Production of diesel fuel from polyolefins by pyrolysis

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-08-24
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
78 + 13
Series
Abstract
Increasing consumption of plastics has demanded to seek new solutions for the treatment of accumulating waste. Pyrolysis is a chemical recycling method in which plastics are thermally degraded to more valuable products such as chemicals or fuels. The quality of pyrolysis products depends on many factors such as process conditions, reactor type and the quality of feedstock. Plastics are typically originated from the same feedstock as conventional fuels which makes them a desirable choice for pyrolysis treatment. However, they produce a wide spectrum of degradation products and can contain detrimental impurities that produce harmful compounds. With certain process choices and the utilization of catalyst, plastic can be converted to diesel range fuel. Catalyst with low acidity and high porosity is better suited to produce larger molecular compounds. The product can be further processed by various upgrading methods such as distillation, hydrogenation and the use of additives. The objective of the thesis was to find a route to convert polyolefins to diesel range fuel by pyrolysis. Experimental series was performed with a lab-scale batch reactor in order to seek the most promising catalyst and optimal process conditions. The catalysts tested were ZSM-5, montmorillonite and γ-alumina. The temperature was varied in a range of 500–550 °C. Based on the results, montmorillonite catalyst was chosen to be used in a larger, fluidized-bed unit in temperature range of 475–575 °C. GC/MS, GC/FID and simulated distillation were done to all products. The results showed that the catalyst shifts the product distribution towards lighter fraction. Average liquid yield was 75 wt.%. ZSM-5 catalyst produced high amount of gases and aromatic components. Montmorillonite and γ-alumina produced mainly liquid in a carbon length range of <C10 and C11–C21. Simulated distillation revealed that around 40 wt.% of the product was in a range of <C10. In fluidization-bed unit average liquid yield was 70 wt.%. Aliphatic content was 4-5 times higher than aromatic. The proportion of lighter components (<C10) accounted 30 wt.% in average. The yield for diesel range fuel increased at lower temperatures based on the simulated distillation. Montmorillonite catalyst yielded promising results and could be a potential candidate for future experiments.

Kiihtyvä muovinkulutus on luonut paineen keksiä uusia ratkaisuja kertyneen jätteen käsittelyyn. Pyrolyysi on kemiallinen kierrätysmenetelmä, jossa muovit voidaan saattaa termisen hajoamisen johdosta pyrolyysinesteeksi, jota voidaan jalostaa kemikaaleiksi ja polttoaineeksi. Pyrolyysinesteen tuotejakauma ja ominaisuudet riippuvat monista seikoista kuten prosessiolosuhteista, reaktorivalinnasta ja raaka-aineen laadusta. Muovit tyypillisesti valmistetaan samasta raaka-aineesta kuin perinteiset polttoaineet, jonka johdosta ne voisivat olla houkutteleva valinta pyrolyysiprosessiin. Muovit kuitenkin muodostavat laajan kirjon eri hajoamistuotteita ja voivat sisältää haitallisia epäpuhtauksia, jotka tuottavat hajotessaan myrkyllisiä yhdisteitä. Muovista voidaan tietyillä prosessivalinnoilla ja oikealla katalyytillä valmistaa polttoainetta, joka voitaisiin käyttää dieselmoottorissa. Etenkin katalyytti, jonka happamuus on alhainen ja huokoisuus suuri, soveltuu paremmin suurimolekyylisten yhdisteiden tuottamiseen. Tämä tuote voidaan jatkojalostaa eri menetelmin, kuten tislauksella, hydrauksella ja lisäaineiden käytöllä. Tämän työn tavoitteena oli löytää optimaalisin reitti valmistaa dieselpolttoainetta polyolefiineista pyrolyysin avulla. Koesarja tehtiin laboratoriomittakaavan panosreaktorilla, jolla etsittiin lupaavimmat olosuhteet ja katalyytti dieselpolttoaineen tuottamiseen. Testatut katalyytit olivat ZSM-5, montmorilloniitti ja γ-alumiinioksidi. Lämpötilaa varioitiin 500–550 °C välillä. Montmorilloniittikatalyytti valittiin jatkokokeisiin jotka toteutettiin leijupetireaktorilla 475–575 °C lämpötilavälillä. Kaikille tuotteille suoritettiin GC/MS, GC/FID ja simuloitu tislaus analyysit. Tulokset osoittivat, että katalyytti siirtää tuotejakaumaa kohti kevyempää jaetta. Kokeissa keskimääräinen nestesaanto oli 75 p-%. ZSM-5 katalyytti tuotti suuren määrän kaasuja ja aromaattisia yhdisteitä. Montmorilloniitti ja γ-alumiinioksidi tuottivat pääosin tuotetta hiilijakaumavälillä <C10 ja C11–C21. Simuloitu tislaus osoitti, että noin 40 p-% tuotteesta oli alueella <C10 p-%. Leijupetireaktorikokeissa keskimääräinen nestesaanto oli 70 p-%. Alifaattisten yhdisteiden pitoisuus oli 1–4 kertaa suurempi kuin aromaattisten. Kevyimpien komponenttien (<C10) osuus oli keskimäärin 30 p-%. Dieselpolttoaineen saanto parani alhaisemmissa lämpötiloissa simuloidun tislauksen perusteella. Montmorilloniittikatalyytillä saatiin kokeissa lupaavia tuloksia ja näiden perusteella se voisi toimia hyvänä kandidaattina suuremman mittakaavan koeajoihin.
Description
Supervisor
Alopaeus, Ville
Thesis advisor
Lindfors, Christian
Keywords
pyrolysis, polyolefins, diesel fuel, catalyst, thermal degradation, pyrolysis of plastic
Other note
Citation