Purification of recovered carbon black from waste tires pyrolysis

Abstract

The increasing concern with environmental protection has led companies to continuously adopt more sustainable practices during their operation. The mission of BB&G-AWES company is the thermal conversion of residues, in particular end-of-life tires, in the circular economy scope. The patented process allows the production of three products - fuel, syngas and recovered carbon black (rCB). Besides the residues’ valorisation, the process enables the reduction of the consumption of fossil fuels for the production of carbon black (CB). This dissertation is the result of a partnership between BB&G-AWES and the University of Aveiro, aiming the following main goals: i) implementation of characterization methods for the rCB, defined by the characterization standards for CB; ii) study the influence of the operating conditions of BB&G-AWES pilot unit on the produced rCB quality; iii) adaptation of the unit and definition of the treatment/purification conditions of low-quality rCB. The rCB samples produced in the company for different conditions of temperature (500 to 600 ºC) and residence times (11 to 14 min) were characterized regarding the particle size distribution, morphology, chemical composition, volatile content, ash content and thermal behaviour. The results allowed the validation of the analytical procedures and to conclude that the rCB produced has high quality, especially regarding the organic volatile content with toluene transmission values above 98 % for the samples produced at 525, 550 and 600 ºC and 95 % for the 500 ºC sample. The pilot unit was adapted to thermally purify the rCB samples with high levels of organic contamination (ca. 18 wt.%). The method was studied in a temperature range from 450 to 600 ºC, with residence times between 11 and 15 min. For each one of these conditions, a significative reduction of the organic volatiles content was verified, reaching values inferior to 1 wt.% for the treatment assays at 600 ºC and around 2 wt.% for the 450 and 550 ºC assays. The efficiency of the thermal treatment was also confirmed by the toluene transmission values that went from 0.01 % (non-treated rCB) to being superior to 98.5 % for the treatments at 600 ºC. Overall, the obtained results allow the recognition of the operating temperature as the parameter with most impact on the quality of the purified rCB.

A crescente preocupação com o ambiente leva a que as empresas adotem práticas cada vez mais sustentáveis durante a sua operação. A empresa BB&G-AWES tem como missão a conversão térmica de resíduos, em particular pneus em fim-de-vida, no âmbito da Economia Circular. O processo patenteado permite a produção de três produtos - combustível, gás de síntese e negro de fumo recuperado (rCB). Além da valorização de um resíduo, o processo possibilita a redução do consumo de combustíveis fósseis usados para produção de negro de fumo. Esta dissertação foi realizada no âmbito de um projeto de colaboração entre a BB&G-AWES e a Universidade de Aveiro, com os principais objetivos seguintes: (i) implementar dos métodos de caracterização para o rCB, definidos com base nas normas de caracterização do negro de fumo; (ii) relacionar a qualidade do rCB produzido na unidade piloto da BB&G-AWES com as condições operatórias; (ii) adaptar a instalação e definir as condições de tratamento / purificação de rCB de baixa qualidade. As amostras de rCB produzido na empresa para diferentes condições de temperatura (500 a 600 ºC) e tempos de residência (11 a 14 min) foram caracterizadas quanto à distribuição do tamanho de partículas, morfologia, composição química, teor de voláteis, teor de cinzas e comportamento térmico. Os resultados permitiram validar os procedimentos analíticos e concluir que o rCB produzido tem elevada qualidade, em especial no que concerne ao teor de compostos orgânicos voláteis com valores de transmitância em tolueno superiores a 98 % para as amostras produzidas a 525, 550 e 600 ºC e 95 % para amostra de 500 ºC. A unidade piloto foi adaptada para purificar termicamente as amostras de rCB com elevado nível de contaminação orgânica (ca. 18 % m/m). O método foi estudado numa gama de temperaturas entre 450 e 600 ºC, com tempos de residência entre 11 e 15 min. Para qualquer uma destas condições verificou-se uma redução significativa do teor de compostos orgânicos voláteis, atingindo-se valores inferiores a 1 % m/m para os ensaios de tratamento a 600 ºC e cerca de 2 % m/m para os ensaios a 450 ºC e 550 ºC. A eficácia do tratamento térmico foi também comprovada pelos valores da transmitância em tolueno, que passou de 0,01 % (rCB não tratado) para valores superiores a 85 % (rCB tratado), sendo superiores a 98,5 % no caso dos tratamentos a 600 ºC. No global, os resultados obtidos permitem inferir que a temperatura de operação é o parâmetro com maior impacto na qualidade do rCB purificado.