JP2004506780A - ゴム等の炭化水素材料の低エネルギー熱分解方法 - Google Patents

Abstract

ゴムその他の炭化水素材料の低エネルギー熱分解方法を提供する。炭化水素材料は、真空に維持されながら、粘土触媒を用いて加熱される。更なる実施例として、反応チャンバー内での反応チャンバーの温度及び対応する燃料投入量は、反応の発熱性を利用するため、時間的又は空間的に可変である。本発明の方法を用いることにより、高品質の固体反応生成物を得ることができ、多環芳香族炭化水素及び酸化有機汚染物の少ない液体を得ることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【関連出願の記載】
本出願は、２０００年８月１０日に出願された仮出願第６０／２２４，４０５号及び２０００年８月１０日に出願された仮出願第６０／２２４，０２９号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づく優先権を主張し、２００１年８月１０日に出願された米国特許出願「ゴム等の炭化水素材料の低エネルギー熱分解方法」の一部継続出願である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゴム、コール、タールサンド等のような炭化水素材料の低エネルギー熱分解方法に関するものである。本方法は、粘土質触媒を用い、低エネルギー入力を達成するために負圧にし、改良された固体炭素質材料、オイル、及び可燃性ガス生成物を作製するものである。システムは、発熱反応という利点を生かし、必要なエネルギーを最適化できるようにするために、エネルギー入力を考慮した構成としている。
【０００２】
【発明の背景】
アメリカ合衆国では、各人が、１年間に約１本のタイヤを廃棄する。廃棄されたタイヤは、再生タイヤを除いて、１９９０年だけで全国で約２４２百万本蓄積されている。廃棄タイヤのうち、固体廃棄物の流れで処理されるのは極く一部であり、大部分はその処分が問題となっている。廃棄タイヤの焼却炉が多く設計されているが、焼却では、タイヤからでる化学物質のエネルギーの経済的な回収を最大化できないことがある。
【０００３】
殆んどのタイヤは、埋立地又はタイヤ保管場所で処分される。しかしながら、すべての廃棄タイヤを埋立地で処分することは困難である。廃棄タイヤは、ガスを集めたり、齧歯動物、蛇や蚊の隠れ場所となったり、火災の危険を引き起こす。また、廃棄物が投棄されて堆積すると、時間の経過と共に埋立地の上方に漂いやすい。それにもかかわらず、埋立て、投棄などの違法な処分が、廃棄タイヤの主な処理方法として続けられている。
【０００４】
熱分解は、有機材料の無酸素下での有機物質の加熱を伴うから、有機物質は、分子的により単純で小さな有機化合物に変換される。廃棄タイヤのような有機廃棄物が原料であると、この処理による生成物には、チャー又はカーボンブラック、オイル及びガスが含まれる。１８３０年代初めには、木材から液体生成物を製造するのに熱分解の早期適用が商業的な成功を納めている。コールの熱分解からコークを製造することは、今日では最も一般的な技術となっている。１８３８年に木材防腐剤としてクレオソートが導入された後、クレオソートオイルを製造するために木材の熱分解が広く用いられている。１８００年代の中頃には、米国のあらゆる地域で、コール及びオイルシェールの熱分解によってオイルを作ることは一般的になった。１８７９年に電球が発明されるまで、照明用ガスを製造する熱分解工場は世界的に普及した。
【０００５】
熱分解処理は、バッチ式供給システムと連続供給システムの何れかで操業することができる。バッチ式供給システムは、１回に１チャージ分の原料を処理するものである。バッチ式熱反応器内で所定時間滞留させた後、固体生成物及び残留物を除去する。一方、連続供給システムでは、原料は、運搬されて熱反応器を通過し、固体生成物及び残留物は連続的に排出される。
【０００６】
熱分解は、熱を加えることによって化学結合を破壊し、有機化合物を分解及び気化するメカニズムを有している。廃棄ゴムや他の炭化水素を熱分解するシステムの多くは、操業温度の範囲が約４８０^ｏＦ〜１７４０^ｏＦと報告されている。約４８０^ｏＦを越える温度では、切り刻まれたタイヤから放出される液体オイル生成物やガスは増大する。７５０^ｏＦを越えると、処理の種類によっては、オイル及び固体タイヤに由来するチャーの生成は、ガスの発生に比べて減少することがある。タイヤは、８０％以上のカーボンと水素を含んでおり、これらの成分は、固体、液体及びガス状の熱分解生成物の主な構成要素である。タイヤの熱分解は、炭素−炭素結合に加えて、硫黄−炭素及び硫黄−硫黄結合を破壊する必要がある。
【０００７】
タイヤや他の固体有機原料を用いる多くの熱分解処理によって製造される固体生成物は、「タイヤ由来チャー」、「タイヤ由来カーボンチャー」、又は、カーボンブラックと呼ばれている。この固体生成物は、よりグレードの高いカーボンブラックを製造するためにさらに処理及び清浄化されるか、直接市販される。カーボンブラックは、粒子の大きさ、表面積、平均アグリゲート質量（ａｖｅｒａｇｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｍａｓｓ）、粒子の分布、アグリゲート質量の分布、ストラクチャー、及び、化学組成が異なり、これらの特性に基づいて工業規格に等級が定められている。工業規格に適合させることが、タイヤ由来カーボンブラックの市場性を決定する。例えば、中間的品質のバージンカーボンブラック（未再生）は、一般にゴム製品に用いられるが、グレードの低いものは、ホースやソリッドゴムタイヤ（スチールベルトなし）に用いられる。高純度のカーボンブラックは、トナーや電子センサーに用いられる。
【０００８】
カーボンブラックの表面積は、品質と用途に対して実質的な影響を有しており、サブミクロン粒子を含むカーボンブラックは、体積に対する表面積の比が大きい。市販のカーボンブラックの平均粒子サイズは、低コスト熱カーボンの約５０００Åから最も高価な高級カラーペイントカーボンの約１００Åの範囲である。ストラクチャーも重要であり、ストラクチャーは、アグリゲートのサイズと形状、アグリゲートに対する粒子数、及び、それらの平均質量によって測定される。これらの特性は、アグリゲートとして詰め込まれる量や、バルク材料の空隙量に影響する。空隙量は、カーボンブラックのグレードを判断する基準の一つである。
【０００９】
一般的に、タイヤ由来カーボンチャーは、サイズ範囲が１０〜１００ミクロンの粒子を有するカーボンブラックを生成する。粒子サイズがこの範囲のとき、サブミクロン粒子を含む標準の低変動性（ｌｏｗ ｖａｒｉａｂｌｅ）カーボンブラックに代替可能な材料は制限される。しかしながら、用途によっては、大きな粒子サイズを含むカーボンブラックグレードを、例えば、プラスチックの耐候性の向上、制電性（ａｎｔｉｓｔａｔｉｃ）及び導電特性付与のために用いる場合がある。熱分解によって発生するチャー又はカーボンチャーはまた、燃料源として用いることもできる。
【００１０】
タイヤの熱分解により、ブタン、プロパン、メタン及びエタンなどの可燃性成分を含有するガスが生成される。ガスには一酸化炭素や二酸化炭素が多量に含まれるため、ガスを天然ガスと混合して販売することはできない。タイヤの熱分解システムにより、第６級燃料オイルと同等のオイルベースの液体も生成される。この液体は、タイヤ原料の有機物成分から由来する生成物の約３０〜５０％を占める。反応混合物は高温で水素が存在しないため、ゴム熱分解方法の多くは、多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）の高い液体を生成する。これら化合物は、環境中に放出されると、有害である。
【００１１】
当該技術分野では、粘土を触媒や焼付き防止剤（ｎｏｎ−ｓｔｉｃｋｉｎｇ ａｇｅｎｔ）として用いた多くの熱分解方法が知られている。例えば、米国特許第１，６８０，９０８号、第４，４６３，２０３号、第４，３００，００９号、第４，９４８，４９５号、第５，１１４，５４１号、第５，３５４，９３０号、第５，２３３，１０９号及び第５，１１４，５４１号を参照されたい。これらの方法は、２００℃〜８００℃（３９２^ＯＦ〜１４９２^ＯＦ）の高温で行われ、負圧／真空の条件下で行われるものではない。その他に、熱分解処理の調整によって、特定生成物の生成を促進することを試みた特許もある。例えば、米国特許第５，３５９，０６１号を参照すると、ゴムタイヤスクラップのようなエラストマーの熱分解において、分子ビーム質量分析技術を用いて、分解生成物の検出と処理パラメータの決定を行なうことが開示されている。
【００１２】
真空条件の利用を開示した特許は幾つかあるが、真空条件と触媒の使用の組合せを開示したものはない。例えば、米国特許第５，７２０，２３０号は、約３５０^ＯＦ〜６５０^ＯＦの温度及び１／２〜１インチ水銀の弱真空条件下での廃タイヤの熱分解方法を開示している。また、米国特許第４，７４０，２７０号は、約３６０℃〜４１５℃（６８０^ＯＦ〜７７９^ＯＦ）の温度及び大気圧よりも低い条件下で、真空熱分解によって使用済ゴムタイヤを処理する方法を開示している。
【００１３】
従来方法の多くは、ゴムタイヤの熱分解により生ずるカーボンブラックが、粒子サイズ、純度等の点で工業規格に適合しない。ゴムタイヤ及び炭化水素の熱分解についての上述したどの方法も、低温で行なわれるものではなく、より高品質のカーボンブラックや多環芳香族炭化水素の少ない液体オイルを反応生成物として生成することができない。
【００１４】
【発明の要旨】
本発明は、ゴム等の炭化水素材料の低エネルギー熱分解方法によって上記課題を解決するものであり、粘土と金属の触媒を用いて、炭化水素材料を真空条件下で加熱するものである。本発明の方法によれば、固体反応生成物の高品質化を達成することができ、カーボンブラックは、熱分解工程中に作り出されるのではなく、ゴムタイヤから放出される。本発明により生成される液体オイルは、他の方法と比較して、多環芳香族炭化水素、部分的に熱分解したゴム及び炭化水素材料の量を減少させることができる。負圧条件下で触媒を加えることにより、従来技術の他の方法よりも速い速度で処理を行なうことができる。さらに、反応が進行している間、オイルとガスをゴムの表面へ引き寄せることにより、オイルとガスを系からより簡単に除去することができる。粘土触媒を用いることにより、粘土の層内の反応サイトがもたらされ、このサイトでは、電子をゴム分子中の炭素及び硫黄分子と共有することができる。このような電子の共有により、隣り合う炭素−炭素、炭素−硫黄、及び／又は硫黄−硫黄の結合を歪ませる。このため、前記結合は不安定となり、エネルギーの低減、即ち熱分解の促進に必要な温度を低下させることができる。結合の破壊は、遊離基の生成、イオンの生成、イオンの分極を伴う。さらに、触媒は、結合に立体歪みを生じさせるから、開裂（ｃｌｅａｖａｇｅ）はより生じ易くなる。なお、金属ダストを前記粘土と一緒に用いると、反応をさらに高めることができる。
【００１５】
本発明のさらなる態様では、炭化水素材料の熱分解は、真空条件下にて、少なくとも第１段階、第２段階及び第３段階で行なわれる。反応の発熱的性質を利用することができるので、多くのエネルギーを導入する必要があるのは、第１段階と第３段階だけである。反応が進行するにつれて、特に反応の中間段階では、所望の反応温度を維持するのに必要な燃料を少なくすることができる。燃料投入量は、時間の経過によって調節される。調節は、時間的に連続する少なくとも３段階で行なうか、又は反応チャンバー内の空間的に連続する少なくとも３段階で行なうことができる。
【００１６】
連続的熱分解工程を用いる場合、燃料の投入又は温度は、反応チャンバー内の空間位置に応じて変えることができる。ゴム又は炭化水素材料は、螺旋状のオーガ又は同様な装置の作用によって反応チャンバーの中を移動する。反応チャンバーの入口部は、反応の第１段階（活性段階）に対応しており、反応の活性エネルギーを発生及び克服するのにより大きな熱入力が必要である。それゆえ、反応チャンバーの入口部は加熱される。ゴム又は炭化水素材料は、チャンバーの第１位置から第２の中間位置へ移動する。この第２の中間位置は、反応の第２段階（分解段階）に対応しており、ここでの反応は発熱であるから、反応の進行に必要な熱（燃料）の投入は少なくてよい。最後に、ゴム又は炭化物材料は第３の位置へ移動する。この第３の位置は、反応の第３段階（完了段階）に対応しており、ここでの反応は、完了に近い段階であり、ゆっくりと行なわれる。燃料投入量を増やして、熱分解工程を完了させる。
【００１７】
本発明の目的は、ゴム、タールサンド、コール又は他の炭化水素材料の熱分解を低エネルギーで行なう方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、真空条件と触媒を用いて、熱分解を低エネルギーで行なう方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、高品質の反応生成物を生成する熱分解を低エネルギーで行なう方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、反応の発熱性を利用して、燃料投入量を時間の経過又は空間位置に応じて変えるようにした低エネルギー熱分解方法を提供することである。
【００１８】
本発明の目的は、ゴムタイヤ及びその他炭化水素材料を、環境に安全な状態でリサイクルする方法を提供することである。
本発明のこれらの目的及びその他の目的は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲の記載から、容易に明らかになるであろう。
【００１９】
【望ましい実施例の詳細な説明】
本発明は、炭化水素材料の低エネルギー熱分解方法を提供するものであり、炭化水素材料を供給し、炭化水素材料を反応チャンバーに装入し、粘土と金属ダストの触媒を反応チャンバーに添加し、反応チャンバーを加熱するステップを含んでいる。この方法は、真空条件下で行われ、得られる反応生成物は、未分解の物質が極めて少なく、殆んどチャーがなく酸化されていない固体残留物と、殆んど酸化されておらず、多環芳香族炭化水素を含まない液体炭化水素生成物と、可燃性のガスを含んでいる。
【００２０】
本発明の触媒は、粘土−金属ダストを含んでいる。この触媒は、粘土触媒単独の場合と比べて、反応を完了するのに必要な熱投入量ををさらに少なくすることができる。反応を高めるために、アルミニウム（Ａｌ）及び／又はマグネシウム（Ｍｇ）の金属ダストを粘土に添加する。ここで、「ダスト」とは、Ｍｇの場合は約３２５メッシュ以下、Ａｌの場合は約２００メッシュ以下の粒子サイズを意味する。どちらか一方の金属を粘土と使用することはできるが、両方の金属を粘土と使用することが望ましい。一般的に、金属ダストは、［Ａｌ］：［Ｍｇ］：［粘土］が約［０．１〜２］：［０．１〜２］：［８］の比となるように添加される。望ましい比は約１：１：８である。金属は、炭化水素材料に添加する前に粘土と混合する。３成分の密度は類似しているので、混合物は、輸送や保管中に分離することはない。また、金属ダストは粘土によって希釈されるから、金属ダストの発火の危険性は減少する。金属は、系の中の少量の酸素を除去し、反応を促進するための熱を生ずるので、金属ダストの添加によって、反応は高められると考えられる。なお、発明者らはこれに拘束されることを望むものではない。さらに、金属は、自由水素を生成する水−ガス及びその他の反応に触媒として作用し、分解反応を完了させるのに利用される。金属ダストが添加されると、反応により生ずる熱が、工程の早い段階で発生し、この熱は長時間にわたって維持され、必要な熱投入量を少なくできる。反応は、完了に向けてさらに進行し、最終段階で必要となる加熱は少なくてすむ。最高温度と圧力は、金属なしの触媒と同様であるから、生成物は、この触媒−金属混合物によって損なわれることはない。
【００２１】
図１は、架橋粘土、金属−粘土（ベントナイト）、粘土のみを触媒として用いた反応のバッチシステムにおける温度プロファイルを示している。図１を参照すると、炭化水素材料の反応温度は、架橋粘土、又は金属−粘土の触媒を用いた方が、触媒なし又は粘土のみを用いた場合に比べて上昇している。前述のエネルギーの最適化は、バッチ式反応器及び連続式反応器の両方の形態で達成される。
【００２２】
ここでの「粘土」とは、層状構造であって、スメクタイトとして知られる一般クラスの材料に属する水酸化アルミニウムケイ酸塩を含む天然に存在する材料を意味する。ベントナイトのようなスメクタイト鉱石や、モンモリロナイト及びバイデライトのような特定の粘土鉱石も、本発明の範囲に含まれる。また、キャットリッター（ｃａｔ ｌｉｔｔｅｒ）やオイルスピル吸収剤のような粘土を含有する市販商品も含まれる。これらの粘土を、水素（Ｈ型）、ナトリウム（Ｎａ型）、種々の金属（例えばＡｌ型）の如き対イオン及び有機カチオンと組み合わせたものも、本発明の範囲にあると解されるべきである。
【００２３】
ベントナイトはまた、層間に金属水酸化物「架橋（ｐｉｌｌａｒｓ）」を導入することにより、改質することができる。粘土を架橋することは、分子が粘土の層内で結合され、層を開いた状態に維持するプロセスであり、これによって粘土は高温で安定となり、より大きな分子と相互作用できる。触媒は、より広い温度範囲で安定であるので、架橋粘土はより有効な触媒である。「粘土」という語は、上記材料の全てを意味することは勿論であるが、ここに例示していないものであっても当業者に既知の材料をも含むものである。本発明の方法で触媒として用いられる粘土は、スメクタイトが望ましく、モンモリロナイトが最も望ましい。
【００２４】
一般的に、粘土と金属ダストの触媒は、ゴム又は炭化水素材料の合計重量の約０．０１〜３．０ｗｔ％が添加される。触媒の添加量は、約０．２〜１．０ｗｔ％が望ましい。
【００２５】
ここで用いられる「負圧条件」又は「真空条件」という語は、圧力が大気圧よりも低い真空を利用することを意味する。望ましい真空の設定値は、約２〜１６インチ水銀であり、約５〜１０インチ水銀が最も望ましい。
【００２６】
本発明の方法により生成された炭素質残留物は、チャーがなく、未分解ゴムは殆んど含まれておらず、従来の方法により生成されたものとは異なる。例えば、本発明の方法により生成されたカーボンブラックは、ＰＡＨは殆んど検出されず、未分解ゴムは約１５〜２０％よりも少ない。また、従来の汚染物が有意レベルにあるのと比べて、本発明の方法では、酸化有機汚染物もない。フーリエ変換赤外線分光装置（ＦＴＩＲ）によって、市販の標準的なカーボンブラック、ＩＲＢ６を分析すると、その種製品には、０．１％よりも多くのＰＡＨが存在していることが確認された。現在の処理では、触媒なしで操業すると、生成物は７０％以上の未分解ゴムを含んでおり、正圧下で操業すると、生成物はテレフタル酸などの酸化有機汚染物を相当量含んでいる。ここで、「最少未分解ゴム」という語は、未分解炭化水素材料が約２０％よりも少ない固体残留物を意味する。
【００２７】
本発明の方法で生成された液体オイルもまた、従来の方法で生成されたオイルよりも改良された特性を示している。本発明の方法で生成したオイルは、多環芳香族炭化水素と酸化有機汚染物の量が少なくなっている。また、従来のその他方法で生成されたオイルよりも軽量である。
【００２８】
一実施例として、バッチ式で操業した場合、反応は、第１即ち活性段階で、約１４０^ｏＦ〜８５０^ｏＦの温度で行われ、望ましくは１５０^ｏＦ以下の温度で開始し、約５５０^ｏＦの温度でピークとなる。反応温度の監視は、ゴム又は炭化水素材料に測定装置を挿入することによって行なう。活性段階では一定のエネルギーを系に加える。そして、オイルの凝縮（ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ）が開始した時に、加熱を弱めるか、停止する。反応の次（第２）の段階では、反応は発熱反応であるので、燃料の投入は殆んど又は全く必要ない。燃料投入がなくても、反応温度は約５５０^ｏＦ〜８５０^ｏＦ又はそれ以上の温度に上昇する。反応が分解段階の終わりに近づくと、反応は遅くなり、温度が低下し始める。従って、この段階では、熱分解処理を完了させるために燃料を投入する必要がある。反応温度がピークに達し、下降し始めた後、加熱を再開する。加熱は、温度が横ばい状態になるまで続ける。この実施例では、触媒を用いた場合、触媒なしの場合と比べて使用燃料は２５％以下となる。例えば連続ヘリコイド反応器のように、熱を発熱領域から伝達するシステムの場合、電子フィードバックシステムにより、反応温度に基づいて燃料投入量を自動的に調節することができる。
【００２９】
図２は、本発明の方法による実施例であって、液体、ガス及び固体の反応生成物を熱分解処理中に取り除く熱分解反応チャンバー及びバッチ式装置を示している。ゴムタイヤ（１）と触媒（３）を、反応チャンバー（５）の中に入れて加熱する。反応熱は、温度計（７）によって測定し、監視する。真空ポンプ（９）は、システム内全域を負圧に維持する。この負圧は、真空ゲージ（１１）によって測定される。オイルトラップ（１３）は、反応によって生成されたオイルを収集し、ガスは排出口（１５）から放出される。コンデンサーコイル（１７）は、オイルを凝縮する。流量調節弁（１９）は、反応器の雰囲気と真空レベルを調節する。反応チャンバー（５）内に残る固体は、反応完了後に集める。
【００３０】
更なる実施例として、連続式熱分解処理の場合、温度／燃料投入量は、反応チャンバー内の空間位置に応じて変えることができる。まず、周囲温度の炭化水素材料は、供給ビンから、反応器の初期温度ゾーンの中へ移動する。このゾーンでは、反応の活性エネルギーよりも大きくなるように必要な熱投入量が制御される。反応の第１段階に対応する反応チャンバーの入口部では、反応を開始させるのにより多くの熱を投入する必要がある。このため、反応チャンバーの入口部を加熱するものとし、熱分解反応が開始してオイル生成が開始するのに十分な時間、反応温度が約４５０^ｏ〜８５０^ｏＦ、望ましくは約５００^ｏ〜６００^ｏＦ、最も望ましくは５５０^ｏＦに達するまで熱投入量を増やす。ゴム又は炭化水素材料は、ヘリコイドオーガ又は他の同様な装置によってチャンバーの中を移動し、チャンバー内の第１位置から、反応の第２段階に対応する第２の中間位置まで移動する。第２位置では、反応温度を約４５０^ｏ〜８５０^ｏＦ、望ましくは５００^ｏ〜６００^ｏＦ、最も望ましくは５５０^ｏＦに維持することにより、熱分解反応が継続するのに適当な時間の間、反応を確実に進行させるのに必要な分だけ熱を投入する。この段階では熱が発生するので、熱の投入量は少ない。最後に、ゴム又は炭化水素材料は、反応の第３段階に対応する第３位置に移動する。第３位置では、温度は横ばい状態となるので、熱分解処理が完了するのに十分な時間の間、反応温度を約４５０^ｏ〜８５０^ｏＦ、望ましくは５００^ｏ〜６００^ｏＦ、最も望ましくは５５０^ｏＦに維持するために、熱投入量を増やす。反応温度は、オーガの中央で測定され、所望の反応温度を維持するために、反応の発熱的性質を利用して熱の入力量を調節する。
【００３１】
供給及び回収システムは、制御された低温反応チャンバーからガスを除去する。この際、真空下にて連続して操業が行われる。上述したとおり、電子フィードバックシステムにより、反応温度に基づいて、熱入力を自動的に調節することもできる。
【００３２】
連続供給システムの例を図３に示している。切り刻まれたゴム（３０）又は他の炭化水素材料と他の触媒（３５）は、コンベアベルト（４５）又は他の同様な装置によって、入口ビン又は供給ホッパー（４０）の中に移動する。細長い反応チャンバー（５０）は、ガスバーナ（５５）及びガスバーナ（６０）によって両端が加熱される。炭化水素材料は、活性ゾーン（６５）で加熱され、次に、ヘリコイドオーガ（７０）によって、分解ゾーン（７３）に移動し、ここで発熱反応が起こる。反応が遅くなると、炭化水素材料は、オーガによって完了ゾーン（７５）へ移動し、その後、固体残留物は、出口ビン（８０）に移動し、次の固体材料回収システム（８５）にて、カーボンブラックとスチール（当初から含まれている場合）を収集する。蒸気（９０）は、連続的に吸引され、熱交換器又はオイルコンデンサー（９０）によって凝縮されてオイル（９５）となるか、反応中に燃料として燃焼させられる。真空ポンプ（１０５）は、蒸気を吸引し、反応工程中、真空状態を維持する。
【００３３】
この反応の活性のために必要なエネルギー量と、この反応のエネルギー生成の動力学（図４参照）を知ることによって、反応器内を移動する反応材料に加えるエネルギーを制御できるように、内部空間の構成を変えた反応器を設計することもできる。さらに、生成したガスに含まれる汚染物は、管理可能なレベルであるので、必要に応じて、収集したり、システムに戻すことができる。この構成は、反応の熱力学を利用しており、経済的である。
【００３４】
【実施例】
次の実施例は、本発明を説明するためのものであり、如何なる点においても本発明を限定するものと解すべきでない。
【００３５】
２ポンドのゴムタイヤを２１クォート（ｑｕａｒｔｓ）容量のバッチ式熱分解チャンバーに入れると共に、アルミニウム、マグネシウム及びベントナイトを質量比で１：１：８含有する混合金属触媒１０グラムをゴムの上に分散させる。反応器は、１６リットル／分の流量で燃焼するＬＰＧ燃料によって加熱する。ＬＰＧの供給はは、オイル凝縮物が生成されて、第１段階の温度が５５０^ｏＦに到達した時点で停止する。温度は、チャンバー内のゴムの一片に埋め込まれた熱電対によって求められる。温度は、発熱反応によって生じる熱によって上昇を続け、第２段階の温度は７５０^ｏＦに達する。この処理が行われる間、約２０分間、燃焼ガス生成物は、パイロットライトの燃焼によって燃焼可能なレベル内あることが観察される。生成されたカーボンブラックは、７４％よりも多くの固体生成物を含んでいる。オイル生成物は、第６級の燃料オイルと同等である。そのような実験を８０回行なったところ、同様の結果が得られた。平行して行なった触媒なしの比較テストでは、ガス又はオイルは殆んど又は全く生成されず、固体生成物のカーボンブラックは２０％より少なかった。
【００３６】
本発明の上記実施例は、説明の目的で記載したものであり、当該分野の専門家であれば、特許請求の範囲に規定された本発明から逸脱することなく、本発明の詳細について多くの変形をなし得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】触媒として、粘土単独、粘土と金属ダストの組合せ、及び、架橋粘土を用いた反応の温度プロファイルを示す図である。
【図２】反応における液体、固体及びガス生成物を取り出す単純熱分解チャンバー及び装置を示す図である。
【図３】反応における液体、固体及びガス生成物を取り出す連続供給熱分解チャンバー及び装置を示す図である。
【図４】触媒ありの反応と触媒なしの反応における活性及び反応エネルギーを示す図である。

Claims (32)

1. 炭化水素材料の低エネルギー熱分解方法であって、
   炭化水素材料を準備し、
   反応チャンバーの中に炭化水素材料を装入し、
   チャンバーに粘土及び金属ダストの触媒を添加し、
   熱分解が実質的に完了するまでの間、反応チャンバーを十分な時間加熱することを含んでおり、
   該方法は真空を維持しながら行なうものであって、未分解の物質が極めて少なく、殆んどチャーがなく酸化されていない固体残留物と、殆んど酸化されておらず、多環芳香族炭化水素を含まない液体炭化水素生成物と、可燃性のガスとを含む反応生成物を生成する方法。
2. 粘土は、モンモリロナイト、ベントナイト、バイデライト及びこれらの組合せからなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
3. 粘土は、架橋粘土である請求項１に記載の方法。
4. 粘土は、天然鉱石である請求項１に記載の方法。
5. 粘土は、市販粘土含有材料である請求項１に記載の方法。
6. 市販粘土材料は、キャットリッター及びオイルスピル吸収剤及びこれらの組合せからなるグループから選択される請求項５に記載の方法。
7. 粘土及び金属ダストの触媒は、炭化水素材料の合計重量の約０．０１ｗｔ％〜３．０ｗｔ％添加される請求項１に記載の方法。
8. 金属ダストは、［Ａｌ］：［Ｍｇ］：［粘土］が約［０．１〜２］：［０．１〜２］：［８］の比にて粘土に添加される請求項１に記載の方法。
9. 金属ダストは、［Ａｌ］：［Ｍｇ］：［粘土］が約［０．５〜１］：［０．５〜１］：［８］の比にて粘土に添加される請求項１に記載の方法。
10. 金属ダストは、アルミニウムとマグネシウムの混合物を含んでいる請求項１に記載の方法。
11. 金属ダストは、Ａｌ又はマグネシウムを含んでいる請求項１に記載の方法。
12. 金属ダストは、約２００メッシュサイズよりも小さいＡｌ粒子と、約３２５メッシュサイズより小さいＭｇ粒子を含んでいる請求項１に記載の方法。
13. 反応チャンバーは、炭化水素材料の反応温度である約１５０^ｏ〜８５０^ｏＦに加熱される請求項１に記載の方法。
14. 熱分解が完了するまでの十分な時間、炭化水素材料の反応温度が維持される請求項１３に記載の方法。
15. 加熱は、少なくとも第１、第２及び第３の段階で行なわれ、燃料投入は、反応の発熱特性を利用して調節される請求項１に記載の方法。
16. 第１段階は、熱分解が開始するのに十分な時間、反応温度である約４５０^ｏ〜８５０^ｏＦに維持される請求項１５に記載の方法。
17. 第２段階は、熱分解が継続するのに十分な時間、反応温度である約４５０^ｏ〜８５０^ｏＦに維持される請求項１５に記載の方法。
18. 第３段階は、熱分解が完了するのに十分な時間、反応温度である約４５０^ｏ〜８５０^ｏＦに維持される請求項１５に記載の方法。
19. 第１、第２及び第３段階は、時間的に連続しており、時間の経過に基づいて設定される請求項１５に記載の方法。
20. 第１、第２及び第３段階は、空間的に連続しており、炭化水素材料が反応チャンバーを通過するとき、空間位置の変化に基づいて設定される請求項１５に記載の方法。
21. 真空は、約２インチ〜１６インチ水銀の圧力に維持される請求項１に記載の方法。
22. 真空は、約２インチ〜１６インチ水銀の圧力に維持される請求項１５に記載の方法。
23. 真空は、約５インチ〜１０インチ水銀の圧力に維持される請求項１に記載の方法。
24. 真空は、約５インチ〜１０インチ水銀の圧力に維持される請求項１５に記載の方法。
25. 炭化水素材料は、使用済みゴムである請求項１に記載の方法。
26. 炭化水素材料は、タールサンドである請求項１に記載の方法。
27. 炭化水素材料は、コールである請求項１に記載の方法。
28. 廃棄された自動車タイヤ、及び有機又は無機物質を含むその他のゴム系材料の成分を、再使用又は環境的に安全に廃棄するために、再生及び回収するための装置であって、
    低温反応器の入口に触媒とゴム材料を運搬するための供給システムと、
    活性ゾーン、分解ゾーン及び完了ゾーンを有する１又は複数の細長い反応チャンバーであって、１又は複数の反応チャンバーは夫々、材料を入口から反応器を通って運搬し、反応器から出口に固体生成物を運搬するヘリコイドオーガを有している反応チャンバーと、
    反応チャンバーの各端部に配置され、投入、反応開始、材料分解、反応完了、及び、内部蒸気と固体材料の取出しを行なう入口ビン及び出口ビンと、
    固体材料回収システムと、を有する装置。
29. １又は複数の反応チャンバーの分解ゾーンから蒸気を回収する蒸気回収システムをさらに含んでおり、該蒸気回収システムは、
    １又は複数の反応チャンバーから蒸気を凝縮する熱交換器と、
    該熱交換器にて凝縮された液体を分離するための液体／ガスセパレータと、
    １又は複数の低温反応チャンバー内で真空を維持しながら、熱交換器及び液体／ガスセパレータを通して１又は複数の低温反応チャンバーの分解チャンバーから蒸気を除去する真空ポンプと、
    を具える請求項２８に記載の装置。
30. 供給システムは、ヘリコイドオーガである請求項２８に記載の装置。
31. 出口コンベアは、ヘリコイドオーガである請求項２８に記載の装置。
32. 廃棄された自動車タイヤ及び細かく切り刻まれたゴム材料の成分を、再使用又は環境的に安全に廃棄するために、再生利用及び回収するための方法であって、
    タイヤの切れ片を原料場所からコンベアによって供給ビンに運搬し、
    タイヤの切れ片を供給ビンから、ヘリコイドオーガによって、低温反応チャンバーに運搬する方法。

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