Ανάπτυξη ολοκληρωμένου συστήματος πυρόλυσης χρησιμοποιημένων ελαστικών με ενεργειακή αξιοποίηση για την παραγωγή ανθρακούχων υλικών: πειραματική μελέτη, σχεδιασμός και κλιμάκωση μεγέθους

Abstract

Aim of the present thesis is the study of End of Life Tyres (ELTs) pyrolysis, towards the evaluation of the obtained experimental results, not only for the understanding of the process but also for the design, construction and operation of an integrated ELTs pyrolysis system of pilot scale, continuous operation and capacity of 20kg hr-1, for the production of energy and carbonaceous products. These actions are targeted to the scale up of the ELTs pyrolysis process, from laboratory to pilot and eventually to industrial scale, highlighting not only the problems and technical barriers that hinder the wider application of such a project, but also the solutions, through innovative proposals regarding the valorization of the obtained products, aiming at the substantial strengthening of the integrated ELTs pyrolysis system’s viability.Initially, in this thesis the findings of extensive literature reviews on the physicochemical characteristics of ELTs, ELTs pyrolysis products and Activated Carbon (AC) derived from ELTs pyrolysis char were presented. Following, the experimental study of the thermochemical conversion of ELTs, through pyrolysis, performed in a laboratory scale operation was documented. The study aimed at the identification of the effect of process parameters on product yields and product characteristics. Laboratory scale ELTs pyrolysis was performed on a fixed bed quartz pyrolysis reactor. The study concluded that at 550 °C the thermochemical conversion was completed. The maximization of solid product yield was achieved using ELTs particles of diameter ranging from 15-20 mm, whereas the heating rate and residence time were selected to be 20 °C min-1 and 10 min, respectively. Under these conditions, both the gas and liquid fraction exhibited high calorific values. The obtained pyrolysis char exhibits qualitative characteristics comparable to low-grade carbon blacks.Subsequently, the study of activation of ELTs pyrolysis char was performed on a fixed bed reactor, using steam as activation agent. The experimental results indicate that when activation was performed at 820 °C for a residence time of 30 min, the specific surface area of pyrolytic char increased eightfold. For comparison, chemical activation of ELTs pyrolysis char using KOH as activating agent was performed, in a fixed bed reactor.Following, the results obtained from laboratory scale pyrolysis were used for the design, manufacturing and ultimately the operation of a pyrolysis unit of pilot scale. Pyrolysis products yields and characteristics were found comparable to those obtained from laboratory scale pyrolysis. The findings of this thesis highlight the potentials for the alternative valorization of ELTs, via pyrolysis, in a pilot scale reactor in a continuous and energy sustainable operation. The obtained solid product can either be used as a substitute for commercial low-grade carbon blacks or, can be further upgraded into AC, able to be used on several environmental depollution applications.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη της πυρόλυσης Ελαστικών στο Τέλος του Κύκλου Ζωής τους (ΕΤΚΖ), με απώτερο στόχο την αξιολόγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων, τόσο για την κατανόηση της διεργασίας, όσο και για τον σχεδιασμό, κατασκευή και λειτουργία ολοκληρωμένου συστήματος πυρόλυσης ΕΤΚΖ, πιλοτικής κλίμακας, συνεχούς λειτουργίας, δυναμικότητας 20kg hr-1, για την παραγωγή ενέργειας και ανθρακούχων προϊόντων. Οι ανωτέρω δράσεις έχουν σαν σκοπό την κλιμάκωση μεγέθους της διεργασίας πυρόλυσης ΕΤΚΖ, από εργαστηριακό σε πιλοτικό και τελικά σε βιομηχανικό επίπεδο, εκθέτοντας όχι μόνο τα προβλήματα και τα τεχνικά εμπόδια που αναστέλλουν την ευρύτερη εφαρμογή ενός τέτοιου εγχειρήματος, αλλά και τους τρόπους επίλυσης αυτών, μέσω καινοτόμων προτάσεων για την αξιοποίηση των παραγόμενων ρευμάτων, στοχεύοντας στην ουσιαστική ενίσχυση της βιωσιμότητας του ολοκληρωμένου συστήματος πυρόλυσης.Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής αρχικά πραγματοποιήθηκε ευρεία βιβλιογραφική ανασκόπηση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των ΕΤΚΖ, των προϊόντων πυρόλυσης ΕΤΚΖ και των φυσικοχημικών και προσροφητικών ιδιοτήτων των Ενεργών Ανθράκων (Ε.Α.) που προέρχονται από πυρολυτικό εξανθράκωμα ΕΤΚΖ.Ακολούθησε η πειραματική μελέτη της θερμοχημικής μετατροπής μέσω πυρόλυσης των ΕΤΚΖ σε εργαστηριακής κλίμακας αντιδραστήρα σταθερής κλίνης, προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση των κυριότερων λειτουργικών παραμέτρων στη σύσταση και απόδοση των προϊόντων πυρόλυσης, με έμφαση στο παραγόμενο στερεό κλάσμα της διεργασίας. Η μελέτη κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η θερμοκρασία κατά την οποία η θερμοχημική μετατροπή ολοκληρώνεται είναι εκείνη των 550 °C. Για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης του εξανθρακώματος στους 550 °C, προτιμώνται τα ΕΤΚΖ να έχουν διαστάσεις μεταξύ 15-20mm, ο ρυθμός θέρμανσης να είναι χαμηλός (20°C min-1) και ο χρόνος παραμονής να είναι 10 min. Σε αυτές τις συνθήκες, λαμβάνεται αέριο και υγρό κλάσμα υψηλής θερμογόνου δύναμης. Το εξανθράκωμα πυρόλυσης εμφάνισε ποιοτικά χαρακτηριστικά ανάλογα με χαμηλότερης καθαρότητας carbon blacks.Στη συνέχεια, μελετήθηκε η διεργασία ενεργοποίησης του πυρολυτικού εξανθρακώματος ΕΤΚΖ. Η διεργασία πραγματοποιήθηκε σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης, χρησιμοποιώντας ατμό, ως μέσο ενεργοποίησης. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι η ενεργοποίηση στους 820°C για χρόνο παραμονής 30 min, αύξησε την ειδική επιφάνεια του πυρολυτικού εξανθρακώματος κατά 8 φορές. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε και χημική ενεργοποίηση του πυρολυτικού εξανθρακώματος με KOH, σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης.Σε επόμενη ενότητα της διατριβής, παρουσιάζονται οι ενέργειες για το σχεδιασμό, κατασκευή και λειτουργία πιλοτικής μονάδας πυρόλυσης ΕΤΚΖ, βάσει των εργαστηριακής κλίμακας αποτελεσμάτων. Τα αποτελέσματα από την πιλοτικής κλίμακας πυρόλυση κατέδειξαν ότι οι αποδόσεις και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των λαμβανόμενων προϊόντων είναι πανομοιότυπα με εκείνα, από την πυρόλυση εργαστηριακής κλίμακας.Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναδεικνύουν τη δυνατότητα εναλλακτικής ενεργειακής αξιοποίησης των ΕΤΚΖ μέσω της πυρόλυσης αυτών, σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης συνεχούς λειτουργίας σε μια ενεργειακά βιώσιμη διεργασία, εκμεταλλευόμενη το ενεργειακό φορτίο των λαμβανόμενων αερίων και υγρών προϊόντων. Το λαμβανόμενο στερεό προϊόν στη συνέχεια, προτείνεται να ενεργοποιηθεί για να αποτελέσει τελικά πορώδες υλικό, το οποίο δύναται να χρησιμοποιηθεί σε διεργασίες περιβαλλοντικής απορρύπανσης.