Design and techno-economic evaluation of a pyrolysis plant for mixed plastic waste

Plastic waste management is one of the most pressing environmental and technological challenges of the present decade. In particular, the fraction of mixed plastics that is obtained after sorting of post-consumer plastic waste, known in Italy as Plasmix, is typically destined to incineration or landfill. Pyrolysis has recently emerged as a promising thermochemical route to valorize this heterogeneous waste into valuable fuels and chemical feedstocks. This thesis presents a complete process simulation and techno-economic assessment of a 20 kt/year pyrolysis plant for Plasmix. The methodological approach combines a linear model calibrated in MATLAB with a steady-state process flowsheet implemented in Aspen HYSYS v11. The simulation includes the main sections of the plant: a dehalogenation reactor for chlorine removal, the pyrolysis reactor, HCl abatement, a separation section, and heavy-fraction recycling. Design correlations and cost estimation procedures were applied to evaluate capital and operating expenditures, while a cash flow analysis was performed to determine the economic viability of the plant. Several key contributions have been implemented in this work. First, the model was calibrated using the actual composition of Plasmix available in Italy, ensuring realistic input conditions. A broad set of products was considered to capture the complexity of pyrolysis behaviour. In addition, a recycle strategy for heavy hydrocarbons was implemented to increase conversion into lighter and more valuable products. From an economic perspective, even under conservative assumptions, the plant achieves profitability, with an Internal Rate of Return (IRR) of 18.15% and a Net Present Value (NPV) of 14.9 M€, values consistent with those reported in previous studies. Sensitivity analysis showed that the project is robust against capital cost uncertainties but sensitive to product selling prices, confirming the feasibility and profitability of Plasmix pyrolysis.

La gestione dei rifiuti plastici rappresenta una delle sfide ambientali e tecnologiche più urgenti del nostro tempo. In particolare, la frazione residua di plastiche miste derivante dalla selezione dei rifiuti plastici, nota come Plasmix, è solitamente destinata all’incenerimento o alla discarica. La pirolisi è recentemente emersa come un promettente trattamento termochimico in grado di valorizzare questo rifiuto eterogeneo, trasformandolo in combustibili o in possibili materie prime chimiche. In questa tesi è stata sviluppata una simulazione di processo e una valutazione tecno-economica di un impianto di pirolisi da 20 kt/anno per Plasmix. L’approccio adottato integra un modello lineare calibrato in MATLAB con una simulazione di processo implementata in Aspen HYSYS v11, che comprende le principali sezioni dell’impianto: un reattore di dealogenazione, il reattore di pirolisi, i sistemi di abbattimento dell’HCl, una sezione di separazione e il riciclo della frazione pesante. Sono state applicate correlazioni per stimare i costi di investimento e di esercizio, mentre un’analisi dei flussi di cassa è stata condotta per valutarne la redditività. I principali contributi innovativi riguardano la calibrazione del modello sulla reale composizione del Plasmix in Italia e la considerazione nella simulazione di un ampio insieme di molecole, in modo da rappresentare più realisticamente il comportamento dei prodotti della pirolisi. Un ulteriore contributo è l’introduzione di una strategia di riciclo degli idrocarburi pesanti, che consente di ottenere prodotti più leggeri di maggiore valore. Dal punto di vista economico, nonostante le assunzioni conservative adottate, l’impianto risulta profittevole, con un Tasso Interno di Rendimento (IRR) pari al 18,15% e un Valore Attuale Netto (NPV) di 14,9 M€. L’analisi di sensitività ha inoltre mostrato come il progetto sia robusto rispetto alle incertezze sui costi di investimento, ma risulti sensibile alle variazioni dei prezzi di vendita dei prodotti, confermando la fattibilità tecno-economica della pirolisi del Plasmix.