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 1000 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（WPDO：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）． 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
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
神長 俊基＊＊＊ 佐野 慶一郎＊＊＊＊ 武田克彦＊＊Experimental Study on Ａpplication to Diesel Generator of Waste Plastic Decomposition Oil
-Influence of Addition Waste Edible Oil for Waste Plastic Decomposition Oil
Toshiki KAMINAGA, Keiichiro SANO, Katsuhiko TAKEDA
A feasibility study was conducted to check whether waste plastic decomposition oil (WPDO) could be used for diesel engines. About 10 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 (WPDO) as a fuel for a new thermal recycling method. However, the problem is that WPDO 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 WPDO blended with waste edible oil, this study investigated its effects on engine performance and exhaust emission characteristics. The study used WPDO with its blend ratios of waste edible oil 10%, 20% and 30% respectively, and burned these oils in a conventional 320-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 WPDO was used were lower compared to the case of gas oil, but they increased when WPDO blended with waste edible oil was utilized. Similarly, NOx emissions were lower when WPDO 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, WPDO 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 20% and 30%, the study concluded that the 10% blending ratio is considered to be most ideal.
＊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 1-50-1）． ＊＊＊ 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）．
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
神 長 俊 基＊＊＊ 佐 野 慶一郎＊＊＊＊ 武 田 克 彦＊＊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 10％，20％，30％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WPDO の製造工程は，廃プラス チックを電気ヒータで約400℃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WPDO 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WPDO と WPDO に廃食油 を体積比で 10％，20％，30％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WPDO+10％， WPDO+20％， WPDO+30％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，WPDO 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
Fig.1 Density and Kinematic Viscosity
Table 1 Fuel Properties6)
Properties/Test Fuels Gas Oil WPDO Lower calorific value [MJ/kg] 43.1 43.5 Flash point [K] 323 311 Pour point [K] 265 264 Cetane number 59.9 56.4 HFRR [µm] 440 222 Sulfur content [w%] <0.6 <0.01 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WPDO 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， WPDO 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（L70V）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-10B），排気ガス分析装置（堀場製作所製， MEXA-9100D ），オパシメータ（堀場製作所製 MEXA-600SW ），燃料計測装置（小野測器製， FM-2500A），データロガー（江藤電機製，5100A）な どから構成される． 実験方法は，供試機関の回転速度を3000rpm 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
Table 2 Engine Specifications
Engine Type YANMAR L70V6 Bore×Stroke [mm] 78×67 Displacement Volume [cc] 320 Compression Ratio 21.1 Maximum Output [kW/rpm] 4.8/3600 Rated Output [kW/rpm] 4.3/3600 Injection Pressure [MPa] 19.6 Fuel Injection Timing BTDC16° Combustion Chamber Direct Injection 290 300 310 320 330 340 2 3 4 Temperature[K] K in em at ic V is co si ty [m m 2 /s] 740 760 780 800 820 D ens ity[ kg/ m 3 ] Gas Oil WPDO WPDO+10% WPDO+20% WPDO+30%
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，WPDO 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WPDO 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．WPDO 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20℃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，WPDO 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WPDO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，WPDO 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30％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，20％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． WPDO 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， WPDO 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，WPDO 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，WPDO 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 0 1 2 3 4 5 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Gas Oil WPDO WPDO+10% WPDO+20% WPDO+30% Shaft Output[kW] Sm ok e[ m -1 ] Fig. 3 PM Emissions 0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 400 500 600 Shaft Output[kW] N O x[ pp m ] Gas Oil WPDO WPDO+10% WPDO+20% WPDO+30%
Fig. 4 NOx Emissions
0 1 2 3 4 5 0 200 400 600 800 1000 1200 Gas Oil WPDO WPDO+10% WPDO+20% WPDO+30% Shaft Output[kW] THC [p pm ] 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，WPDO 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． WPDO 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，WPDO はガソリン成
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，WPDO 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， WPDO 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． Fig. 6 CO Emissions Fig. 7 CO2 Emissions 0 1 2 3 4 5 200 300 400 500 600 700 Gas Oil WPDO WPDO+10% WPDO+20% WPDO+30% Shaft Output[kW] B SFC [g /k W ・ h]
Fig. 8 Brake Specific Fuel Consumption
0 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 35 Gas Oil WPDO WPDO+10% WPDO+20% WPDO+30% Shaft Output[kW] B rak e Th er mal Ef ficien cy [% ]
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． WPDO に廃食油を 10％～30％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) WPDO の密度と動粘度は軽油よりも低いが，廃 0 1 2 3 4 5 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 Gas Oil WPDO WPDO+10% WPDO+20% WPDO+30% Shaft Output[kW] C O[ % ] 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 Shaft Output[kW] CO 2[ % ] Gas Oil WPDO WPDO+10% WPDO+20% WPDO+30%
食油を添加することで改善することができた． (2) WPDO 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) WPDO 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) WPDO 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 WPDO 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10％添 加が最適であると考えられる． 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(2008)，35-43.
2） M. Kazi：The situation and problem of the Industry waste plastic liquefaction, FSRJ News, Vol．13 (2004), 8-12.
3） 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 (2010)，27-36.
4） K. Endoh，K. Takeda：Application of the Waste Plastic Decomposition Oil to Diesel Engines， The 2nd International Conference on Advanced Materials, Energy, and Environments（2013）
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.
42(2008)， 19-26.
6） 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.50, No.1 (2015)，119-124.
