A LA REUNION 974 – LE PROTOTYPE PTO DE TRANSFORMATION DES DECHETS PLASTIQUES EN CARBURANTS CREE PAR LE L2REA ENTRE EN PHASE DE TESTS

PROTO PTO 1
LE PROTOTYPE PTO

Notre prototype de transformation des plastiques usagés en carburants automobile est en cours d’achèvement.

Le prototype PTO (Plastic To Oil) est conçu et construit par le L2REA pour l’étude et l’optimisation du processus de pyrolyse des déchets plastiques à grande échelle.

L’appareil est réalisé pour la pyrolyse de tous les plastiques( PE, PP et PS et leur mélange,etc…).

Seuls les PVC et ABS sont exclus car ces derniers contiennent des éléments chlorés qui peuvent émettre des substances toxiques.

Les produits sont séparés par leur point d’ébullition et recueillis sous forme de cire, de diesel, d’essence et de gaz non condensables. Le processus peut être contrôlé en modifiant les conditions de fonctionnement et la configuration du système pour atteindre la distribution de produits optimisée. Comme l’un des principaux objectifs de cette étude était de maximiser le produit de gamme de diesel, le processus sera optimisé vers une distribution haute de cette gamme. Ces carburants issus du plastique présentent quelques avantages par rapport au carburant standard : de par leur composition, ils ne contiennent pas de soufre.

Une exigence du système d’alimentation est d’empêcher l’entrée d’air dans le réacteur et que, de manière inverse, la vapeur de pyrolyse ne fuite pas du réacteur dans l’atmosphère ambiante.

En fonctionnement normal dans le réacteur, l’énergie transférée aux plastiques est égale à l’énergie requise pour la pyrolyse et la vaporisation. La masse du plastique introduit est la même que celle du plastique vaporisé. La température de fonte des plastiques reste également constante à proximité de la température de craquage. Le liquide est un mélange d’hydrocarbures avec divers poids moléculaires. Ce mélange doit être séparé par distillation en différentes fractions afin d’obtenir des produits liquides qui correspondent aux carburants liquides actuels. La fonction de la section de séparation sur le L’appareil consiste à séparer les hydrocarbures en différentes plages qui correspondent à des produits de détail tels que le diesel, l’essence, la cire et le GPL.

Des études ont été réalisées par l’Université de CANTERBURY à Christchurch en Nouvelle-Zélande. Selon les points d’ébullition des fractions obtenues à partir d’expériences antérieures, les produits peuvent être séparés en quatre groupes: hydrocarbures plus lourds que le diesel (cire), hydrocarbures dans la gamme du gasoil, les hydrocarbures plus légers que le diesel (Essence); et les gaz non condensables (GPL) .

La distribution des produits à partir de la pyrolyse des plastiques est de 89,03% en % de poids total de produits condensés et moins de 0,1% de mélange solide de charbon pur dans le réacteur. Le reste de la charge, 10,87% en % de poids, sont les gaz non condensables.

 

Voici les résultats obtenus par l’université sur la distribution des produits condensables en utilisant des plastiques vierges ou issus de déchets et un reflux important ou bas. On notera que les plastiques usagés (b) présentent très peu de différence de taux de production de carburant par rapport aux plastiques vierges (a,c,d), l’effet de l’utilisation, du recyclage et de la contamination n’ont donc pas d’incidence:

Sans titre

En travaillant sur la température de la colonne de reflux, on obtient donc 36% d’essence, 51% de diesel et 13 % de cire (paraffine) .

NOTA :

  • Les rendements peuvent en outre être modifier selon les fractions désirées.
  • Si l’on désire obtenir d’avantage de diesel, il suffit de traiter de nouveau les cires dans le réacteur et de relancer le processus pour obtenir du gaz-oil.
  •  Si l’on désire obtenir d’avantage d’essence, il suffit de traiter de nouveau le diesel ou les cires dans le réacteur et de relancer le processus pour obtenir les fractions plus légères.
  • L’utilisation des PVC qui contiennent des composés chlorés peut être envisager en effectuant une déchloration (non prévue à l’état actuel), en remplaçant l’eau du container récepteur de carburant par une solution aqueuse d’hydroxyde de calcium ou de carbonate de calcium.
  • Afin d’obtenir des caractéristiques semblables aux carburants de raffinerie , Il est nécessaire de rajouter un additif dont le coût par litre de carburant traité est entre 0.05 et 0.1 euro.
  • bidon de 1 gallon(3.78litres) pour 1100 litres de carburant).

DOCUMENTATION SCIENTIFIQUE DU PROCEDE

Les plastiques et les carburants dérivés du pétrole sont des hydrocarbures contenant des éléments de carbone et d’hydrogène. La différence entre eux est que les molécules de plastique ont des chaînes de carbone plus longues que celles des carburants GPL, essence et diesel. Par conséquent, il est possible de convertir les déchets plastiques en carburants.

Des études ont été réalisées dans de nombreux pays afin de comprendre les processus de transformation en carburants. La pyrolyse du polyéthylène (PE), du polypropylène (PP) et du polystyrène (PS) a été étudiée à la fois théoriquement et expérimentalement dans des réacteurs de pyrolyse à l’échelle du laboratoire.

Les facteurs clés ont été étudiés et identifiés. La température de craquage pour le PE et le PP dans la pyrolyse est de 450 ºC, mais celle de PS est plus basse, à 320 ºC. Une température de réaction élevée et une vitesse de chauffage peuvent favoriser de manière significative la production d’hydrocarbures légers. Un temps de séjour prolongé favorise également le rendement des produits hydrocarbonés légers. Les effets d’autres facteurs tels que le type de réacteur, le catalyseur, la pression et le taux de reflux ont également été étudiés.

D’après ces études, la réaction de pyrolyse comprend trois étapes progressives: initiation, propagation et terminaison.

La réaction d’initiation fissure les grosses molécules de polymère en radicaux libres. Les radicaux libres et les espèces moléculaires peuvent être davantage fissurés en plus petits radicaux et molécules pendant les réactions de propagation. La β-scission est la réaction dominante dans les réactions de propagation du PE. Enfin, les radicaux se combineront en molécules stables, qui sont des réactions de terminaison.

Il existe 2  types de fissuration des polymères: le craquage aléatoire et le craquage de la chaîne.

La fissuration majeure sur le squelette moléculaire du polymère est un craquage aléatoire.

Une certaine fissuration se produit aux extrémités des molécules ou des radicaux libres, ce qui est la fissuration de la chaîne terminale. Certains polymères ont un groupe latéral fonctionnel réactif sur leurs squelettes moléculaires. Les groupes fonctionnels vont rompre l’épine dorsale, qui est la fissuration de la bande de chaîne. Le craquage de la bande de chaîne est la réaction de craquage dominante pendant la pyrolyse du polystyrène.

La cinétique de réaction a été étudiée dans cette étude. L’énergie d’activation et les besoins en énergie pour la pyrolyse dépendent du processus de réaction et de la distribution des produits finaux. Suivant les équations d’autres littératures, l’exigence énergétique théorique pour pyrolyser 1 kg PE est de 1,047 MJ. Le pouvoir calorifique estimé des produits est d’environ 43,3 MJ / kg. Par conséquent, le bénéfice énergétique est très élevé pour ce processus.

Les produits de pyrolyse PE sont principalement des 1-alcènes, des n-alcanes et des α, ω-dialkènes allant de C1 à C45 +. Les 1-alcènes et les n-alcanes ont été identifiés avec une méthode spéciale développée dans cette recherche. Il a été constaté que le processus de craquage secondaire a une influence significative sur la distribution du produit.

Ce procédé convertit les hydrocarbures lourds en gaz ou produit liquide léger et réduit significativement les 1-alcènes et les α, ω-dialkènes. Ce processus secondaire peut être contrôlé en ajustant le taux de reflux du produit primaire.

Le produit de la pyrolyse de PE avec la sortie maximisée de gamme de diesel se composent de 18,3% de gaz non condensables, de 81,7% de produit liquide et de moins de 1% de carbone pur sous un processus de taux de reflux élevé.

Certains catalyseurs de zéolite ont été testés pour réduire la cire de masse moléculaire lourde. Il a été trouvé que NKC-5 (ZSM-5) était le catalyseur le plus efficace parmi les zéolites testées. La proportion des gaz non condensables a été promue de 17% en % de poids à 58% en % de poids en ajoutant 10% en poids de NKC-5 dans la charge d’alimentation PE. Les produits de pyrolyse PP sont principalement des méthyl-oligomères.

L’effet de reflux sur le produit de la pyrolyse du PP n’est pas aussi important que celui du PE. Le produit de pyrolyse PP à fort taux de reflux est constitué de 15,7% de gaz non condensables, de 84,2% de produit liquide condensé et de moins de 0,25% de charbon. Le cyclohexane est le composant dominant, 21% en % de poids dans le produit liquide. 44% en % de volume des gaz non condensables est le propène.

Dans le produit de pyrolyse de PS, il y a 4% de gaz non condensables, 93% de liquide et 3% de charbon. Le styrène représente 68,59% en % de poids dans les produits de pyrolyse liquide PS en raison des réactions en bande de chaîne. Il y avait 19% en % de volume d’hydrogène dans le produit gazeux, qui n’existait pas dans le produit de pyrolyse du PE. La composition du charbon est presque du carbone pur, similaire à celui de la pyrolyse du PE. Le mélange de PE, PP et PS vierges et post-consommation a également été étudié pour identifier l’interaction de la charge et l’effet de la contamination sur le produit.

L’interaction favorise la production de gaz non condensables. Cependant, l’effet de l’interaction sur la distribution du produit total n’est pas significatif. La contamination des étiquettes de papier sur les plastiques post-consommation peut entraîner des résidus solides plus élevés dans le produit, mais aucun effet significatif sur le produit n’a été trouvé dans cette étude.

Sur la base des réalisations, un réacteur semi-continu a été conçu et construit à une capacité maximale de 27,11 kg / h dans cette recherche.

A partir des expériences de pyrolyse à la fois du PE vierge et du PE post-consommateur sur ce réacteur de pyrolyse à semi-échelle, on a trouvé que les principaux composants sont les 1-alcènes, les n-alcanes et les dialkènes α, ω. La distribution des produits condensés de la pyrolyse de PE à partir du réacteur à semi-échelle est la même que celle des produits provenant du procédé à faible taux de reflux avec le réacteur à l’échelle du laboratoire.

Cependant, la proportion de gaz non condensables est beaucoup plus élevée que celle de la pyrolyse dans les tests à l’échelle du laboratoire avec un faible taux de reflux parce que l’unité de production à demi-échelle a une température de réaction et une vitesse de chauffage plus élevées. Une proportion plus faible d’hydrocarbures insaturés a été trouvée dans le produit condensé provenant de la pyrolyse du PE après consommation que dans le produit PE vierge à cause de la contamination du PE après la consommation.

La consommation d’énergie réelle pour craquer et vaporiser le PE dans les carburants est de 1,328 MJ / kg, soit moins de 3% du pouvoir calorifique des produits de pyrolyse. Par conséquent, la technologie de pyrolyse a un bénéfice énergétique très élevé, 42,3 MJ / kg PE, et est respectueux de l’environnement.

Les carburants produits sont de très haute qualité et proches des carburants liquides dérivés du pétrole commercial.

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