Chemical recycling of plastic waste mixtures to methanol : techno-economic and environmental assessment

The work of this thesis discusses the technological design and modeling of a process for the chemical conversion of plastic waste to methanol. The first part of the thesis contextualizes the work within the legal and historic framework of plastic waste as a key issue of the transition towards circular economic models. Based on industry trends methanol is chosen as a target molecule and gasification as a technology to be explored. In order to design the plant superstructure optimization is used to define the process layout in terms of broad functional modules. Fluidized bed gasification is found to outperform entrained flow gasification and steam methane reforming is proved to be necessary at the analyzed plant capacity. The process layout found in the superstructure optimization is expanded to a detailed process simulation level suitable for front end engineering. The process economics are then analyzed on this model. The economic performance is studied both on a deterministic basis and using Montecarlo simulations on the price of raw materials and products with parameters that consider the past 20 years of price history of each material. The results suggest a robust and profitable process that is mainly penalized when high variability in the price of petrochemicals is present. The analysis then moves to the environmental aspect to consider whether, within the current European infrastructure the process can lead to environmental benefits. Moreover an alternative, fully electrified, process design is also proposed with the idea of considering the long term benefits the process could yield in a decarbonized energy sector that offers cheap electricity. The Life Cycle Assessment is done on a global warming potential basis considering the infrastructure of each individual country belonging to the EU27+3 and using a national assessment instead of one based on scenarios. The LCA takes into account both the electricity footprint of each individual country as well as the share of incineration and landfill in it. The results showcase a process that could integrate in the current infrastructure of many European countries to substitute incineration. The experiment with the electrified configuration stresses how energy intensive processes struggle to result in real environmental benefits with the current energy infrastructure exception made for countries that rely heavily on hydroelectric and nuclear energy. Finally, both the economic results and the environmental ones suggest that the technology is worthy of being developed to the experimental stage especially in the key areas of gasification modeling and scale up, while a key unknown of the process remains the role that steam methane reforming can play in overall process yields, with the unit being a major burden in the process capital expenditures and its downscaling with better economic performance a priority of many emerging chemical sectors such as biogas and reverse water gas shift plants for the direct conversion of CO2.

Questa tesi discute la progettazione tecnologica e la modellazione di un processo per la conversione chimica dei rifiuti plastici in metanolo. La prima parte della tesi contestualizza il lavoro all'interno del quadro giuridico e storico dei rifiuti plastici in Europa e come siano diventati un gruppo di materiali chiave nella transizione verso modelli economici circolari. Seguendo le attuali tendenze industriali il metanolo è stato scelto come prodotto finale e la gassificazione come tecnologia primaria da esplorare. Per progettare il layout dell'impianto è stato utilizzato un approccio di ottimizzazione basato su sovrastrutture definite su moduli d'impianto suddivisi per funzione. Si è scoperto che la gassificazione a letto fluido ha migliori performance economiche della gassificazione a flusso trascinato e si è dimostrato necessario l'utilizzo del reformer a vapore già a ridotte capacità d'impianto. Il layout del processo trovato dall'ottimizzazione è stato ampliato a un livello di simulazione dettagliata di processo, fino a un livello adeguato per un ingegneria di base. Le performance economiche del processo sono quindi state analizzate su questo modello. La performance economica è stata studiata sia su base deterministica sia utilizzando simulazioni Montecarlo sul prezzo delle materie prime e dei prodotti, con parametri che considerano i precedenti 20 anni di storia dei prezzi di ogni prodotto e materia prima. I risultati suggeriscono che il processo è sia robusto che redditizio, ed è penalizzato principalmente quando è presente un'alta variabilità nel prezzo di prodotti petrolchimici. L'analisi si è poi spostata sull'aspetto ambientale per considerare se, all'interno dell'infrastruttura europea attuale, il processo possa portare benefici ambientali. Inoltre, al processo ottimizzato è stata affiancata anche una configurazione alternativa completamente elettrificata, con l'idea di considerare i benefici a lungo termine che il processo potrebbe offrire in un settore energetico decarbonizzato con elettricità a basso costo. L'analisi LCA è stata effettuata sulla base del parametro GWP100, considerando l'infrastruttura di ciascun paese appartenente all'UE27+3 e utilizzando una valutazione che considera individualmente ogni nazione invece di una basata su scenari ipotetici. La LCA tiene conto sia dell'impronta elettrica di ciascun paese sia della quota di incenerimento e messa a discarica in esso. I risultati mostrano un processo che potrebbe integrarsi nell'infrastruttura attuale di molti paesi europei con significativi benefici per sostituire gli inceneritori attualmente presenti. L'esperimento con la configurazione elettrificata evidenzia le note difficoltà dei processi ad alta intensità energetica che faticano a portare veri benefici ambientali con l'attuale infrastruttura energetica, fatta eccezione per i paesi che fanno affidamento principalmente su energia idroelettrica e nucleare. Infine, sia i risultati economici che quelli ambientali suggeriscono che la tecnologia merita di essere portata avanti nella fase sperimentale, specialmente nelle aree chiave della gassificazione e della scalabilità a basse capacità del reformer. Quest'ultimo rimane un'incognita chiave delle performance economiche del processo, con l'unità che rappresenta un onere significativo nelle spese d'investimento del processo e il suo ridimensionamento con prezzi competitivi a scala ridotta una priorità di molti settori chimici emergenti come il biogas e gli impianti di reverse water gas shift per la conversione diretta di CO2.