Experimental and kinetic modeling study of secondary gas-phase reactions in solid plastic waste pyrolysis

There is still a lot of improvements to be done in the waste management of plastic field to achieve sustainability and an overall circular economy. The most widespread technologies to close the loop have shown limitations in their applicability to several conditions. Chemical recycling has shown the potential to overcome these weaknesses. This promising technology revolves around converting polymer mixture into new raw material through pyrolysis and gasification. A better understanding of the chemistry involved is needed to aid the development and deployment to the industrial scale. Many studies have been presented on the detailed description of the pyrolysis kinetics for different types of polymers. However, most of them focus on the products that originated directly from the plastic particles while disregarding their evolution in the gas phase. Therefore, this work aims to assert whether these secondary reactions have a relevant effect on the product distribution. Both experimental activities and numerical simulations were involved. Commonly used experimental apparatus in this field are tailored to limit the residence time in the gas phase. Therefore, a new and ad hoc experimental setup was ideated and utilized to overcome this limitation. Two already available semi-detailed kinetic models were selected and used in a coupled approach to describe the collected data: the first model was used to simulate the plastic pyrolysis while the second one was used to describe the gas-phase reactions. Experimental results showed that utilizing only the pyrolysis model it was not possible to correctly predict the product formation. The deviation increased steadily as temperatures increased, further validating the idea of the occurrence of secondary reactions in the gas-phase residence time. The coupled models showed instead excellent precision across the whole range of investigated conditions. Further research to improve the design of the experimental apparatus and the coupling between the two models trace a path for future prospectives in this direction.

C’è ancora molto da migliorare nella gestione dei rifiuti plastici per raggiungere la sostenibilità e un’economia circolare complessiva. Le tecnologie più diffuse hanno mostrato limiti nella loro applicabilità a diverse condizioni. Il riciclo chimico ha dimostrato il potenziale per poter superare queste debolezze. Questa promettente tecnologia ruota attorno alla conversione del rifiuto polimerico in nuove materie prime attraverso la pirolisi e la gassificazione. È necessaria una migliore comprensione della chimica coinvolta per favorire lo sviluppo e l’implementazione su scala industriale. Sono stati presentati molti studi sulla descrizione dettagliata della cinetica della pirolisi per diversi tipi di polimeri. Tuttavia, la maggior parte di essi si concentra sui prodotti che hanno avuto origine direttamente dalle particelle di plastica, trascurando la loro evoluzione nella fase gassosa. Pertanto, questo lavoro si propone di affermare se queste reazioni secondarie hanno un effetto rilevante sulla distribuzione dei prodotti. Sia attività sperimentali che simulazioni numeriche sono state coinvolte. Gli apparecchi sperimentali comunemente utilizzati in questo campo sono progettati per limitare il tempo di residenza nella fase gassosa. Pertanto, è stato ideato e utilizzato un nuovo apparato sperimentale ad hoc per superare questa limitazione. Due modelli cinetici semi-dettagliati già disponibili sono stati selezionati e utilizzati in un approccio accoppiato per descrivere i dati raccolti: il primo modello è stato utilizzato per simulare la pirolisi plastica mentre il secondo è stato utilizzato per descrivere le reazioni in fase gassosa. I risultati sperimentali hanno mostrato che utilizzando solo il modello di pirolisi non era possibile prevedere correttamente la formazione dei prodotti. La deviazione aumentava costantemente all'aumentare della temperatura, convalidando ulteriormente l'idea del verificarsi di reazioni secondarie nel tempo di residenza della fase gassosa. I modelli accoppiati hanno invece mostrato un’eccellente precisione nell’intero range di condizioni indagate. Ulteriori ricerche per migliorare la progettazione dell’apparato sperimentale e l’accoppiamento tra i due modelli tracciano una strada per le prospettive future in questa direzione.