Thermo-catalytic pyrolysis of unrecycled plastic waste in a lab-scale experimental set-up: determination of optimal operating conditions

Abstract

370 million tons of polymers are produced worldwide annually (with an annual growth of 4%), of which ca. 16% are produced in the European Union (EU). By 2030, it is estimated that over 600 million tons of plastics will be produced. Plastic waste is a problem and will be severe day by day for the environment. This problem can easily switch to advantage by a carbon-neutral process: pyrolysis. This study analyzed and compared reported literature data with the experimental findings obtained in a continuously operated bench-scale pyrolysis reactor. The optimal conditions of the feedstocks' N2 flow rate, feed intake, and mixing ratio for maximizing liquid production were estimated for pyrolysis by Taguchi’s orthogonal array design. Optimized process parameters were used for the pyrolysis of fresh and waste counterparts of HDPE, LDPE, PP, and a defined mixture of those (25:25:50 wt.%) at 450°C. The tail gases of mixed fresh and waste POs were also examined for energy autonomy of pyrolysis. Fresh plastics yielded more liquid compared to waste plastics. Blending polyethylenes with PP improved the conversion efficiency and favored the formation of gasoline-range hydrocarbons while limiting the wax formation. The total energy potential of produced NCGs, mainly composed of C3 hydrocarbons, was found to be sufficient; the energy demand for endothermic bond breaking during pyrolysis was met in a range of 139 to 464% for various plastic types tested.

Dünya çapında yılda, %16’sı Avrupa Birliği'nde (AB) olmak üzere, 370 milyon (yıllık %4'lük bir büyüme ile), ton polimer üretilmektedir. 2030 yılına kadar 600 milyon tonun üzerinde plastik üretileceği tahmin edilmektedir. Plastik atık, çevre için her geçen gün ciddileşen bir sorundur. Bu problem, karbon nötr bir süreçle kolaylıkla bir avantaja dönüşebilir: Piroliz. Bu çalışmada, rapor edilen literatür verileri analiz edilmiş ve sürekli çalışan laboratuvar ölçekli bir piroliz reaktöründe elde edilen deneysel bulgularla karşılaştırılmıştır. Sıvı üretim verimini artırmak için N2 akış hızı, besleme hızı ve beslemenin karışım oranının optimal koşulları, Taguchi'nin ortogonal dizi tasarımı ile piroliz için tahmin edildi. İşlenmemiş ve atık yüksek ağırlıklı polietilen (HDPE), alçak ağırlıklı polietilen (LDPE) ve polipropilenin (PP) tek olarak ve polefinlerin (PO) karışımlarının (ağırlıkça %25:25:50) 450°C'de pirolizi için optimize edilmiş proses parametreleri kullanıldı. İşlenmemiş ve atık karışım PO'ların yan ürünü olan kalıcı gazların da pirolizin enerji özerkliği için incelenmiştir. İşlenmemiş plastiklerden, atık plastiklere kıyasla daha fazla sıvı üretidiği gözlemlendi. Polietilenlerin PP ile karıştırılması, dönüşüm verimliliğini iyileştirdi ve mumsu (yarı sıvı malzemeler) malzemelerin oluşumunu sınırlarken, benzin aralığında hidrokarbonların (C5-C12) oluşumunu destekledi. Ağırlıklı olarak C3 hidrokarbonlardan oluşan üretilen kalıcı gazların toplam enerji potansiyeli yeterli bulundu; piroliz sırasında endotermik bağ kırılması için enerji talebi, test edilen çeşitli plastik türleri için %139 ila %464 aralığında karşılanmıştır.