Revalorización energética de residuos plásticos urbanos mediante pirólisis: estudio termodinámico, experimentación, aplicación y usos
- Autores: Paul Palmay Paredes
- Directores de la Tesis: Alberto Coronas Salcedo (dir. tes.), Juan Carlos Bruno Argilaguet (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Número de páginas: 187
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Soledad Larrechi García (presid.), María del Carmen Martín González (secret.), Trino Javier Romero (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Termodinámica de Fluidos por la Universidad de Burgos; la Universidad de Santiago de Compostela; la Universidad de Valladolid y la Universidad Rovira i Virgili
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
- español
Debido a la constante y creciente demanda anual de plásticos, se prevé para el año 2040 alcanzar una generación de residuos plásticos cercano a los 70 millones de toneladas. Este es un problema ambiental latente y de gran preocupación en muchos países con una pobre cultura de reciclaje o ineficientes políticas de gestión de residuos. En este sentido se hace imperativo la búsqueda de tecnologías que ayuden a la disminución del impacto ambiental generado por la disposición final de este tipo de residuos. Dentro de estas alternativas tecnológicas se encuentran los métodos para la recuperación de residuos plásticos, como son el reciclado químico por pirólisis. Esta es una alternativa prometedora y viable para la conversión de macromoléculas hidrocarbonadas en productos de bajo peso molecular y fracciones que pueden ser utilizadas como combustibles alternativos, consiguiendo una recuperación energética a partir de plásticos. Es así que, el presente estudio tiene como objetivo la revalorización energética de residuos plásticos urbanos mediante pirólisis para lo cual de una forma experimental se contempla cuatro etapas en las que se fundamentó el trabajo de investigación y que van desde el análisis y caracterización de residuos plásticos hasta el empleo final del aceite pirolítico obtenido. En este análisis, primero se realizó un muestreo de residuos sólidos plásticos en la ciudad de Riobamba – Ecuador, para un posterior análisis de la termodinámica de la reacción de degradación de los diferentes plásticos, a continuación, se realizó un estudio experimental mediante pirólisis térmica y también catalítica mediante un catalizador regenerado y reciclado de otros usos. Por último, después del estudio de las propiedades fisicoquímicas del combustible obtenido, se realizó un análisis experimental de aplicaciones industriales que se le puede dar al aceite pirolítico, su empleo en mezclas combustibles para reducir el empleo de combustibles no renovables y para mejorar las propiedades de combustibles pesados.
El muestreo de los residuos sólidos se llevó a cabo mediante un muestreo completamente aleatorio durante tres meses por diez días por mes, con el fin de determinar un procedimiento de limpieza y caracterización de dichos residuos. De esto, se obtuvo una muestra compuesta con un peso final de 45 kg, de los cuales el 59.48% de las muestras se podía identificar o permanecía la codificación del tipo de plástico a la que pertenece, mientras que el 40.52% restante no posee codificación o se ha perdido la figura de identificación. De este muestreo se pudo conocer que el 35.7% corresponde a Polietileno Terftalato (PET), el cual, de acuerdo con información revisada, es el plástico de más fácil y mayor porcentaje de reciclado, seguido del Polietileno (PE) con un 47% entre PE de alta y de baja densidad, también se tiene un 25.8% de polipropileno (PP) y por último, un 22.8% de poliestireno (PS), estos dos últimos plásticos son los que presentan un mayor porcentaje en los plásticos no identificados o por identificar.
Mediante termogravimetría se estudió la reacción de degradación de las diferentes muestras. Para el modelado del proceso de degradación se plantearon diferentes modelos isoconversionales para determinar el mejor de estos y poder realizar el cálculo de los parámetros cinéticos y a partir de estos, los parámetros termodinámicos. Las temperaturas máximas de degradación que se obtuvieron se encuentran en el rango de 350 a 450°C.
Posteriormente se realizó la pirólisis térmica de PP, PS y PE en el rango de temperaturas antes mencionado en intervalos de 25°C. El resultado de la pirólisis es una fracción líquidas (bio-oil) y con un buen rendimiento a temperaturas de 400°C. Se obtuvieron fracciones líquidas del 81.4% para PS, 32% para PP, 68% para PE. Para el caso de mezclas de plásticos, los rendimientos más altos de fracción líquida se obtuvieron en aquellas mezclas que contenían PS en su composición, siendo la de mayor rendimiento la mezcla de 75% de PS y 25 % PP, con un 82.5%. Es importante mencionar que los productos obtenidos en todos los casos presentan un poder calórico superior a 40 MJ/kg. El análisis de las propiedades fisicoquímicas muestra, como se mencionó anteriormente, que el aceite pirolítico es una mezcla de hidrocarburos donde predominan los compuestos de bajo peso molecular. La presencia de PS que aporta compuestos aromáticos en la estructura, genera un punto de inflamación por debajo de 25°C en la mayoría de casos, una viscosidad dinámica baja y un poder calórico alto, por lo que se planteó el uso del aceite pirolítico proveniente del PS como agente fluidizante de fuel oil. Por otra parte, el aceite proveniente de la mezcla de PS con PP por sus características más similares al diésel se plantea su uso como aditivo en mezclas con diésel hasta un 10%.
Se concluye, por tanto, que el aceite de PS presenta un buen corte de viscosidad sin alterar el poder calórico del fuel oil, convirtiéndose en un buen candidato como reemplazo del solvente “cutter stock” que se usa comúnmente para esta aplicación. Por otro lado, se ha demostrado experimentalmente que el uso de la mezcla de PS y PP en adición al diésel comercial, en un quemador industrial, no presenta problemas de operación y tiene un comportamiento similar a la del combustible convencional. En cuanto a las pruebas como aditivo en un motor de combustión interna, la presencia del aceite pirolítico genera un aumento de la potencia del motor medido dinamómetro de rodillos y una disminución en emisiones sobre todo en mezclas del 2 a 5% en bio-oil. En resumen, la combinación del bio-oil, ya sea como fluidificante en fuel-oil o como componente en mezclas con diésel mejoran las propiedades en general del combustible sin perturbar el correcto funcionamiento de los procesos industriales de combustión, contribuyendo al cierre de la economía circular de los productos plásticos mediante su revalorización energética. El impacto de esta revalorización se muestra a modo de ejemplo en un caso de estudio en el capítulo final de la tesis en el que se demuestra la capacidad de los residuos plásticos de la ciudad de Riobamba para cubrir parcialmente las necesidades de una industria cerámica.
- català
La piròlisi és una tecnologia molt important i en desenvolupament per a un aprofitament energètic de residus plàstics urbans, aquest estudi té per objecte l'experimentació de la piròlisi tant tèrmica com catalítica de residus plàstics urbans i especialment l'experimentació de l'ús de la fracció líquida obtinguda en aplicacions industrials. Per a l'efecte, es va realitzar un demostrat a l'abocador d'escombraries de la ciutat de Riobamba-Equador dels residus sòlids durant 10 dies per tres mesos, per a la seva classificació i caracterització posteriors. Mitjançant termogravimetria s'analitza la cinètica i termodinàmica de la reacció de degradació, cosa que proporciona informació de la temperatura màxima de degradació i la tendència més gran a la durada d'un plàstic o un altre. Posteriorment, s'experimenta en un reactor tipus batch a baixes temperatures i es determina el millor plàstic o mescla de plàstics en funció del rendiment de la fracció líquida i les propietats fisicoquímiques, addicional a això, s'analitza la possibilitat d'un catalitzador regenerat FCC per a piròlisi catalítica mitjançant regeneració química i tèrmica. Analitzades les propietats es planteja l'ús d'aquest oli pirolític en aplicacions industrials, aconseguint prop de 4000 quilograms diaris de polipropilè i poliestirè, dels quals es poden produir 1632 quilograms d'oli pirolític refinat per a ús en aplicacions industrials. L'oli obtingut a partir de poliestirè es va aplicar com a fluiditzant de fuel oil en reemplaçament de cutter estoc donant excel·lents resultats de disminució de viscositat i bona estabilitat mantenint el seu poder calòric; mentre que la barreja de 25% de polipropilè i 75% de poliestirè genera un oli pirolític amb característiques més properes al dièsel pel que es va plantejar com a additiu mostrant un bon comportament en un cremador industrial, igual que va presentar bons resultats en funcionament en un motor.
- English
Pyrolysis is a very important and developing technology for the energetic use of urban plastic waste. The present study has as its objective the experimentation of both thermal and catalytic pyrolysis of urban plastic waste and especially the experimentation of the use of the liquid fraction obtained in industrial applications. For this purpose, a demonstration was carried out in the garbage dump of the city of Riobamba-Ecuador of the solid waste during 10 days for three months, for its subsequent classification and characterization. By means of thermogravimetry, the kinetics and thermodynamics of the degradation reaction are analyzed, which provides information on the maximum degradation temperature and the greater tendency to the duration of one plastic or another. Subsequently, experiments are carried out in a batch reactor at low temperatures and the best plastic or mixture of plastics is determined according to the yield of the liquid fraction and its physicochemical properties. In addition, the possibility of a regenerated FCC catalyst for catalytic pyrolysis by means of chemical and thermal regeneration is analyzed. Once the properties are analyzed, the use of this pyrolytic oil in industrial applications is proposed, reaching about 4000 kilograms per day of polypropylene and polystyrene, from which 1632 kilograms of refined pyrolytic oil can be produced for use in industrial applications. The oil obtained from polystyrene was applied as a fuel oil fluidizer in replacement of cutter stock giving excellent results of viscosity decrease and good stability maintaining its caloric power; while the mixture of 25% polypropylene and 75% polystyrene generates a pyrolytic oil with characteristics closer to diesel, so it was used as an additive showing a good behavior in an industrial burner, as well as good results in operation in an engine.
- español
