综述：Al2O3和TiO2纳米颗粒与HHO富集对以废旧轮胎-塑料共热解油为燃料的柴油发动机性能、排放及环境影响的对比研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Comparative effects of Al2O3 and TiO2 nanoparticles with HHO enrichment on performance, emissions, and environmental assessment of diesel engine fuelled with waste tire–plastic co-pyrolysis oil

　　A.S. El-Shafay | Mohammed F.M. Abushammala | M.A. Elazab | M.S. Gad
摘要：
由于废轮胎-塑料共热解油的粘度和密度较高，在柴油发动机中使用该油进行蒸发和雾化存在挑战。将废旧轮胎和塑料废弃物转化为共热解油，并按体积比20%的共热解油和80%的柴油混合。分别向燃料混合物中添加了浓度为25、50和100 mg/L的二氧化钛和氧化铝纳米颗粒。使用碱性电解槽产生氢氧气体，并以每分钟0.75升的恒定流量供给发动机进气歧管。实验在柴油发动机上进行，发动机额定转速为3000转/分钟，负载条件不同。与基础共热解油-柴油混合物相比，添加100 mg/L的二氧化钛和氧化铝纳米颗粒后，燃油消耗分别降低了12%和15%，制动热效率分别提高了11%和14%。一氧化碳排放分别减少了22%和25%，而烟雾不透明度分别降低了38%和41%。碳氢化合物排放分别减少了34%和37%，氮氧化物排放分别减少了28%和32%。当使用100 mg/L的二氧化钛和氧化铝纳米颗粒与氢氧气体时，环境性能指数提高了6%和11%。

引言：
随着人口和经济的增长，能源消耗不断增加，许多国家越来越难以确保有足够的能源供应。自2010年以来，全球每天生产约85×10^6桶石油，即每年约39亿吨。同时，煤炭产量约为3700×10^6吨，天然气产量约为29亿吨[1]。由于过度使用、自然资源枯竭、油价上涨和人口增长等因素，近年来对替代能源的需求显著增加[2]。工业和运输部门是能源消耗最大的领域[3]。由于柴油发动机效率高、可靠且用途广泛，常被用来将化学能转化为机械能[4]。随着全球能源需求的增长和化石燃料供应的减少，寻找可再生且环保的燃料选项对于长期能源稳定性和减少环境破坏至关重要[5]。利用垃圾产生的燃料具有双重优势：它缓解了废物管理问题，并促进了与现有发动机兼容的替代燃料的开发。这项技术有效减少了化石燃料消耗和温室气体排放[6]。其中最有前景的替代燃料之一是从废旧轮胎和塑料中提取的热解油。科学家们对废塑料和轮胎的热化学转化非常感兴趣，因为这些方法及其产品的特性[7][8][9]。热解是最常用的材料转化方法，包括液化和气化[10]。已有许多研究探讨了单独使用废塑料和轮胎在柴油发动机中的应用，例如Maithomklang等人[11]使用废塑料瓶盖热解油对压缩点火发动机进行了测试，发现与纯柴油相比，混合物的HC、CO、NOx、CO和烟尘颗粒（PM）排放增加。Rinaldini等人[12]在柴油发动机中进行了实验，发现热解油产生的功率和扭矩较低，但在峰值输出功率下，其燃烧产生的烟雾较少。Pumpuang等人[13]的研究表明，HDPE的热效率接近柴油，而PP的热效率低于柴油；不过PP的氮氧化物排放量低于柴油和HDPE。Mangesh等人[14]研究了添加100 mg/L的二氧化钛和氧化铝纳米颗粒及氢氧气体后，柴油发动机性能的变化，发现燃油消耗分别降低了12%和15%，制动热效率分别提高了11%和14%。一氧化碳排放分别减少了22%和25%，烟雾不透明度分别降低了38%和41%。碳氢化合物排放分别减少了34%和37%，氮氧化物排放分别减少了28%和32%。

结论：
氢氧气体与金属氧化物纳米颗粒的结合可以改善使用废轮胎-塑料共热解油混合物的柴油发动机性能和排放。

参考文献：
[此处列出所有参考文献]将氧化铜纳米颗粒以不同的注入压力添加到Eichhornia crassipes生物柴油中，结果显示在220巴的注入压力下，添加90 ppm的纳米颗粒时效果最佳[39]。气体和含氧添加剂为改善生物柴油燃烧提供了另一种途径[40]。据报道，柴油燃料中的二甘醇添加剂可以减少CO排放，因为其含氧量可以提高燃烧反应并减少不完全氧化产物[41]。在生物柴油混合物中使用氧化铝（Al2O3）和碳纳米管（CNTs）等添加剂，在提高发动机性能和减少排放方面显示出有希望的结果[42,43]。研究表明，当在Jatropha生物柴油（B20）混合物中以50 ppm的浓度使用Al2O3纳米颗粒时，BTE（燃烧热效率）可提高多达24.7%。Al2O3还有助于减少排放，据报道可减少70.94%的碳氢化合物（HC）排放和80%的一氧化碳（CO）排放[44]。添加Al2O3可以改善燃烧特性，在150 ppm时效果最佳，分别使缸内压力和热释放率提高了5.41%和4.69%[45]。含有CNTs的混合物具有更高的制动功率和更低的制动比油耗，表明能量转换效率更高[46]。在B20CNT50等生物柴油混合物中，CNTs表现出增强的性能特性，包括BTE提高了15.94%，BSFC（制动比油耗）降低了20.5%。添加CNTs后，能量效率和可用能效率以及可持续性指数都有显著提高，使其成为可持续能源解决方案的有希望的选择[47]。由于热解油的密度和粘度较高，难以雾化和蒸发，因此在寒冷气候下需要使用纳米添加剂。添加纳米颗粒已被研究为改善基础燃料的热性能、传热和蒸发速率的一种方法。热解油的雾化和雾化挑战阻碍了燃料-空气的均匀燃烧和燃烧的改善。通过热解处理废弃油、家庭废物、废旧轮胎橡胶等产生的经济可行性和环境影响引起了极大的兴趣。塑料和废旧轮胎的处理是一个需要解决的环境问题。与以往主要涉及单一纳米添加剂或HHO的研究不同，最近关于生物柴油和替代燃料柴油引擎的研究证实，含氧添加剂、氢气富集和纳米催化剂的联合使用可以改善燃烧质量并减少多种尾气排放。Kumar等人[48]研究了棉籽油与异丙醇和多壁碳纳米管在压缩点火引擎中的混合物，并报告称酒精-纳米颗粒的添加提高了基于生物柴油的混合物的性能。同样，Kumar[49]研究了含有1-己醇和氧化铝纳米颗粒的Moringa oleifera生物柴油，表明酒精添加剂可以作为点火促进剂，而氧化铝纳米颗粒可以增强燃烧行为。Kumar等人[50]研究了含有热解油和氧化锆催化剂的芒果籽生物柴油，强调了结合生物柴油、热解衍生燃料和纳米催化剂在提高发动机性能和降低排放方面的潜力。在一项密切相关的研究中，Kumar等人[51]评估了含有氢气的柴油-热解油混合物，表明氢气富集可以在双燃料操作中改善燃烧和排放特性。此外，Kumar等人[52]评估了在不同注入压力下含有1-丁醇和氧化铈纳米颗粒的废弃塑料热解油混合物，表明含氧添加剂和纳米催化剂可以增强雾化、燃烧效率和排放行为。这些最近的研究支持了将废弃燃料与燃烧增强添加剂结合的相关性；然而，废弃轮胎-塑料共热解油、氧氢富集以及二氧化钛/氧化铝纳米颗粒的联合使用仍需进一步研究。本研究提供了在HHO富集和金属氧化物纳米颗粒添加条件下，将废弃轮胎-塑料共热解油作为柴油燃料部分替代品的综合实验评估。尽管在柴油引擎中已经研究了HHO富集和纳米添加剂，但废弃轮胎-塑料共热解油作为替代燃料的应用仍然有限。在相同的引擎运行条件下，比较了不同剂量水平的TiO2和Al2O3纳米颗粒。这一点很重要，因为废弃轮胎-塑料共热解油的燃料性能通常不如柴油燃料，包括更高的粘度、更低的挥发性和较差的雾化倾向，这可能对燃烧质量和尾气排放产生负面影响。在这项工作中，CP20（由20%废弃轮胎-塑料共热解油和80%柴油燃料按体积混合而成）作为基础混合物。分别以25、50和100 ppm的浓度将TiO2和Al2O3纳米颗粒添加到CP20中，相当于燃料混合物中的25、50和100 mg/L。HHO气体以0.75 L/min的恒定流速供应到进气歧管中作为燃烧辅助添加剂。使用制动比油耗、制动热效率、废气温度、CO、HC、NOx、烟雾不透明度、总污染物排放和环境性能指数来评估燃料混合物。本研究的主要贡献是在相同的实验框架内对添加了TiO2和Al2O3的CP20混合物进行了比较评估。这种设计使得可以直接比较这两种纳米添加剂，并确定所研究范围内表现最佳的剂量。研究结果提供了有关HHO富集和金属氧化物纳米颗粒改善压缩点火引擎中废弃轮胎-塑料共热解油性能和排放行为的有用实验证据。此外，该研究还使用总污染物排放和环境性能指数作为比较指标进行了基于引擎的环境评估。这些指标用于评估在当前实验条件下测试燃料的相对环境性能。

**部分摘录：**

**热解油转化**
塑料和废旧轮胎被收集并净化了污染物。一个圆形电加热器、冷凝器、连接到数字温度控制器的热电偶以及一个圆柱形油罐组成了轮胎和塑料油生成设备。油罐由不锈钢制成，以防止生锈或与生成的油发生反应。它还能承受高达530°C的温度。油罐的容量在2到5升之间，底部是圆形的。

**制动比油耗（BSFC）**
图6显示了分别以25、50和100 ppm（mg/L）添加到CP20中的TiO2和Al2O3纳米颗粒对BSFC的影响，无论是否添加HHO。随着发动机制动功率的增加，两种燃料混合物的BSFC都有相应的下降；这可能是因为在高负载条件下燃料喷射减少降低了燃烧效率。热解油的 calorific 值低于柴油，这解释了为什么BSFC更高。

**比较评估**
表4展示了使用CP20T100 + HHO和CP20A100 + HHO的柴油引擎的排放和发动机性能数据。这些混合物在发动机性能和排放方面的改进归因于纳米颗粒掺杂的CP20混合物和HHO富集的联合使用。由于CP20 + HO组合没有作为单独的对照组进行测试，因此无法完全区分HHO的单独效应和纳米颗粒的效应。

**结论**
本研究实验性地考察了在压缩点火引擎中混合使用废弃轮胎-塑料共热解油和柴油燃料的情况。CP20由20%的共热解油和80%的柴油燃料按体积组成，作为基准混合物。二氧化钛（TiO2）和氧化铝（Al2O3）纳米颗粒分别以25、50和100 mg/L的浓度加入CP20中，同时氢气和氧气（HHO）气体以0.75 L/min的稳定流速输送到进气歧管中。

**作者贡献声明**
A.S. El-Shafay：概念化、数据管理、正式分析、资金获取、调查、方法论、初稿撰写、审稿与编辑。
Mohammed F.M. Abushammala：概念化、正式分析、调查、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。
M.A. Elazab：概念化、数据管理、调查、方法论、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。
M. S. Gad：声明无已知可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢Sattam bin Abdulaziz大学通过Omani协调会议的项目编号（PSAU/2025/01/35898）为这项研究工作提供资金支持。