Thermolysis of plastic waste in bench-scale fluidized-bed reactor

Abstract

This thesis was commissioned by VTT Oy, which provides research and innovation services for domestic and international customers and partners. The goal of this Bachelor’s thesis was to study the thermolysis process of plastic waste, compile a review around it and execute test runs with a thermolysis reactor. The review was divided in two parts: background section and the thermolysis of plastics section. Background section included the waste management, current methods for managing the waste and the hierarchy around it. Thermolysis of plastics section reviewed more in depth the thermolysis of plastic waste, including the process reactors, factors affecting the product yield and distribution and finally current commercial technologies for the thermolysis.

Plastic waste originate from multiple sources and have distinct compositions thus waste fractions behave differently in the thermolysis process. The gathered information and data from the test runs was the most significant objective for the project. All of the experiments were performed with a bench-scale (1kg/hr) fluidized-bed pyrolysis reactor. Total of three plastic waste samples were tested plus one with the pure polypropylene as a reference run. Each of the feedstock was tested at three different temperatures. The products were collected as wax, oil, gas and char. The elemental composition of the wax and gas was analyzed in VTT’s laboratories.

The results showed that in the thermolysis of plastic waste, the formation of liquid was non-existent and the product was mostly in the form of wax. When the temperature was decreased, the total product yield rose. Also in lower temperatures, the formation of wax increased and the formation of non-condensable gases decreased. The best yield in thermolysis was achieved with the packaging plastic waste when the temperature was 575 °C, being almost 92 wt-%.

This thesis provides gathered information package around the thermolysis of plastic waste. The literature part reviewed about the waste management and thermolysis of plastic. Experimental part presented the observations, challenges and data of the test runs and offers behavior of the thermolysis of plastic waste that can be used for further projects for improvements and modeling of the process.

Tämän insinöörityön toimeksiantajana toimi VTT Oy, joka toimii moniteknologisena soveltavaa tutkimusta tekevänä tutkimuskeskuksena. Työn tarkoituksena oli tutkia muovijätteen termolyysiä kirjallisuus- sekä kokeelliselta pohjalta. Kirjallisuusosio koostui kahdesta osasta: taustaa-kappaleesta sekä muovin termolyysi -kappaleesta. Taustaa-kappaleeseen sisältyi katselmus muovijätteen käsittelystä, käsittelyn metodeista ja hierarkiaa muovijätteen ympäriltä. Muovijätteen termolyysi -kappaleessa kä-siteltiin muovijätteen termolyysiä tarkemmin, sisällyttäen reaktorit, tuotteen saannot ja tuo-tejakaumat ja nykyisiä ison mittakaavan kaupallisia teknologioita.

Muovien ja muovijätteiden käyttäytyminen vaihtelee termolyysiprosessissa ja jakeet sisältävät eri määriä ylimääräisiä materiaaleja, jotka vaikuttavat prosessiin ja tuotejakaumaan. Kerätty data ja tieto koeajoista oli merkittävin päämäärä projektin näkökulmasta.

Jokainen koe suoritettiin ”bench-scale” kokoisella leijupeti pyrolyysireaktorilla. Kolme raaka-ainetta ja yksi referenssiajo ajettiin, kukin kolmessa eri lämpötilassa. Tuotetta kerättiin vahan, nesteen, kaasun ja tuhkan muodossa. Tuotteen alkuainemäärityksen analysoimiseksi käytettiin kaasukromatografia ja VTT:n laboratorion analyysimenetelmiä.

Tulokset osoittavat, että muovin termolyysissä nestettä ei muodostu juurikaan ja päätuote ilmenee vahan muodossa. Kun lämpötilaa laskettiin, kokonaissaanto parani. Myöskin alemmissa prosessilämpötiloissa vahan kokonaissaanto parani ja lauhtumattomien kaasujen määrä väheni. Paras saanto (92 p-%) saavutettiin pakkausmuovinäytteellä, lämpötilan ollessa 575 °C.

Tämä työ tarjoaa tietopaketin muovijätteen termolyysin ympäriltä. Kirjallisuusosio tarkastelee jätteen käsittelyä ja muovin termolyysiä. Kokeellinen osuus esittää havainnot, haasteet ja datan koeajoista ja tarjoaa trendin ja käyttäytymismallin pyrolyysille jota voitaisiin käyttää jatkoprojekteja varten mahdolliseen mallinnukseen ja kehitykseen.