JP2005089485A - 熱分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポリスチレンを熱分解する熱分解槽の伝熱面に付着した分解残渣を効率よく剥離して除去する。
【解決手段】 本熱分解装置はポリスチレン溶液を熱分解する熱分解槽７を備え、その熱分解槽７の内部にポリスチレン溶液を加熱する熱交換部１０およびスチレン溶液を散布する散布手段４０が設けられる。散布手段４０の散布ノズル４１から散布された比較的低温のスチレン溶液は高温に維持されたポリスチレン溶液に接触して急激に温度上昇して気泡を発生し、その気泡の破壊力により熱交換部１０の伝熱面に付着した分解残渣を剥離する。
【選択図】 図３

Description

本発明はポリスチレン溶液の熱分解装置に関し、詳しくは熱分解槽の伝熱面に付着した分解残渣を効率よく剥離する手段を設けたものに関する。

工場や家庭からは種々のプラスチック廃棄物（廃プラスチック）が排出される。廃プラスチックはそのまま焼却すると環境に悪影響を与る上に資源的にも損失となる。そこで従来から廃プラスチックを熱分解装置で熱分解し、油成分として回収する技術が開発されている。熱分解に適したプラスチックはポリスチレン、スチレン−アクリル共重合体（ＡＳ樹脂）、スチレン−アクリル−ブタジエン共重合体（ＡＢＳ樹脂）等のスチレン系樹脂（以下、これらを単にポリスチレンという）、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂等がある。

しかし廃プラスチックとして多いのはポリスチレンであり、その中でも発泡ポリスチレンは緩衝材や断熱材として多用されているので、廃プラスチックとして多量に排出される。発泡ポリスチレンの嵩密度は著しく低いので、スチレンモノマー、ベンゼン、トルエン等の溶剤で溶解してポリスチレン溶液に変換する減容処理を行い、得られたポリスチレン溶液を熱分解する方法が一般的に採用されている。

ポリスチレン溶液を熱分解する技術として、例えば特許文献１に記載された方法が知られている。特許文献１に記載されている熱分解装置は、断熱層で囲まれた加熱室の内部に断面が円形とされた熱分解槽を配置し、その熱分解槽の内部に攪拌器を設けている。
特開平８−１１３７８６号公報

しかし特許文献１に記載された熱分解装置は攪拌器を有するので伝熱面に付着した残渣を掻きとって除去する機能はあるものの、熱分解槽の内部に熱交換部を設けることができない。そのためポリスチレン溶液の加熱は内容積の大きな槽の周囲からのみ行われるので伝熱性能の向上には限界がある。そこで本発明は熱分解槽の内部に熱交換部を設けることができ、且つ伝熱面に付着した分解残渣を効率よく排出できる熱分解装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決する本発明の熱分解装置は、ポリスチレン溶液を熱分解する熱分解槽を備えた熱分解装置において、前記熱分解槽の内部にポリスチレン溶液を加熱する熱交換部およびスチレン溶液を散布する散布手段を設けたことを特徴とする（請求項１）。

上記熱分解装置において、前記熱分解槽で生成したスチレンガスを凝縮してスチレン溶液を生成するコンデンサと、得られたスチレン溶液を前記散布手段に供給するスチレン溶液供給手段を設けることができる（請求項２）。

上記いずれかの熱分解装置において、前記熱交換部は加熱ガスが流通する複数の細長いチューブ３５を有することができる（請求項３）。

本発明の熱分解装置は熱分解槽の内部に熱交換部を配置しているので伝熱効率がよく、そのため熱分解装置の伝熱性能を向上できる。また熱分解槽の内部にスチレン溶液を散布する散布手段を設けたので、散布されるスチレン溶液の沸騰により発生する気泡の破壊力により伝熱面に付着した分解残渣を効率よく剥離して除去できる。従ってそれらの相乗効果により熱効率が高く、分解残渣の除去性能がよく、且つ構造が簡単な熱分解装置を提供することができる。

上記熱分解装置において、前記熱分解槽で生成したスチレンガスを凝縮してスチレン溶液を生成するコンデンサと、得られたスチレン溶液を前記散布手段に供給するスチレン溶液供給手段を設けた場合は、熱分解槽で生成したスチレンガスの一部を散布するスチレン溶液源として利用できるので、外部からスチレン溶液を供給する特別な手段を設ける必要がなく、システムの運転コストを低くすることができる。

上記いずれかの熱分解装置において、加熱ガスを流通する複数の細長いチューブ３５を有する熱交換部を設けた場合は、熱分解装置の伝熱性能をより一層高めることができる。

次に図面に基づいて本発明の最良の実施形態を説明する。図１は本発明の熱分解装置によりポリスチレン溶液を熱分解し、生成するスチレンを主体とした分解ガス（以下、これを単にスチレンガスという）を生成するプロセスフロー図である。発泡ポリスチレレンは粉砕機１で細かく粉砕され、その発泡ポリスチレン片は管路ａから溶解槽２に供給される。溶解槽２には管路ｂにより溶剤が供給され、発泡ポリスチレン片と溶剤が攪拌装置３で攪拌されポリスチレン溶液が生成する。

溶解槽２の下部に網体からなるストレーナ４が配置され、その二次側に管路ｃが連通する。溶解槽２のポリスチレン溶液は管路ｃからポンプ５で熱交換器（エコノマイザ）６に供給され、そこで熱分解槽７の排出部８から管路ｅにより流出するスチレンガスと熱交換して昇温し、次いで管路ｄから供給部（供給口）９を経て熱分解槽７内に供給される。熱分解槽７は周囲を断熱層で囲まれた閉鎖型の槽により構成され、供給されたポリスチレン溶液の液面Ｓは図示しない液面計で監視され、液面を所定レベルに維持するように例えばポンプ５を制御してポリスチレン溶液の供給量を調整する。

熱分解槽７の内部下方に熱交換部１０が配置される。熱交換部１０は後述するように複数の細長いチューブが並列に配置され、各チューブに燃焼装置１１からの加熱ガス（例えば５５０℃程度）が流通する。熱分解槽７内のポリスチレン溶液は熱交換部１０でその熱分解温度（例えば４００℃程度またはそれ以上）に昇温されて熱分解しスチレンガスが生成する。４００℃に近い高温のスチレンガスは排出部８から管路ｅに流出し、前記熱交換器６で熱交換して冷却され、さらにコンデンサ１２で管路ｆから供給される冷却水と熱交換して凝縮する。凝縮した６０℃程度の低温のスチレン溶液は管路ｇから流出して生成槽１３に回収される。

生成槽１３のスチレン溶液はポンプ１４の運転により管路ｈから流出し、開閉弁Ｖ１を開けることにより管路ｉを経て図示しないスチレン溶液回収槽に回収される。また開閉弁Ｖ２を開けることによりスチレン溶液の一部は管路ｊから前記燃焼装置１１に供給される。燃焼装置１１で生成した燃焼ガスは加熱ガスとして管路ｐから熱分解槽７に供給され、その供給部（供給口）１５を経て前記熱交換部１０の各チューブに分配供給される。なお生成槽１３のスチレン溶液は所望によりポンプ２２を運転することにより管路ｏから前記溶解槽２に戻すこともできる。

熱交換部１０の各チューブを通過した加熱ガスは、集合して排出部１６から排気ガスとして流出し、管路ｋを経て熱交換器（レキュパレータ）１７で熱交換により冷却されて外部に排出する。一方、外気がブロワ１８により管路ｌから熱交換器１７に供給され、そこで前記排気ガスと熱交換して昇温し、次いで管路ｍを経て前記燃焼装置１１に燃焼空気として供給される。

ポリスチレン溶液には廃棄物である発泡ポリスチレンに混入していた金属や土砂等が含まれることがあり、さらに熱分解に伴い炭化物等が生成する。熱分解においてこれらは分解残渣として次第に熱分解槽７の底部に滞留してくるので、残渣排出手段２０により随時排出する。残渣排出手段２０は熱分解槽７の底部に設けた排出部（排出口）１９と、排出部１９に連通する管路ｎと、管路ｎに設けた開閉弁Ｖ３を備えている。そして開閉弁Ｖ３を開けることにより、熱分解槽７に滞留する分解残渣は排出部１９から管路ｎを経て残渣槽２１に排出する。

分解残渣の一部は熱交換部１０の伝熱面に付着する。本発明ではこの伝熱面に付着した分解残渣を効率よく除去するためにスチレン溶液を散布する散布手段４０を設けている。散布手段４０は熱分解槽７内の上部に配置した散布ノズル４１と、散布ノズル４１にスチレン溶液を供給するスチレン溶液供給手段４２を有する。なお本実施形態ではこのスチレン溶液供給手段４２が前記生成槽１３、そのスチレン溶液を移送するポンプ１４、管路ｈおよびｑ、開閉弁Ｖ４により構成される。

実際の観察結果によると、散布ノズル４１から６０℃以下の比較的低温のスチレン溶液が熱分解槽７内に噴出すると、そのスチレン溶液は熱交換部１０で加熱されて４００℃程度の高温状態にあるポリスチレン溶液と接触し、その際、スチレン溶液はポリスチレン溶液により急激に温度上昇し沸騰状態になって多数の気泡が次々と発生する。発生した気泡は次の瞬間破壊して消滅するが、破壊の際にポリスチレン溶液を介して熱交換部１０の伝熱面に機械的衝撃力を与え、その衝撃力によって伝熱面に付着した分解残渣が剥離される。なお散布手段４０によるスチレン溶液の散布は、熱分解の途中から終了までの任意の時期に行うことができる。

図２は図１に示す熱分解槽７の１例を具体的に示す正面図、図３はその右側面図である。これらの図において、熱分解槽７は筒状の本体３０と、本体３０の頂部にフランジ部３１により着脱自在に取り付けられた角錐台形状の蓋体３２と、本体３０の底部にフランジ部３３により着脱自在に取り付けられた角形で且つ平板状の底部３４を主要部として構成される。

本体３０の側壁上部にポリスチレン溶液を供給する供給部９が設けられ、蓋体３２の最頂部に熱分解により生成するスチレンガスの排出部８が設けられる。さらに底部３４の中央部に分解残渣を排出する排出部１９が設けられ、排出部１９に開閉弁Ｖ３が接続される。なお底部３４の上側には逆角錐状の傾斜板３４ａが取り付けられ、分解残渣を排出部１９に誘導するようになっている。

本体３０の中央部上方に散布手段４０を構成する散布ノズル４１が配置され、散布ノズル４１にはスチレン溶液供給手段４２を構成する管路ｑの先端部が接続される。散布ノズル４１から散布されるスチレン溶液の液滴は点線で示すような円錐状に分布して落下し、ポリスチレン溶液の液面Ｓに降り注ぐ。降り注いだスチレン溶液はポリスチレン溶液と接触すると前記のように急激に昇温して沸騰状態になり、生成する気泡の破壊力で伝熱面、すなわち熱交換部１０のチューブ３５の表面に付着した分解残渣を剥離する。

熱交換部１０は本体３０の下部を水平方向に配置され、熱交換部１０には断面が長円形のＳＵＳチューブ等からなる複数のチューブ３５が並列配置される。各チューブ３５の両端部は互いに連通し、一方の端部が供給部１５のチューブプレートを介して加熱ガスを供給する管路ｐに接続され、他方の端部が排出部１６のチューブプレートを介して熱交換後の加熱ガスを流出する管路ｋに接続される。

チューブ３５間に形成される間隙部およびその下方の空間部には伝熱促進部材３６としての鉄球やＳＵＳ球等の耐熱性を有する金属球３７が取出し可能に充填される。図４は金属球３７の充填状態を示す部分拡大平面図である。なお各チューブ３５の間隙部に金属球３７を充填する代わりに、コルゲートフィンを取出し可能に充填することもできる。図５はコルゲートフィン３８の充填状態を示す部分拡大平面図であり、そのコルゲートフィン３８はチューブ３５に接触されているが、接合はされていない。
上記のように金属球３７をチューブ３５間に形成される間隙部等に充填するには、フランジ部３１のボルトを外して蓋体３２を開け、上方から金属球３７を落下する方法が簡便である。

前記のように分解残渣は開閉弁Ｖ３を開けることにより管路ｎに排出されるが、排出しきれない分解残渣は金属球３７の表面等に次第に付着してくる。
そこで熱分解の終了時に、散布ノズル４１からスチレン溶液が熱分解槽７内に噴出する。すると、そのスチレン溶液は熱交換部１０の金属球３７で加熱され急激に温度上昇し沸騰状態になって伝熱面および金属球表面に付着した分解残渣を剥離する。
剥離できない残渣は、金属球３７を定期的に外部に取り出し、洗浄等により元の状態に回復する必要がある。金属球３７を外部に取り出して排出するには、フランジ部３３のボルトを外して底部３４を開け、自重により落下させる方法が簡便である。

従って着脱自在な蓋体３２と着脱自在な底部３４の両者により、伝熱促進部材３６としての金属球３７を充填または排出する充填部材充排手段３９が構成される。
なお伝熱促進部材３６としてコルゲートフィン３８を用いる場合は、フランジ部３３のボルトを外して底部３４を開け、下方からコルゲートフィン３８をチューブ３５の間隙部に充填またはそこから排出することができる。従ってこの場合は着脱自在な底部３４により、伝熱促進部材３６としてのコルゲートフィン３８を充填または排出する充填部材充排手段３９が構成される。

このようにチューブ３５の間隙部に伝熱促進部材３６を充填すると、チューブ３５の内部を流通する加熱ガスの熱はチューブ３５の壁を通して伝熱促進部材３６に伝達するので、見かけ上の伝熱面積が増加し、結果として熱交換部１０の伝熱性能が向上する。そして熱分解槽７内のポリスチレン溶液は伝熱促進部材３６の間隙に侵入し、そこで加熱されて沸騰状態となって上昇し、そのあとに新しいポリスチレン溶液が進入する対流現象により熱分解が促進される。

本発明の熱分解装置は、発泡ポリスチレンを溶剤に溶解して得られたポリスチレン溶液を熱分解し、スチレンガスを生成する装置として利用できる。

本発明の熱分解装置によりポリスチレン溶液を熱分解し、スチレンガスを生成するプロセスフロー図。 図１に示す熱分解槽７の正面図。 図１に示す熱分解槽７の右側面図。 伝熱促進部材３６としての金属球３７を熱交換部１０におけるチューブ３５の間隙部に充填した状態を示す部分拡大平面図。 伝熱促進部材３６としてのコルゲートフィン３８を熱交換部１０におけるチューブ３５の間隙部に充填した状態を示す部分拡大平面図。

符号の説明

１ 粉砕機
２ 溶解槽
３ 攪拌装置
４ ストレーナ
５ ポンプ
６ 熱交換器
７ 熱分解槽
８ 排出部
９ 供給部

１０ 熱交換部
１１ 燃焼装置
１２ コンデンサ
１３ 生成槽
１４ ポンプ
１５ 供給部
１６ 排出部
１７ 熱交換器
１８ ブロワ
１９ 排出部

２０ 残渣排出手段
２１ 残渣槽
２２ ポンプ
３０ 本体
３１ フランジ部
３２ 蓋体
３３ フランジ部
３４ 底部
３４ａ 傾斜板
３５ チューブ
３６ 伝熱促進部材
３７ 金属球
３８ コルゲートフィン
３９ 充填部材充排手段

４０ 散布手段
４１ 散布ノズル
４２ スチレン溶液供給手段
ａ〜ｑ 管路
Ｖ１〜Ｖ４ 開閉弁
Ｓ 液面

Claims (3)

1. ポリスチレン溶液を熱分解する熱分解槽７を備えた熱分解装置において、前記熱分解槽７の内部にポリスチレン溶液を加熱する熱交換部１０およびスチレン溶液を散布する散布手段４０を設けたことを特徴とする熱分解装置。
2. 請求項１において、前記熱分解槽７で生成したスチレンガスを凝縮してスチレン溶液を生成するコンデンサ１２と、得られたスチレン溶液を前記散布手段４０に供給するスチレン溶液供給手段４２を設けたことを特徴とする熱分解装置。
3. 請求項１または２において、前記熱交換部１０が加熱ガスを流通する複数の細長い管体３５を有することを特徴とする熱分解装置。
   

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