Dynamic simulation and scenario-based analysis of a sustainable process for the conversion of tire pyrolysis char to Syngas

This thesis represents a significant step forward in designing, modeling, and optimizing a stationary process aimed at achieving carbon neutrality, known as the Reverse Boudouard-Fontana Process. This study focuses on the dynamic analysis of the process and the development of control strategies for producing syngas through the pyrolysis of end-of-life tires. This process innovates by using dry gasification with only \(CO_2\) as a gasifying agent and the water-gas shift reaction to maximize \(H_2\) and \(CO_2\). The process simultaneously promotes the purification of \(H_2\) and the capture and utilization of \(CO_2\). A kinetic analysis was necessary to validate the kinetic models found in the literature within the optimal operating range. The kinetic analysis was performed using MATLAB®, and the dynamic simulation and control strategy analyses were modeled using the AVEVA Dynamic Simulation® simulator. Integrating control strategies adjusts process variables to optimize plant start-up, shutdown, and emergency shutdown times. The results emphasized the importance of adopting an effective control strategy to ensure stable and optimal process management. Dynamic simulation showed that the process can be started up in approximately 1 hour and 45 minutes. The critical step is starting the reactor because dynamic modeling of heterogeneous gas-solid systems has not yet been thoroughly explored in the literature. This thesis highlights the strengths and critical issues of the process. The results form the basis for the pilot-scale implementation of this technology. Finally, despite the intensive energy requirements, the work demonstrates the process's feasibility through the integration of advanced control strategies and energy-saving techniques.

Questa tesi rappresenta il passo successivo alla progettazione, modellazione e ottimizzazione di un processo a livello stazionario, volto alla neutralità del carbonio, chiamato Processo Reverse Boudouard-Fontana. Il lavoro si focalizza sull'analisi dinamica del processo e sulla definizione di strategie di controllo per la produzione di syngas tramite char pirolitico di pneumatici a fine vita. L'innovazione consiste nell'adozione della gassificazione a secco, utilizzando esclusivamente \(CO_2\) come agente gassificante, e della reazione di water-gas shift per massimizzare la resa di \(H_2\) e \(CO_2\). Al contempo, il processo favorisce sia la purificazione di \(H_2\) che la cattura e l'utilizzo di \(CO_2\). È stato necessario condurre un’analisi cinetica per validare i modelli cinetici trovati in letteratura nel range operativo ottimale. L'analisi cinetica è stata realizzata con MATLAB®, mentre la simulazione dinamica e l'analisi delle strategie di controllo sono state modellate mediante il simulatore AVEVA Dynamic Simulation®. L'integrazione delle strategie di controllo ha lo scopo di regolare le variabili di processo per ottimizzare i tempi di avvio, spegnimento e spegnimento di emergenza dell'impianto. I risultati hanno evidenziato quanto sia essenziale adottare una strategia di controllo efficace per garantire una gestione stabile e ottimale del processo. In particolare, la simulazione dinamica ha mostrato che lo start-up del processo può essere fatto in circa 1ora e 45 minuti, dove lo step critico era l'avviamento del reattore dovuto al fatto che la modellazione dinamica di sistemi eterogenei gas-solido rappresenta un'area ancora poco esplorata in letteratura. La presente tesi ha l'obiettivo di evidenziare i punti di forza e le criticità del processo. I risultati ottenuti costituiscono le fondamenta per l'implementazione su scala pilota di questa tecnologia. Infine, seppur la richiesta energetica sia intensiva, il lavoro evidenzia la fattibilità del processo attraverso l’integrazione di strategie di controllo avanzate e tecniche di risparmio energetico.