récupération d'énergie à partir de déchets plastiques comme source de carburant alternative pour répondre à la demande de l'économie circulaire. Il a été affirmé que le combustible plastique usé produit par pyrolyse était utilisé comme combustible de substitution. Ce travail vise à déterminer les performances et les normes d'émission des déchets de carburant plastique (WPF) générés à partir de la pyrolyse du polyéthylène haute densité (HDPE) dans un moteur diesel à injection directe monocylindre (DIDE). Trois ratios différents de WPF ont été combinés avec 10 % d'éthanol et 10 % d'acétate d'éthoxyéthyle comme additif oxygéné pour créer des mélanges de carburant quaternaire. L'éthanol a une faible viscosité, une teneur élevée en oxygène, un rapport hydrogène-carbone élevé comme propriétés favorables, le carburant quaternaire entraîne l'amélioration de l'efficacité thermique des freins, de la consommation de carburant et des émissions réduites. Le mélange WEE20 présente une efficacité thermique de freinage supérieure de 4,7 % et une consommation de carburant réduite de 7,8 % par rapport au diesel. Les mélanges de carburants quaternaires ont démontré une diminution du monoxyde de carbone de 3,7 à 13,4 % et une réduction des hydrocarbures de 2 à 16 % dans différentes conditions de charge.

La consommation de plastique devrait doubler au cours des deux prochaines décennies, après avoir doublé au cours des cinq décennies précédentes. Pour réduire les difficultés environnementales, l'industrie des polymères doit se concentrer sur la récupération des biens à valeur ajoutée plutôt que sur les plastiques à usage unique. Le concept d'économie circulaire a pris de l'ampleur et comprend une stratégie visant à accroître les idées de recyclage du plastique post-consommation. Réduction de la consommation, augmentation de l'espérance de vie, recyclage et récupération d'énergie post-consommation sont autant de stratégies recommandées pour réduire la pollution causée par les plastiques. Le recyclage mécanique est crucial pour l'économie circulaire, mais des obstacles tels que des mélanges incompatibles, des propriétés mécaniques réduites et des additifs de renforcement entravent l'économie circulaire. Le recyclage thermique ou la combustion sont utilisés pour éliminer les plastiques. L'élimination des déchets plastiques présente une opportunité importante de récupération d'énergie. Les hydrocarbures sont présents dans le plastique, sont une excellente source de carburant car ils brûlent proprement. En plus d'être écologique et économique, la pyrolyse est une technologie de récupération d'énergie à partir de déchets plastiques qui permet de réutiliser les déchets plastiques comme source d'énergie pour la production de carburant tout en étant écologique et économique1.

L'utilisation de carburants diesel est répandue dans de nombreuses industries, telles que les secteurs de l'automobile, de l'agriculture et de la production d'électricité, qui bénéficient d'une plus grande efficacité thermique et d'une économie de carburant supérieure. La recherche de sources alternatives de carburant est généralement une expérience positive. Singh et al.2 ont synthétisé de l'huile de pyrolyse plastique pure sans l'utilisation d'un catalyseur et ont étudié les caractéristiques du carburant. Les mélanges d'huile plastique ont été testés sur le moteur et il a été constaté que l'utilisation de mélanges à 50 % entraînait une réduction de l'efficacité et une augmentation minimale des émissions. Das et al.3 ont examiné des mélanges d'huiles plastiques usées produites à partir du catalyseur zéolite-A. L'analyse du moteur a révélé une efficacité thermique accrue des freins jusqu'à 20 % de mélanges à pleine charge. L'émission épuisante est considérée comme ayant une valeur plus élevée que le diesel à des rapports de mélange et de charge plus élevés. Les huiles de pyrolyse produites à partir de plusieurs polymères, y compris le polyéthylène haute et basse densité, le styrène et le polypropylène ont été étudiées par Mangesh et al.4. Bukkarapu et al.5 ont étudié la méthode de pyrolyse pour convertir les déchets plastiques en carburant et ont rapporté l'utilisation d'huile plastique dans les moteurs diesel en examinant les caractéristiques du moteur. Chandran et al.6 ont rapporté les caractéristiques chimiques et physiques de différents mélanges d'huiles plastiques usées avec des polymères de type diesel et des mélanges d'huiles pour pneus, d'huiles plastiques usées distillées et désulfurées.

Fayyazbakhsh et Pirouzfar7 ont effectué un examen des additifs oxygénés pour réduire les émissions, améliorer les caractéristiques du carburant et améliorer les performances des DIDE. Ils ont conclu que l'augmentation de la teneur en alcool du diesel améliorait la phase de combustion prémélangée pendant la combustion, diminuant ainsi les émissions. Bridjesh et al.8 ont tenté de remplacer le diesel par la moitié de la quantité d'huile plastique usée (WPO) et les additifs acétate de méthoxyéthyle et éther diéthylique. Sachuthananthan et al.9 ont combiné des nanoparticules d'oxyde de magnésium avec de l'huile de pyrolyse plastique dans divers rapports. L'enquête a été menée pour étudier l'influence de l'allumage par compression sur les caractéristiques physico-chimiques du moteur. Mangesh et al.10 ont exploré l'hydrogénation de l'huile de pyrolyse comme une nouvelle approche pour convertir des produits chimiques insaturés en produits saturés. L'étude a examiné la combustion, la génération et les émissions d'huile de pyrolyse de polypropylène hydrogénée combinée à du diesel.

Devaraj et al.11 ont montré que le mélange d'éther diéthylique augmente non seulement l'indice de cétane du mélange plastique à un niveau supérieur à celui du diesel et du WPO, et diminue les émissions de fumée. Selon Ananthakumar et al.12, ils ont testé les performances d'un moteur diesel en utilisant des mélanges de carburant de WPO et d'éther diéthylique. Les résultats ont montré que les mélanges WPO avaient un BTE inférieur à celui du diesel et que la consommation spécifique de carburant (SFC) avait un BTE significativement inférieur à celui du diesel dans tous les cas. En revanche, les émissions d'hydrocarbures (HC) et de fumées étaient similaires à celles du diesel. Vijayabalan et Kaimal13 ont examiné les caractéristiques du moteur diesel, fonctionnant à l'éther diéthylique (DEE) à une concentration de 5 à 15 % en volume dans le WPO. Les augmentations du DEE des mélanges ont entraîné une augmentation du BTE et une diminution de la consommation de carburant. Alors que les émissions de monoxyde de carbone (CO) ont diminué, les émissions d'hydrocarbures non brûlés ont diminué.

Sukjit et al.14 ont mené des recherches expérimentales sur un moteur diesel utilisant de l'huile de ricin en plastique comme carburant en combinaison avec du butanol et du DEE comme additifs. Lorsque des mélanges d'huile plastique, d'huile de ricin et de DEE sont utilisés comme carburant, les émissions du moteur sont réduites. Ravi et Karthikeyan15 ont suggéré que le mélange de propanol avec de l'huile plastique était préférable en termes de performances et d'émissions par rapport au diesel, et dans ces émissions, les normes sont réduites. Das et al.16 ont examiné le WPO et l'éthanol pour améliorer les performances et réduire les émissions, et la méthode Taguchi a été utilisée pour optimiser les performances et les émissions. Selon les résultats de cette recherche, des taux de compression plus élevés et des charges plus élevées se traduisent par le plus grand BTE possible et les émissions les plus faibles possibles pour 20 % d'éthanol et 20 % de diesel mixte WPO. Une enquête approfondie et complète révèle que les déchets de carburant plastique peuvent être utilisés comme carburant unique ou combinés avec du diesel de base ou du carburant oxygéné sous forme de mélange binaire, avec ou sans modifications actuelles du moteur. Il a été observé que plusieurs tentatives sont faites pour utiliser des additifs oxygénés. Il a été découvert que l'ajout d'alcools aux mélanges de carburants ternaires évitait la plus grande viscosité cinématique et densité du diesel que l'on trouve dans les mélanges quaternaires, ainsi que l'amélioration des propriétés du carburant de base avec une réduction significative des émissions17.

Cette étude se concentre sur la récupération d'énergie à partir de déchets plastiques utilisés comme source de carburant de transport via une approche d'économie circulaire. Cette enquête vise à déterminer les caractéristiques d'émission et de performance des déchets de carburant plastique issus de la pyrolyse du HDPE dans un moteur diesel monocylindre. La combinaison d'alcool et d'additifs éthyloxygénés avec du carburant plastique récupéré à partir de déchets plastiques n'a pas été tentée dans les applications de moteur diesel. Dans cette enquête, une combinaison d'additifs à 10 % d'éthanol et à 10 % d'acétate d'éthoxyéthyle a été mélangée à différents ratios de déchets plastiques comme carburant quaternaire pour obtenir de meilleures performances dans le moteur diesel. Par conséquent, cette recherche évalue les caractéristiques d'émission et les performances d'un moteur diesel monocylindre qui a été alimenté avec du carburant de déchets plastiques et des additifs oxygénés. Les résultats de WPF sont évalués pour la durabilité de l'environnement pour répondre à l'économie circulaire.

Dans le processus de pyrolyse, les déchets plastiques sont convertis en énergie alternative comme carburant pour les moteurs diesel. Les déchets de combustible plastique présentent une large gamme de caractéristiques chimiques qui varient en fonction de la qualité des plastiques utilisés et de la technique de pyrolyse utilisée. La faible valeur calorifique et la viscosité élevée du carburant plastique usé sont les deux inconvénients les plus importants de l'utilisation du carburant plastique comme moteur diesel. Le HDPE est connu pour sa structure en tant que polymère linéaire à longue chaîne avec un degré considérable de cristallinité et peu de ramification qui se termine par des caractéristiques d'endurance élevées. Selon les prévisions, la demande mondiale de PEHD atteindra environ 95 milliards de tonnes d'ici 2025, ce qui en fera l'un des principaux contributeurs à la pollution plastique. Le PEHD offre une bonne résistance aux alcalis, aux acides dilués et aux graisses. En raison de sa résistance exceptionnelle, il est largement utilisé pour produire des contenants de lait, des contenants d'huile lubrifiante, des bouteilles de shampoing, des bouteilles de détergent, des bacs de recyclage et des sacs d'épicerie, entre autres. Les déchets de PEHD ont un fort potentiel d'utilisation comme matière première pour la pyrolyse et peuvent être recyclés plusieurs fois4. Ning Liu et al.25,26 ont récupéré l'énergie des déchets de polymères et l'ont utilisée pour des applications d'énergie solaire. Il est non seulement respectueux de l'environnement, mais il offre également un moyen écologique de créer des carbones poreux pour une large gamme d'applications en convertissant les déchets de polymères à faible coût en utilisation d'énergie à haute valeur ajoutée.

Le processus catalytique est caractérisé par l'utilisation d'un catalyseur pour effectuer la conversion. La pyrolyse des déchets plastiques implique plusieurs facteurs de processus, tels que la température, la vitesse de chauffage, l'utilisation du catalyseur, la taille des particules, le temps de rétention, la teneur en humidité et la composition de la matière première, entre autres. Par rapport à la pyrolyse thermique, la méthode a montré une forte probabilité de transformation des déchets synthétiques en huile et une qualité améliorée à des durées et des températures de réaction inférieures à ce que l'on pensait auparavant. Ces variables peuvent réduire la consommation d'énergie tout en augmentant simultanément le rendement de l'ensemble du processus de pyrolyse. Dans le processus de pyrolyse, la dégradation thermique se produit pendant que le matériau est maintenu sous vide. Selon le fabricant, la transformation par pyrolyse catalytique des polymères HDPE a été réalisée dans un réacteur de pyrolyse. Les déchets plastiques broyés sont placés dans un four à moufle qui peut fonctionner en continu à 600 °C. Un contrôleur numérique qui surveille et ajuste la température via le thermocouple. Le réacteur de pyrolyse catalytique inclus avec une pompe à vide pour faciliter la conversion. Le catalyseur utilisé dans cette procédure évitera la formation de toute dioxine. Selon le type de matières plastiques, la réaction se produit à une température et une durée spécifiées. Soixante minutes de temps de réponse ont été nécessaires pour les tests HDPE, et à 450 ° C, le HDPE a été converti en huile de pyrolyse. Selon les résultats, la production d'huile pour le HDPE est de 50 % en poids d'huile de pyrolyse avec 25 % de formation de cire et 25 % de gaz, et la formation de coke est observée.

De nombreux chercheurs étudient les différents additifs susceptibles d'améliorer les performances des carburants alternatifs produits à partir de plastiques recyclés. Le tableau 1 présente les enquêtes sur les déchets de carburant plastique et leurs résultats de performance avec des additifs oxygénés. Avec ses bio-ressources renouvelables et ses propriétés oxygénées, l'éthanol est un carburant alternatif attractif pour les moteurs diesel. Ces composés oxygénés sont souvent utilisés dans les moteurs en raison de leur volatilité plus élevée et de leurs propriétés de chauffage latent. De nombreuses études27,28 se sont concentrées sur l'optimisation des mélanges de carburant diesel, de biodiesel et d'alcool comme carburants alternatifs dans les moteurs CI. Cependant, il existe des inconvénients importants, notamment une diminution du pouvoir calorifique, une séparation de phases, un point d'écoulement et des conditions de stockage et de transit dangereuses pour les mélanges ternaires. L'éthanol peut être mélangé avec du diesel comme carburant moteur, qui possède de nombreuses propriétés favorables, notamment une teneur en oxygène plus élevée, une faible viscosité, une teneur en soufre moindre, un rapport hydrogène-carbone élevé et un taux élevé de refroidissement par évaporation. L'éthanol a une viscosité inférieure à celle du diesel pur, ce qui entraîne une meilleure atomisation du carburant injecté dans les cylindres et un meilleur mélange avec l'air lorsqu'il est combiné au diesel29,30. De plus, étant donné que l'éthanol a une chaleur latente d'évaporation élevée, son mélange avec du carburant diesel peut augmenter l'efficacité volumique via l'effet de refroidissement par évaporation de l'éthanol pendant les courses d'admission et de compression.

L'utilisation de carburants oxygénés semble être une option viable pour réduire les émissions des moteurs diesel, à la fois actuels et futurs. Le terme "carburant oxygéné" fait référence à une substance chimique qui contient de l'oxygène. Il est utilisé pour augmenter l'efficacité de la combustion du carburant et réduire la quantité de polluants atmosphériques. Des efforts ont été faits par Rao et al.31 pour améliorer les performances tout en réduisant les émissions en même temps en modifiant le diesel avec des additifs oxygénés. Afin de créer des mélanges ternaires, du nitrométhane et de l'acétate de 2-éthoxyéthyle (EEA) ont été ajoutés au carburant diesel en différentes quantités. Le 2-butoxy éthanol et le 2-éthoxy acétate d'éthyle ont été étudiés par Srinivasan et Devaradjane32. Lorsque la concentration en oxygène passe de 5 à 15 %, cela réduit les émissions de fumée, de CO et de HC tout en augmentant les émissions d'oxydes d'azote (NOx). D'autre part, Deepanraj et al.33 ont étudié les caractéristiques du moteur diesel fonctionnant avec des mélanges EEE. Les effets de plusieurs mélanges de carburant, y compris 5%, 10% et 15% EEA ont été étudiés sur un DIDE. Les carburants mélangés de l'EEE ont amélioré les performances du moteur et réduit considérablement les émissions lorsqu'ils ont été testés dans diverses situations de charge.

L'accent principal est mis sur l'utilisation de déchets plastiques dérivés du HDPE comme carburant alternatif possible pour les moteurs diesel. En examinant les sources de la littérature, on a appris que très peu d'études avaient été effectuées sur le carburant dérivé du polyéthylène haute densité dans le moteur diesel lorsqu'il était combiné avec de l'éthanol et de l'éthoxyacétate d'éthyle. La séparation des phases peut être évitée en combinant un additif tel que l'EEA avec de l'huile plastique usée et un mélange diesel. Les additifs de compatibilité moléculaire et de liaison fonctionnent comme un agent de pontage, résultant en un mélange homogène. De nombreux chercheurs, comme indiqué dans le tableau 1, ont essayé divers additifs oxygénés tels que des alcools et des additifs éthyliques avec des déchets de carburant plastique. La combinaison de deux additifs oxygénés avec des déchets de carburant plastique n'a pas été réalisée dans les moteurs diesel. Le rapport de mélange des additifs a été adopté entre 5 et 15 % avec WPF dans de nombreuses enquêtes15,16,19,20,22,23. Ainsi, l'ajout d'additifs est conservé à 10 % en volume, ce qui est considéré comme le rapport optimal. Dans cette recherche, une combinaison de 10 % d'éthanol et de 10 % d'acétate d'éthoxyéthyle a été ajoutée avec trois ratios incrémentiels de carburant de déchets plastiques en tant que carburant quaternaire pour évaluer les caractéristiques d'émission et les performances d'un moteur diesel monocylindre.

Dans cette recherche, les déchets de carburant plastique obtenus à partir du processus de pyrolyse ont été mélangés avec du diesel à différents ratios de 20 %, 30 % et 40 % en volume, ainsi que des additifs oxygénés. Le carburant quaternaire nommé WEE, formé par les mélanges de déchets plastiques, 10 % d'éthanol et 10 % d'acétate d'éthoxyéthyle en volume, se mélange avec du diesel pur. Les mélanges de carburants quaternaires préparés comme WEE20 (60 % diesel + 20 % WPF + 10 % éthanol + 10 % éthoxy acétate d'éthyle), WEE30 (50 % diesel + 30 % WPF + 10 % éthanol + 10 % éthoxy acétate d'éthyle) et WEE40 (40 % diesel + 40 % WPF + 10 % éthanol + 10 % éthoxy acétate d'éthyle).

L'étude du moteur pourrait être réalisée à l'aide d'un DIDE monocylindre refroidi par eau d'une puissance de 4,2 kW. Le moteur d'essai a commencé à utiliser la technique de manivelle. Le moteur diesel était relié à un dynamomètre à courants de Foucault pour mesurer ses performances. L'utilisation d'un dynamomètre peut charger manuellement le moteur de zéro à la charge maximale par incréments allant jusqu'à 100 %, en fonction de la puissance générée. Le moteur d'essai tourne à 1500 tr/min avec un taux de compression de 17:1 et fonctionne dans des conditions d'essai standard. L'expérience a été menée à un moment d'injection de 21° bPMH (avant le point mort haut) et avec une pression d'injection de 210 bar. La pollution des gaz d'échappement du moteur a été étudiée à l'aide d'un analyseur de gaz AVL di et d'un fumimètre. Le programme AVL a été utilisé pour évaluer la stabilité et les niveaux de pollution du moteur. La configuration du moteur d'expérimentation est illustrée à la Fig. 1. Les propriétés du carburant de déchets plastiques, de l'éthanol et de l'acétate d'éthoxyéthyle ont été présentées dans le tableau 2. Les propriétés du carburant du WPF présentent plusieurs aspects vitaux similaires à ceux du carburant diesel. Cependant, les propriétés de combustion et d'émission du carburant préparé doivent être déterminées et les détails des instruments sont présentés dans le tableau 3.

Configuration schématique du moteur.

Une enquête sur les performances et les caractéristiques d'émission des déchets de carburant plastique dans un moteur diesel a été menée. En utilisant du diesel comme carburant de référence et des mélanges de carburant quaternaire composés de 10 % d'éthanol et de 10 % d'acétate d'éthoxyéthyle en volume, mélangés à divers ratios de 20 %, 30 % et 40 % de WPF, le test a été effectué sur un moteur diesel. L'évaluation a été effectuée sur un moteur diesel monocylindre non modifié fonctionnant à une charge incrémentale de 25 % de 0 à 100 % de sa capacité maximale. Les hydrocarbures (HC), les oxydes d'azote (NOx), le monoxyde de carbone (CO) et les fumées font partie des gaz d'échappement produits par les moteurs en cours d'analyse.

Les performances du moteur ont été observées avec l'efficacité thermique des freins (Fig. 2) de 27,61 %, 24,12 %, 28,92 %, 26,26 % et 25,45 % à pleine charge pour les mélanges de carburant diesel, WPF et quaternaire de WPF avec des additifs oxygénés. L'efficacité thermique des freins varie de 17,84 à 28,92 %, de 16,81 à 26,26 % et de 16,1 à 25,45 % à diverses charges avec des additifs oxygénés. Lorsqu'il est évalué à charge maximale, le BTE du WEE20 était d'environ 4,74 % supérieur à celui du diesel et de près de 20 % supérieur à celui du WPF. Des résultats BTE améliorés de 22 %, 12 % et 8 % ont été observés avec les mélanges quaternaires WEE20, WEE30 et WEE40 par rapport aux déchets de combustible plastique sous diverses charges. L'utilisation de mélanges de déchets plastiques combustibles a permis d'obtenir un BTE plus élevé.

Performance de l'efficacité thermique du frein sur les charges du moteur.

L'ajout d'éthanol et d'acétate d'éthoxyéthyle aux déchets de carburant plastique a eu un effet positif sur la combustion du carburant. Une augmentation de la teneur en oxygène due à la présence de molécules d'oxygène dans les additifs peut en être responsable, ce qui se traduirait par une combustion plus efficace en raison de la présence de molécules d'oxygène dans les additifs34. Étant donné que moins d'énergie est perdue dans le processus de combustion en raison d'une température d'échappement plus basse, des performances de moteur plus élevées peuvent être obtenues. Le carburant plastique contient une plus grande concentration de composés aromatiques, il faut beaucoup d'énergie pour briser la chaîne de polymérisation du carburant plastique. Les problèmes d'injection de carburant et la mauvaise qualité de pulvérisation peuvent également être imputés à la viscosité plus élevée du WPF pour sa moins bonne efficacité thermique dans différentes circonstances de charge par rapport aux autres carburants évalués3.

La consommation de carburant spécifique de chaque moteur est unique et varie en fonction de la vitesse et de la charge du moteur. Le rendement le plus élevé d'un moteur alternatif est atteint uniquement lorsque le moteur reçoit de l'air non étranglé et lorsque le moteur se rapproche de son pic de couple. La figure 3 illustre l'évolution de la consommation spécifique de carburant en fonction des mélanges ternaires dans divers scénarios de chargement. La consommation spécifique de carburant diminue pour WEE20 d'environ 3,16 % à 7,77 % dans diverses conditions de charge avec du diesel. Il y a eu une réduction considérable de la consommation de carburant allant de 14,1 % à 23,8 % dans diverses circonstances de charge par rapport au WPF. Une augmentation de l'efficacité est obtenue par l'utilisation de conditions hautement oxygénées qui nécessitent moins de carburant pour fournir la même quantité de puissance de sortie. Plus important encore, la valeur calorifique des mélanges influence la puissance du moteur.

Performance de la consommation spécifique de carburant sur les charges du moteur.

Le carburant de déchets plastiques a une faible valeur calorifique que le diesel pur. Il a un impact sur le développement de la formation de pulvérisation de carburant, ce qui entraîne une combustion partielle. Il en résulte une réduction de l'efficacité thermique et une consommation de carburant spécifique plus élevée. Il a été observé que 275 g/kW-h, 312 g/kWh et 322 g/kWh pour les mélanges quaternaires WEE20, WEE30 et WEE40 respectivement par rapport aux déchets plastiques, qui ont enregistré 361 g/kWh à charge maximale. En raison du pouvoir calorifique plus faible et de la viscosité plus élevée du WPF et de ses mélanges, la consommation de carburant est supérieure à celle du fonctionnement au diesel19. La soupape de chauffage inférieure des additifs mixtes a entraîné une consommation de carburant plus élevée pour fournir la même quantité de puissance, un retard d'allumage accru en raison du faible indice de cétane et une température de combustion réduite en raison de l'action de trempe de l'éthanol18.

La température des gaz d'échappement dans les moteurs diesel varie considérablement en fonction de la quantité de chaleur dégagée dans la chambre du moteur au cours du cycle de combustion. La température des gaz d'échappement (EGT) peut également fournir un bon aperçu des performances, du rapport air-carburant, de la chaleur de combustion et des niveaux d'oxygène disponibles. La température de combustion influence l'EGT, contribuant à une augmentation de la température d'échappement avec l'augmentation de la charge35. L'EGT des mélanges WPF et quaternaire observé était supérieur à celui du diesel dans toutes les conditions de charge (Fig. 4). WEE20 a enregistré une augmentation de l'EGT de 5,3 %, et d'autres mélanges ont également observé une température plus élevée d'environ 9 à 10 % par rapport au diesel. WPF montre une combustion incomplète en raison de la viscosité plus élevée et de la volatilité plus faible, ce qui entraîne une EGT plus élevée. L'EGT plus élevé a été observé car certains gaz subissent une combustion en fin de course de détente36. Les mélanges quaternaires contiennent plus d'oxygène, ce qui favorise la combustion, ce qui entraîne une EGT plus élevée dans toutes les conditions de charge.

Variation de la température des gaz d'échappement sur les charges du moteur.

Les émissions de monoxyde de carbone sont principalement produites par une disponibilité insuffisante d'oxygène ou une mauvaise utilisation de l'oxygène dans le processus de combustion. Par rapport au diesel, les mélanges quaternaires émettent beaucoup moins de monoxyde de carbone à toutes les charges. La figure 5 montre que les émissions de monoxyde de carbone diminuent progressivement d'une charge faible à une demi-charge, puis augmentent jusqu'à atteindre la pleine charge pour tous les mélanges présentés. Des tests à des charges maximales ont révélé que les émissions de CO du WEE20 devaient être inférieures de 13,41 % à celles du diesel et d'environ 20,22 % inférieures à celles du WPF. Par rapport au diesel, les mélanges quaternaires WEE20, WEE30 et WEE40 ont montré des réductions significatives de CO de 13,41 %, 6,21 % et 3,73 %, respectivement, lorsque la charge était variée. En comparant les mélanges quaternaires au WPF, il est démontré qu'il y a une diminution de 9% à 23,6% des émissions de dioxyde de carbone. Les mélanges quaternaires ont une concentration plus élevée d'oxygène, ce qui permet une combustion plus efficace du combustible. Il en résulte une réduction des émissions de CO à mesure que davantage de particules de carburant s'oxydent. L'ajout d'alcools à faible indice de cétane augmente le temps de retard d'allumage lors de la combustion. En raison de l'effet du groupe OH, la majorité des alcools subissent une abstraction de H par des radicaux OH à partir de la position du carbone, comme cela avait été rapporté précédemment37. En raison du délai d'allumage, un plus grand mélange air-carburant se produit, ce qui améliore la combustion et la réduction du CO. Un impact négatif sur les émissions de monoxyde de carbone a été mis en évidence par les déchets d'huile plastique, dont la viscosité accrue entraîne une atomisation inefficace des mélanges de carburant, entraînant finalement une augmentation des émissions de monoxyde de carbone34.

Variation des émissions de monoxyde de carbone sur les charges du moteur.

Les émissions d'hydrocarbures sont principalement générées par un mélange inadéquat de carburant et de particules d'air dans le processus de combustion, ainsi que par une combustion incomplète du carburant lui-même. Lorsque l'on compare le diesel avec des mélanges quaternaires de WEE20, WEE30 et WEE40 (Fig. 6), les émissions d'hydrocarbures diminuent respectivement d'environ 11,76 à 16,39 %, de 4,41 à 8,82 % et de 1,47 à 1,72 % dans diverses conditions de charge. En raison de la concentration plus élevée d'oxygène dans les mélanges de carburant et d'un mélange approprié du carburant et de l'air, il se produit dans la chambre de combustion lorsque le carburant est brûlé. La quantité de particules de carburant brûlées dans la chambre de combustion est donc supérieure au diesel. Les émissions d'hydrocarbures du WEE20 étaient environ 16 % inférieures à celles du diesel et 21,5 % inférieures au WPF à charge maximale. Un régime moteur bas et une faible pression d'injection de carburant sont présents pendant les conditions de ralenti, ce qui entraîne des conditions de combustion légèrement riches nécessaires à la stabilité de la combustion. Lorsque l'éthanol est mélangé au diesel, la réduction des zones partiellement riches en carburant causée par l'effet de l'oxygène et l'amélioration de l'atomisation causée par la plus faible viscosité du carburant injecté sont les principales raisons de la réduction des émissions de HC. Mani et al.38 ont constaté que le HC était 15 % plus élevé à charge maximale en comparant le carburant plastique au diesel. En raison des combinaisons aromatiques insaturées des déchets plastiques, ceux-ci ont un caractère impérissable, entraînant une augmentation des émissions d'hydrocarbures36. Le faible indice de cétane du WPO et ses caractéristiques d'auto-inflammation plus faibles contribuent à l'amélioration de l'effet de trempe dans la région de mélange plus pauvre du cylindre, ce qui contribue à son tour à l'augmentation de la quantité d'hydrocarbures émis.

Variation des émissions d'hydrocarbures sur les charges du moteur.

Dans les moteurs diesel, les NOx sont principalement produits par le mécanisme thermique et, dans une moindre mesure, par le mécanisme prompt. À des températures élevées, le processus thermique entraîne une augmentation exponentielle des niveaux de NOx. Les émissions d'oxyde d'azote ont augmenté de 12,06 %, 22,13 % et 35,85 %, respectivement, lorsque les mélanges quaternaires WEE20, WEE30 et WEE40 ont été comparés au carburant diesel à différentes charges (Fig. 7). L'augmentation des émissions de NOx des mélanges quaternaires est principalement causée par l'augmentation de la température de combustion du mélange de carburant. L'achèvement de la combustion se produit à la suite de l'augmentation de la concentration en oxygène dans le carburant mixte. En conséquence, la température de combustion augmente, augmentant la quantité de NOx émise. Lorsque des composés oxygénés sont ajoutés au carburant diesel, le carburant devient plus oxygéné. En conséquence, la chambre de combustion fonctionnait maigre. Le carburant oxygéné fournit l'oxygène supplémentaire nécessaire pour oxyder l'azote. Les émissions de NOx du carburant oxygéné augmentent en conséquence.

Variation des émissions d'oxydes d'azote sur les charges du moteur.

Mani et al.38 ont constaté que les émissions de NOx étaient 25 % plus élevées pour le carburant plastique que pour le diesel à pleine charge. Comme le montre la figure 6, les niveaux d'émission de NOx de tous les carburants testés augmentent. Une concentration excessive d'oxygène a l'impact le plus important sur la génération d'émissions de NOx dans la bouteille. Les chaînes d'azote se décomposent et se désintègrent lorsqu'elles sont exposées à des températures élevées. Suite à cela, ces liaisons azotées interagissent avec les molécules d'oxygène piégées à l'intérieur de la configuration monotone du cylindre. Les émissions des déchets de carburant plastique se sont avérées être entre 12 et 50 % supérieures à celles du diesel. Le WPF a plus de composés à nombre de carbone, ce qui diminue la disponibilité d'air excédentaire, ce qui entraîne une augmentation des températures, ce qui entraîne une augmentation des NOx.

L'échappement du moteur est une indication visuelle du processus de combustion du moteur. La fumée est produite lorsque le carburant est brûlé de manière inefficace, ce qui entraîne des particules de carbone non brûlées. De la fumée se forme dans les moteurs lors de l'étape de combustion par diffusion. Toutes les gouttelettes de carburant atomisées sont scindées en atomes de carbone élémentaires et sont ensuite oxydées dans la zone de combustion. Des émissions de fumée se produisent également dans la zone riche en combustion en raison d'un manque d'air, d'un meilleur rapport carbone-hydrogène, d'une viscosité plus élevée du carburant, d'une atomisation insuffisante et d'une accumulation excessive de carburant à l'intérieur de la chambre de combustion. Selon la Fig. 8, par rapport au diesel, la quantité de fumée générée par les mélanges WEE20 et WEE30 diminue respectivement de 8 à 9,38 % et de 4,44 à 7,69 %. WEE40, en revanche, a signalé une augmentation modeste de 2 % de la fumée.

Variation des émissions de fumées sur les charges du moteur.

Par rapport au carburant diesel, les mélanges quaternaires émettent moins de fumée. Cela est principalement dû à l'impact synergique d'un indice de cétane plus élevé et de la présence d'oxygène dans les mélanges de carburants. L'indice de cétane indique la qualité de l'allumage : plus l'indice de cétane est élevé, plus le carburant est inflammable. À mesure que l'indice de cétane augmente, la qualité d'allumage du carburant s'améliore également. Lorsque la qualité d'allumage du carburant s'améliore, le carburant brûle plus efficacement dans la chambre de combustion. En conséquence, le moteur produit moins de particules de carbone non brûlées. De plus, l'oxygène contenu dans le carburant facilite la combustion du carburant, réduisant ainsi la production de fumée. Ravikumar et Senthilkumar39 ont trouvé une réduction de 8,6 % à 21,28 % de la fumée dans le moteur revêtu par rapport à un moteur diesel standard. Par rapport au diesel, les déchets de carburant plastique ont produit une quantité de fumée de 18,8 % à 39 % supérieure. Le WPF a une proportion plus importante de composants aromatiques, ce qui entraîne un développement de mélange de carburant et une production de pulvérisation incorrects, entraînant une combustion incomplète et une émission de fumée importante13. Une autre raison de la combustion incomplète est que le WPF a une viscosité plus élevée et est moins volatil12.

Les produits en plastique sont omniprésents sur le lieu de travail et dans l'environnement domestique des humains. La pollution plastique a le potentiel de nuire et de polluer l'écosystème terrestre. De plus, le plastique contribue au réchauffement climatique. Le plastique reste dans l'environnement pendant une période prolongée, mettant en danger les animaux et propageant des poisons. Chaque année, les plastiques tuent des millions d'animaux, des oiseaux aux êtres marins (Okunola et al.40). D'autre part, les émissions de diesel causent le cancer, des maladies cardiovasculaires et respiratoires, la pollution de l'air, de l'eau, des sols, des salissures, une visibilité réduite et des changements climatiques mondiaux. Le monoxyde de carbone affecte le nombre de gaz à effet de serre liés au changement climatique et au réchauffement climatique. Le CO provoque une intoxication aiguë lorsqu'il est combiné à l'hémoglobine pour former la carboxy-hémoglobine (COHB), empêchant un transport adéquat de l'oxygène des poumons vers les tissus humains. En tant que symptôme de la COVID-19, des concentrations excessives de CO altèrent le bon fonctionnement du système respiratoire (Adefeso et al.41). Les hydrocarbures sont très nocifs pour l'homme. L'apport d'hydrocarbures affecte le système immunitaire, les systèmes hépatique, respiratoire, reproducteur, circulatoire et rénal. Les effluents humains contaminés par les hydrocarbures provoquent également des cancers et des problèmes hormonaux qui peuvent perturber le développement et la reproduction (Srivastava et al.42).

Étant donné que l'éthanol est soluble dans l'eau, biodégradable et facilement évaporable, il peut offrir certains avantages en matière de sécurité par rapport aux combustibles fossiles. Le carburant éthanol est la source d'énergie la plus rentable car il peut être produit dans presque tous les pays. L'éthanol est un type de carburant dérivé du maïs et d'autres plantes. Il existe de nombreuses formes d'éthanol, mais la plus courante est l'E10, et le taux de mélange varie de 10 à 15 % dans le monde. De nombreux pays, comme le Brésil et les États-Unis, autorisent l'utilisation d'un mélange de carburant à haute teneur en éthanol contenant 50 à 85 % d'éthanol43. Parce que l'éthanol est facilement produit, il est moins cher que les combustibles fossiles. Les principaux sous-produits de la combustion de l'éthanol sont le dioxyde de carbone et l'eau. En termes de pollution, le dioxyde de carbone émis a peu d'impact. La combustion de l'éthanol fabriqué à partir de la biomasse comme le maïs et la canne à sucre, en revanche, est considérée comme "neutre en carbone atmosphérique". Cela est dû au fait que lorsque la biomasse croît, elle absorbe du CO2, ce qui peut compenser le CO2 émis lors de la combustion de l'éthanol44.

L'économie linéaire se concentre sur la matière première, le processus de fabrication et la livraison du produit final. L'au-delà du produit n'a jamais reçu l'attention qu'il méritait. L'état du produit après qu'il a atteint la fin de sa durée de vie utile a été négligé. Les produits en plastique peuvent être éliminés dans des décharges ou incinérés comme alternative au recyclage. Gong et al.45 et Zhang et al.46 ont développé des solutions alternatives pour la récupération d'énergie des déchets de polymères dans des systèmes de stockage électrochimique et d'évaporation à la vapeur, qui sont les méthodes idéales de récupération des déchets de polymères.

Une raffinerie utilisant du plastique recyclé diminue la consommation de pétrole, diminue les dépenses en capital d'exploration et augmente les réserves de pétrole. La production de plastique utilise environ 8 % du pétrole mondial, dont environ la moitié est consacrée à la création de monomères et l'autre moitié à la production d'énergie. Les traitements physiques et chimiques doivent être largement mis en œuvre pour être commercialement durables. L'approche proposée par Palos et al.47 suggère d'établir un nouveau réseau d'entreprises de gestion des déchets. L'industrie pétrolière gagnerait à l'engagement du réseau d'entreprises envers le développement durable.

Cette recherche se concentre sur la récupération d'énergie à partir de déchets plastiques et l'utilisation d'éthanol de culture biologique pour réaliser l'approche d'économie circulaire en tant que carburant potentiel pour les véhicules de transport. En raison de la densité énergétique élevée des hydrocarbures présents dans le plastique, ce sont d'excellentes sources de carburant. La quantité de matières recyclables pouvant être recyclées sans dégrader la résistance est l'un des enjeux auxquels est confrontée l'économie circulaire. Lorsqu'il s'agit d'offrir une solution de fin de vie rentable, la pyrolyse et la combustion du plastique sont des options viables car elles permettent la production de biens à valeur ajoutée tout en réduisant l'impact environnemental. Le recyclage et la réutilisation du plastique mis au rebut ont le potentiel d'économiser et de récupérer une grande quantité d'énergie. De même, au cours de la période 2020-2021, les importations nettes de pétrole de l'Inde étaient de 185 Mt à 551 milliards de dollars, le programme de mélange d'éthanol E20 qui fonctionne peut faire économiser au gouvernement 4 milliards de dollars par an. L'éthanol est également moins polluant et moins cher que les énergies fossiles. L'E20 est un besoin national et une demande stratégique en raison de l'abondance des terres arables, de l'augmentation de la production de céréales alimentaires et de canne à sucre et de la capacité de convertir les automobiles en carburant mixte à l'éthanol. En deux-roues, la baisse des émissions de CO était de 50 %, et en quatre-roues jusqu'à 30 %. De plus, les mélanges d'éthanol et d'essence réduisent les émissions d'hydrocarbures de 20 %48,49.

L'objectif de cette étude est de déterminer les performances des déchets de carburant plastique générés par la pyrolyse du HDPE dans un moteur diesel. Un mélange de carburant quaternaire de WPF a été développé pour lutter contre les émissions de haute valeur de WPF pendant les performances du moteur diesel. Les mélanges comprenaient 10 % d'éthanol et 10 % d'acétate d'éthoxyéthyle comme additif oxygéné pour réduire les émissions nocives. Le résultat des mélanges WPF se traduit par une meilleure économie de carburant allant jusqu'à 20 % de mieux que le diesel et une réduction des émissions d'échappement d'environ 13 % de CO et 16 % de HC par rapport aux combustibles fossiles. De même, le programme de mélange d'éthanol en Inde récoltera de nombreux avantages, notamment des économies annuelles de 30 000 crores de roupies en devises, la sécurité énergétique, la réduction des émissions de carbone, une meilleure qualité de l'air, l'autonomie, l'utilisation de céréales alimentaires endommagées, une augmentation du nombre d'agriculteurs revenus, la création de nouveaux emplois et l'augmentation des possibilités d'investissement48. L'utilisation d'énergie récupérée WPF et d'additifs oxygénés est possible pour lutter contre le changement climatique en réduisant les émissions de gaz à effet de serre des moteurs grâce à une meilleure efficacité énergétique, en améliorant les besoins énergétiques du pays et en stimulant l'économie48,49.

Les déchets plastiques, qui posent un problème important en termes d'élimination, peuvent être transformés en énergie. Cette étude examine la possibilité de récupérer l'énergie des déchets plastiques comme une option potentielle pour répondre à l'économie circulaire en tant que source de carburant. L'objectif de cette recherche est d'étudier les performances des déchets plastiques issus de la pyrolyse du HDPE dans un moteur diesel. Un mélange de carburant quaternaire comprenant trois rapports distincts de WPF a été développé pour lutter contre les émissions de haute valeur de WPF pendant les performances du moteur diesel. Les mélanges comprenaient 10 % d'éthanol et 10 % d'acétate d'éthoxyéthyle comme additif oxygéné pour produire des mélanges de carburants quaternaires. Les observations suivantes ont été faites sur les mélanges de carburants quaternaires sur les moteurs diesel monocylindres, l'efficacité thermique de freinage du WEE20 est supérieure de 4,74 % au diesel et de près de 20 % supérieure à celle du WPF à charge maximale. Des résultats BTE améliorés de 22 %, 12 % et 8 % ont été observés avec des mélanges quaternaires avec WPF. La consommation spécifique de carburant diminue pour WEE20 d'environ 7,77 % avec le diesel et une réduction considérable de la consommation de carburant allant de 14,1 % à 23,8 % dans diverses circonstances de charge par rapport au WPF. WEE20 a enregistré une augmentation de l'EGT de 5,3 %, et d'autres mélanges ont également observé une température plus élevée d'environ 9 à 10 % par rapport au diesel. Aux charges maximales, les émissions de CO du WEE20 sont 13,41 % inférieures à celles du diesel et environ 20,22 % inférieures à celles du WPF. Les mélanges quaternaires WEE20, WEE30 et WEE40 ont montré des réductions significatives de CO de 13,41 %, 6,21 % et 3,73 %, respectivement. Les émissions d'hydrocarbures du WEE20 ont été enregistrées à charge maximale, et elles étaient inférieures d'environ 16 % à celles du diesel et de 21,5 % inférieures à celles du WPF. L'hydrocarbure rapporté diminue d'environ 16,39%, 8,82% et 1,72% avec le diesel lorsque l'on compare les mélanges quaternaires. Les émissions d'oxyde d'azote ont augmenté de 12,06 %, 22,13 % et 35,85 % sur les mélanges quaternaires WEE20, WEE30 et WEE40, respectivement, ont été comparées au carburant diesel à différentes charges. Une diminution de la fumée produite par les mélanges WEE20 et WEE30 est comprise entre 8 et 9,38 % et 4,44 à 7,69 %, respectivement. Selon les résultats de cette recherche, les déchets plastiques pourraient être utilisés comme source d'énergie alternative pour les chaudières, les moteurs industriels, les moteurs marins et même les moteurs diesel des locomotives. En outre, les mélanges WPF et éthanol à récupération d'énergie contribueront à la demande énergétique, amélioreront la qualité de l'air, réduiront les émissions de carbone, augmenteront les revenus des agriculteurs, créeront des emplois et élargiront les opportunités d'investissement, contribuant ainsi à l'économie du pays.

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École de mécanique et de construction, Vel Tech Rangarajan Dr. Sagunthala R&D Institute of Science and Technology, Chennai, Tamil Nadu, 600 062, Inde

Sambandam Padmanabhan

Département de génie mécanique, Easwari Engineering College, Chennai, Tamil Nadu, 600 089, Inde

K. Giridharan

Département de génie mécanique, Université Anna, Campus régional Madurai, Madurai, Tamil Nadu, 625 019, Inde

Balasubramaniam Staline

Centre de découverte et de développement de médicaments, Sathyabama Institute of Science and Technology, Chennai, Tamil Nadu, Inde

Kumaran subramanien

Département de génie mécanique, Karpagam Academy of Higher Education, Coimbatore, Tamil Nadu, 641 021, Inde

V.Kavimani

Département de génie mécanique, ULTRA College of Engineering and Technology, Madurai, Tamil Nadu, 625 104, Inde

N.Nagaprasad

Centre d'excellence pour les connaissances autochtones, le transfert de technologies innovantes et l'entrepreneuriat, Université Dambi Dollo, Dambi Dollo, Éthiopie

Leta Tesfaye Jule & Ramaswamy Krishnaraj

Département de physique, Collège des sciences naturelles et informatiques, Université Dambi Dollo, Dambi Dollo, Éthiopie

Telecharger Leta Tesfaye Jule Mp3 Gratuit

Département de génie mécanique, Université Dambi Dollo, Dambi Dollo, Éthiopie

Ramaswamy Krishnaraj

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Conceptualisation, PS ; Conservation des données, PS et GK ; Analyse formelle, LTJ, NN, KS, SB, KV et GK ; Enquête, PS ; Méthodologie, PS ; GK et SB ; Administration de projet, PS ; Ressources, PS, GK et SB ; logiciel PS ; Supervision, LTJ ; Validation, SB et KR ; Visualisation, PS et GK ; Rédaction—ébauche originale, PS, GK, KV ; Visualisation des données, édition et réécriture, PS

Correspondance à Ramaswamy Krishnaraj.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Padmanabhan, S., Giridharan, K., Staline, B. et al. Valorisation énergétique des déchets plastiques en carburant diesel avec des additifs d'éthanol et d'éthoxyacétate d'éthyle dans le cadre d'une stratégie d'économie circulaire. Sci Rep 12, 5330 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-09148-2

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Reçu : 24 décembre 2021

Accepté : 09 mars 2022

Publié: 29 mars 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-09148-2

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