Implementing detailed chemistry models for SPW recycling in process simulators, towards fundamentally based LCA : application to pyrolysis and in-line reforming of SPW mixture for hydrogen production

Solid plastic waste (SPW) represents a potential source for H2 production not yet fully exploited by chemical recycling pathways. Pyrolysis integrated with in-line reforming is a promising process: it allows to obtain a global H2 production that varies between 28 wt% and 33 wt%, as confirmed by literature findings [1]. The focus of the present work is to develop a comprehensive workflow to test multiple feedstocks and operating conditions from process and environmental point of view. A three steps methodology is developed: validated OpenSMOKE++ models [2], [3] provide, with a reduced computational costs, pyrolysis products distribution for feedstocks with an available kinetic modelling. Secondly, Aspen Plus® evaluates hydrogen production and plants’ global energy demand. Finally, the plants impact in terms of kg CO2-eq/kg of SPW is obtained from SimaPro simulations. The coupling of OpenSMOKE++ modelling together with Aspen Plus® and life cycle assessment (LCA) brings significant advantages. Higher flexibility in terms of tested feedstock and operating conditions is in fact achieved: OpenSMOKE++ provides the data for Aspen Plus®, thus limiting the extent of literature data needed. Secondly, since pyrolysis products distribution is available through OpenSMOKE++, configurations with different products target can be directly developed. Furthermore, the data inventory for the LCA is populated by the Aspen Plus® simulations results. Ten scenarios are investigated by varying feedstock composition and pyrolysis operating conditions. The first developed scenario simulates a mixed feedstock (HDPE, LDPE, PP, PS and PET) in slow pyrolysis conditions, and it is used as a flowsheet model for the other tested configurations. The remaining nine simulations test three pyrolysis operating conditions (slow, fast and flash) each carried out for three different feedstocks (PE, PE and PP, and PE, PP and PS). The environmental comparison with WtE treatment reveals that energetic optimizations are needed. The carbon content of the plastic feedstock is entirely emitted as carbon dioxide: in addition to an energetic optimization of the plant, future developments of this work will be focused on increasing hydrogen productivity and testing new target products.

I rifiuti plastici rappresentano una risorsa di idrogeno non ancora pienamente sfruttata dal riciclo chimico. Un processo promettente è costituito dalla pirolisi integrata al reforming con vapore: è possibile infatti ottenere una produzione di idrogeno, validata dalla letteratura [1], che va dal 28% al 33% in massa. Lo scopo di questo lavoro è di sviluppare una procedura che comprenda diversi aspetti legati al riciclo di rifiuti plastici per la produzione di idrogeno: in primo luogo, i modelli implementati in OpenSMOKE++ forniscono, con un ridotto costo computazionale, la distribuzione dei prodotti della pirolisi di ogni feedstock per cui sia già disponibile la cinetica. I risultati ottenuti con OpenSMOKE++ sono usati come dati di input per Aspen Plus®, il quale calcola sia la produttività di idrogeno sia la richiesta energetica dell’impianto. Come ultimo step, SimaPro permette di valutare l’impatto ambientale dell’impianto in termini di kg CO2-eq/kg of SPW. Sviluppare una metodologia che comprenda questi tre diversi aspetti apporta notevoli vantaggi. Essendo OpenSMOKE++ infatti in grado di fornire la distribuzione di prodotti per molteplici feedstock e condizioni operative, questo permette di essere indipendenti dai dati di letteratura per quanto riguarda gli input per Aspen Plus ®. In secondo luogo, diverse configurazioni possono essere sviluppate e testate partendo direttamente dalla pirolisi, alla luce del fatto che la distribuzione dei prodotti è disponibile attraverso OpenSMOKE++. Infine, l’inventario di dati necessari per portare a termine un’analisi ambientale è popolato dai risultati ottenuti con Aspen Plus®. In questa tesi sono state variate composizione del feedstock e condizioni operative in modo da sviluppare dieci diversi scenari: una prima configurazione simula un feedstock misto (HDEP, LDPE, PP, PS e PET) in condizioni di slow pirolisi ed è utilizzato come base per le successive simulazioni. Le rimanenti nove, infatti, testano tre diversi feedstocks (PE, PE e PP, e PE, PP e PS) ciascuna delle quali nelle tre condizioni operative di pirolisi (slow, fast e flash). Il confronto in termini ambientali con la termovalorizzazione rivela che ottimizzazioni a livello energetico sono necessarie. Inoltre, l’intero quantitativo di carbonio presente nella plastica è riemesso direttamente sotto forma di diossido di carbonio: oltre a una ottimizzazione energetica, futuri lavori si concentreranno quindi nell’incrementare la produzione di idrogeno e nel testare configurazioni con altri prodotti come target principale.