JP2005524532A - 材料または複合材料ならびに混合物を処理する方法および装置 - Google Patents

Abstract

廃棄物を処理して固体の有機もしくは無機材料またはこれらの複合材料もしくは混合物からなる生成物を再利用する方法において、複合材料または混合物における衝撃による成分の分解または分離が、前記複合材料または混合物の流れを急に停止させる装置によって行なわれる。処理用空気が、垂直軸（Ａ）を有するロータ（２６）内に生成される螺旋状に下方に向かう搬送経路（３２）に、逆方向に回転して上昇する流れの経路（３４）で供給され、ロータ（２６）のデフレクタ壁への衝突によって、複合材料の層間に衝撃波が生成される。さらに、半径方向に間隔をあけて同軸に配置された２つの壁面が、それらの軸を中心として相互に回転し、遠心力によって駆動される複合材料または混合物が、デフレクタ壁面から半径方向に突き出たデフレクタ面の間で駆動および分離される。

Description

本発明は、廃棄物を処理し、固体の有機または無機材料あるいはこれらの複合材料および混合物からなる生成物を再利用する方法および装置に関する。

前述の廃棄物には、例えば電子部品のスクラップや金属精錬からのスラグなど工業リサイクル生成物のほか、種々の組成の家庭廃棄物が含まれる。後者は主として、食料品、プラスチック包装、および複合材料の包装などの有機混合物、ならびにガラス、金属、およびこれらの複合材料などの無機成分を含んでいる。

これらの混合物および複合材料は、今までのところ混合物および複合材料に含まれる各材料の分離がまったく行なわれていないか、あるいは多大なエネルギーを消費して不適切に行なわれているため、特に廃棄処分の際にいくつかの問題を引き起こす。これらの廃棄物の大部分は、焼却処分され、あるいは投棄されている。例えばアルミニウム薄板からなる缶など、不純物の少ない廃棄物についてのみ、材料の回収処理が行なわれている。より複雑な廃棄物については、技術的可能性の不足、あるいは例えば湿式化学プロセスまたは熱プロセスに起因するコスト高のため、処理または材料の回収は行なわれていない。

従来からの機械的処理手順においては、複合材料は、構成成分のそれぞれの層の厚さよりも小さい寸法の粒子または小片に分解される。この分解操作は、通常は、適切なミルを用いる最低限１段階のきわめて微細な粉砕操作、例えばハンマー・ミル、衝撃ミルまたは逆流ミルにより、おそらくは不活化および冷却の目的のための窒素を用いて行なわれる。

仏国特許出願公開第５６２０１３号明細書から公知の粉砕ミルは、複数の回転板を有するロータおよびこのロータを包囲する円筒形のハウジングを含み、粉砕される材料がウォーム装置によってロータの下端に供給され、次いで篩基部の上方かつロータ軸受の下方でロータを横切って配置されたファンの空気流によって持ち上げられる。上方に持ち上げられた粉砕物は、回転するロータ板から半径方向に突き出してハウジング壁近傍に配置されているいわゆる砕くプレート（plaques de broyage）、すなわち粉砕または破砕プレートによって粉砕される。ハウジング壁面と協働する粉砕または破砕プレートの端部は、いずれの場合にも楕円形のフレームを備えており、これらのフレームはハウジングの内面に接する構成円を描き、粉砕および破砕の効果を促進するとされている。さらに、仏国特許出願公開第５６２６１３号明細書の出願人の見解によれば、この粉砕プロセスにはさらに乱気流が関係する。ふるい分けられた粗い粒子を下部取り入れ口へと再循環させるバイパスが、この粉砕ミルのハウジングのファンの下方から分岐している。

この形式の粉砕ミルは、独国特許出願公開第４２１３２７４号明細書にも開示されており、この機械装置は金属を含有している複合材料の微粉砕のための、詳細には実装された回路基板から貴金属を回収するための、マイクロ流動化分離ミルとして使用されている。例えば、銅は約８０〜１００μｍの粒子サイズまで微細化され、分離器空気により取り除かれる。バイパスの開口には、ロータの周辺においてバイパス開口に流入する粒子を偏向させるデフレクタ端が配置されている。ロータの回転運動によって生成された渦が、図中に漫画風に描かれているが、これらの渦の生成技術に関する重要性は説明されていない。

国際公開第９３／０５８８３号には、ガラス繊維強化プラスチックなどから繊維を回収するための処理流れ図が含まれており、シュレッダーを使用した後、裁断された製品を粉砕している。分離した繊維がこの粉末から選別され、残りの粉砕済みの廃棄物は例えば充填剤として利用される。この処理図は、粉砕機と呼ばれるマイクロ・ミルを含んでおり、構造は仏国特許出願公開第５６２０１３号明細書のものと類似している。

例えば金属／金属、プラスチック／プラスチック、金属／プラスチックの複合材料、あるいは金属および／またはプラスチック材料との無機複合材料など、固体の有機および／または無機複合材料からなる複合材料を処理するための国際公開第９５／２５５９５号による方法では、混合物が流れの分離端に２０〜６０ｍ／ｓｅｃ^２の加速度で供給され、混合物を高速で粉砕する運動が渦中に発生する。さらに、この分離または粉砕手順において、固体粒子の成分間の付着は、付着力を超える加速度および摩擦力によって破壊され、固体粒子の成分は互いに分離または取り外され、上記複合材料の各層が分離される。

したがって、これら公知の方法は、複合材料および材料の混合物を処理し、粉砕し、均質化し、さらに部分的または全体的に分離するという目的を有している。これらの方法は、詳細には機械的なせん断および粉砕を基本としており、高エネルギーの渦中での比較的制御されていない破砕および分離に基づいている。

これら要因を認識したうえで、本発明の目的は、混合物および複合材料を処理することにより、処理工程から回収された構成成分を有用な物質として経済的サイクルに戻すことができる方法を開発することにある。

この目的は、独立請求項の教示によって達成される。従属請求項は有利な改良点を示している。さらに、明細書、図面、および／または特許請求の範囲に開示された最低限２つの形態の組み合わせもすべて、本発明の技術的範囲内に含まれる。

本発明によれば、混合物および複合材料は、搬送されている粒子を急に停止させることにより発生する衝撃を利用する機械的方法によって分解および分離される。複合材料または混合物において、構成成分の分解または分離は、衝撃で前記複合材料または混合物の流れを急に遮断する装置によって行なわれ、複合材料の層内および層間にこれら複合材料を分解する衝撃波が発生する。この目的のため、処理用空気を、垂直軸を有するロータ内に生成される螺旋状に下方に向かう搬送経路に、逆方向に回転して上昇する流路で導くと有利であることが立証されており、好ましくは、ロータのデフレクタ壁に衝突して上記衝撃波を複合材料の層間に発生させる。

本発明の別の形態によれば、半径方向に一定の間隔を空けて互いに同軸に配置されている２つの壁面が、それら壁面の軸を中心に互いに相対的に回転し、遠心力によって駆動される複合材料または混合物が、デフレクタ壁から半径方向に突き出たデフレクタ面の間で駆動および分解される。複合材料の分解は、デフレクタ壁への衝突の衝撃によって発生させることができ、金属成分が球状に変形し、好ましくはこの変形工程において層状の金属成分が巻き上げられる。

分離または分解処理に先立ち、複合材料を１０ｍｍ〜５０ｍｍの粒子サイズに粉砕し、また、随意により熱による前処理を加えるのが有利であることが立証されている。さらに、有利には、分離または分解工程から排出された材料に対し、分離および／またはふるい分け処理、あるいは非鉄金属の分離処理を実施する。

本発明の別の形態によれば、分離は、分離テーブル上および／または流動床分離装置により実施され、分離の後に金属部分および／またはプラスチック部分が圧縮される。この目的のため、有利には、プラスチックをターボ・ラミナ（turbo-laminar）分離および選別によって互いに分離し、さらに／あるいは、分離後に金属成分および／またはプラスチック成分を押し出す。

密度、弾性係数（すなわち剛性、したがって耐変形性）、強度、および分子配列などの材料固有の特性に基づき、本発明により生成された衝撃波が材料内を伝播し、伝搬速度、周波数、および振幅に関して異なる状態を引き起こす。粒子の衝突の際にこれら衝撃波によって生じる力が、界面すなわち個々の材料面の間の接触面の付着力を超えた場合、生じた微細な剥離が分解または分離をもたらす。この原理が、本発明により明示される意図的な方法で利用される。

典型的な変形の挙動は、例えば金属の弾性伸び、または例えばプラスチックの固有弾性率を超えた場合、恒久的な球状変形、または当初の粒子形状の不完全な弾性回復（復元力）を生じる。この現象の結果として、複合材料の面分離された要素を、例えば機械、水圧、および空気圧利用に基づく、公知の確立された技術を利用して、比較的容易に分類できる。

ここに説明した方法は、本発明による装置の簡潔性および機能性によって区別され、相応して簡単かつトラブルのない動作が得られる。前述のロータ機械の概念および構成における意図した簡潔性により、困難を伴うことなく技術的実現が可能になる。材料科学からの知識の活用、熱処理プロセスの利用、コンピュータおよび模擬計算に支援された設計最適化の使用、ならびにプロセス・パラメータの可能な適応および最適化によって効率はさらに向上する、と予測できる。

前述の方法を実行する装置は本発明の範囲に含まれ、この装置では、ロータ内部の複合材料または混合物の搬送経路が処理用空気の流れの反対方向に向けられ、材料供給装置がロータの最上部領域に配置されている。搬送経路は、一定の距離を空けた相対運動可能な２つの壁面の間に配置され、相互にずれて配置されるデフレクタ面が、壁面の両側から搬送経路内に突き出ている。

本発明の別の形態によれば、壁面は同軸曲面であり、さらに／あるいは壁面がロータの回転方向に回転可能に軸受で支持されている。

処理工程の中心部分および分離装置が簡潔であるため、また処理能力性能が明らかに大きいため、結果としての分離コストは実際にかなり低くなる。該当するコストには、最終的に、搬送、エネルギー、および労力の必要条件（資源の消費に常に関係する）などの資源の消費全体、水−空気および土地の消費、置換効果など、したがって全体としての環境への影響が挙げられる。この処理工程の経済的誘引の結果として、好結果を得て処理される廃棄物の流れの量およびそれらの有用な材料の流れへの変換が増加した場合、当然、対応する天然資源の消費の低減が達成される。

本発明の他の利点、特徴および詳細は、図面を参照した好ましい実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。

図１によれば、両面をＰＥ層１２で被覆したアルミニウム合金の中央層１４を有する厚さｅの複合ストリップ１０が、搬送方向と交差するデフレクタ壁２０に向かい、搬送方向ｘに送られる。加速による推進力、およびこの推進力のデフレクタ壁２０に衝突しての急な停止、および結果として生じる複合ストリップ１０の層１２、１４間の衝撃波により、例えば厚さ、弾性、延性などそれぞれの材料の物理的相違を利用し、複合ストリップ１０の構成要素１２、１４の挙動の差異を利用して、これら構成要素を分離する。

デフレクタ壁２０への衝突により、変形しやすい材料、例えばアルミニウム層１４が変形する一方で、弾性材料すなわち２つのプラスチック層１２は、衝突のエネルギーを吸収し、この結果、これらＰＥ層１２の構造は変化しないか、あるいはわずかの変化しか発生しない。複合材料１０がこのような処理を受けた場合、金属層１４が変形する一方で、プラスチック層１２は、短時間の変形の後に復元力によって当初の状態に戻る。この複合材料１２、１４の挙動の相違が、両者の間にせん断力を生じさせ、層１２、１４をそれらの界面に沿って分離させる。混合物においては分解が生じることはないが、やはり物理的な相違のため、混合物中の各材料が異なる構造を有するようになる。このようにして、前述の物理的特性に応じて、各材料の特有の構造体が生成される。

図１の工程ｂ）は、アルミニウム層１４の大きく恒久的な変形、および２つのプラスチック層１２の極めて短時間の変形を示しており、層１２、１４の材料間の界面にせん断力が生じている。

図１の工程ｃ）においては、このとき球形となったアルミニウム層１４およびプラスチック層１２の両方が衝撃方向ｘの反対方向に跳ね返っており、プラスチック層１２が、復元力の結果として、工程ｂ）の変形状態から再度伸びている。金属は変形し、その結果、巻かれた金属層１４によって生じる球形構造となる。これらの球は、このとき、処理前の平板構造における以前の寸法の数倍の直径を有する。

前述の変化は図２において明らかである。工程ａ）は、帯状の層１２、１４を有する当初の材料１０を示している。分離の進行は工程ｂ）で見ることができ、層１２が裂けて離れ、中央のアルミニウム層１４は、衝撃方向ｘと反対方向に向かって舌状に丸まり始めている。工程ｃ）では、中央層１４が次第に球形構造を取りつつあり、工程ｄ）において球形１４に達する。層１２は、前述のとおり当初の形状に復帰する。

図３においては、相互に対向しているデフレクタ面２４、２４ａが、水平方向の間隔ｂで、平行な湾曲を有して半径方向の間隔ａで離れている２つの壁面２２、２２_ａから突き出ており、一方の壁面２２が、他方の壁面２２ａを基準として方向ｙ、かつ複合材料１０の搬送方向ｘに回転している。粒子の衝突運動を示す線は符号ｚで示されている。

図４では、ロータ軸Ａを中心とする回転方向ｙ_１を有するロータ２６が示されており、材料の混合物が、参照符号３０において上方からロータ２６に供給される。混合物中の複合材料１０は、重力によって下方に誘導され、螺旋状の搬送経路が参照符号３２で示されている。下方から処理用空気が導入され、この空気の流れの経路３４は搬送経路３２と逆方向に進む。ロータ室２８内における複合材料１０の滞留時間は上昇気流によって左右され、容易に分散する粒子および塵埃は、渦流となって運び去られて、参照符号３６の処理用空気と共にロータ２６から出る。

エネルギー回収の工程は図５で見ることができるが、ここでは、機械的前処理における通常の処理手順、すなわちベール・オープナ（bale opener）（随意にはボール式の粉砕機の形式であってもよい）および乾燥設備、前粉砕機、Ｆｅ分離器、ならびに非鉄材料切断器を用いる機械的前処理は図示していない。乾燥機から廃棄物がフィルタに到達し、一方、有用な回収可能材料は、切断器から取り出されて機械的処理設備に送られる。非鉄材料切断器の下方には、エネルギーとして回収可能な物質（残った有機物質）のための熱回収設備が配置されている。図示されている構成要素は、投与装置４２の上流のミキサまたは充填装置４０、および投与装置４２に後続する回転パイプ式ガス化または流動床燃焼のための設備４４である。この設備は、スラグまたは灰、ならびに燃焼ボイラ４６に供給されるガスを生成する。燃焼ボイラ４６で発生する蒸気は蒸気タービン４８に到達して、電気エネルギーを生成する。燃焼ボイラ４６から取り出された熱は、機械的前処理プロセス５０に供給される。この流れ図の下方の領域には、回転パイプ式ガス化プロセス４４からのスラグまたは灰が、セラミック・バインダまたは水系バインダの製造に使用されるＫＢＳ（セラミック・バインダ・システム）プロセスへと、放出パイプ５２を通して供給されることが示されており、このＫＢＳプロセスが図６に示されている。ここで、追加の材料がミキサまたは充填装置４０ａに供給される。混合の後、投与装置４２ａで投与が実行され、投与装置４２ａから水系バインダを製造するミル５４に塊状材料が送られる。

図７による機械的処理段階においては、粉砕機２８ａに鉄材料切断器３０が続き、鉄材料切断器３０の出口３１に機械的分解のための設備３６ａが位置しており、設備３６ａに非鉄材料切断器３２ａが続いている。この設備において、非鉄成分およびプラスチック成分が一方に分離され、エネルギーの形態で回収できる成分が、他方に分離される。非鉄成分は、テーブル仕分け装置６０を有するふるい分け設備５８に達して、銅、軽金属、および種々の重金属の各成分が取り除かれる。

非鉄材料切断器３２ａからのプラスチック成分は、これらをポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）およびポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）の各成分に分離する分離器６２に到達する。これらの物質は、いずれの場合にも合成設備に送られ、そこから該当する粒状体が取り除かれる。

図８は、家庭廃棄物についての処理流れ図である。この廃棄物は、投入材料として参照符号６４で機械的前処理を実施され、金属やプラスチック混合物などの有用な回収可能材料（特に重金属）は、放出口６６を通って機械的処理設備７０に送られる。この機械的処理設備７０には、前もって分別された産業系廃棄物６９を送ることも可能である。重金属が廃棄物から取り除かれ、スラグ質の材料は水系バインダの出発物質として製造される。

エネルギーとして回収可能な物質は、別の処理のために放出口６８を通過する。有用な回収可能材料の成分は、機械的に処理されて、参照符号７１（金属）、７１ａ（プラスチック）および７１ｂ（無機物）で示されている最大４つの成分に分離される。エネルギーとして回収可能な成分も存在し、管路７２を経由して放出口６８からのこれの塊状材料に導かれる。収集されたエネルギーとして回収可能な物質成分は、設備７４においてエネルギー・プロセスによって処理され、得られた熱エネルギーは、参照符号７６において機械的分離処理に戻される。

エネルギー回収プロセス７４からのスラグおよびフィルタ処理済みの塵埃は、ＫＢＳプロセスを備える設備５３に達し、水系バインダが取り出される。

デフレクタ壁への衝突による複合材料の分解についての処理手順を、３工程で示した図である。 デフレクタ壁に送られる複合材料の変形を４段階で示している。 処理の間において回転するデフレクタ面の概略平面図である。 ロータの側面を示した図である。 エネルギー回収工程についての処理流れ図である。 ＫＢＳ（セラミック・バインダ系統）プロセスについての処理流れ図である。 機械的処理工程についての処理流れ図である。 家庭廃棄物についての処理流れ図である。

Claims (19)

1. 廃棄物を処理して固体の有機もしくは無機材料またはこれらの複合材料もしくは混合物からなる製造物を再利用する方法であって、
   複合材料または混合物中の成分の分解または分離が、前記複合材料または混合物の流れを急に停止させる装置による衝撃によってなされることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
2. 請求項１において、処理用空気が、垂直軸（Ａ）を有するロータ（２６）内に生成される螺旋状に下方に向かう搬送経路（３２）に、逆方向に回転して上昇する流れの経路（３４）で供給されることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
3. 請求項２において、複合材料の層間に、ロータ（２６）のデフレクタ壁（２０）に衝突した衝撃波が生成されることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
4. 請求項２または３において、同軸かつ半径方向の相互の間隔（ａ）で配置された２つの壁面（２２、２２ａ）が、それらの軸を中心として互いに相対回転し、遠心力によって駆動される複合材料または混合物が、デフレクタ壁面から半径方向に突き出たデフレクタ面（２４）の間で駆動および分離されることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、複合材料（１０）がデフレクタ壁面（２０）に衝突した衝撃で分解し、この複合材料（１０）の金属成分が球状に変形することを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
6. 請求項５において、層状の金属成分が、変形過程において巻き上げられることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、複合材料または混合物が、分離または分解処理に先立って粉砕され、複合材料が１０ｍｍ〜５０ｍｍの粒子サイズに小さくされることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、分離または分解処理に先立ち、複合材料に熱による前処理が加えられることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一項において、分離または分解工程から排出された材料が、分離および／またはふるい分け処理にかけられることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
10. 請求項９において、分離または分解工程から排出された材料が、非鉄金属を分離する処理にかけられることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
11. 請求項９または１０において、分離が、分離装置のテーブル上および／または流動床分離装置により実施されることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項において、分離後に、金属成分および／またはプラスチック成分が圧縮されることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項において、プラスチック材料が、ターボ・ラミナ分離および／または選別によって相互に分離されることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
14. 請求項８または９において、金属成分および／またはプラスチック成分が、分離後に押し出されることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用方法。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法を実行する装置であって、
    複合材料（１０）または混合物の搬送経路（３２）が、ロータ（２６）内部空間（２８）で処理用空気（３４）の流れの経路と反対方向に導かれることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用装置。
16. 請求項１５において、材料供給装置（３０）がロータ（２６）の最上部領域に配置されていることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用装置。
17. 請求項１５または１６において、搬送経路（３２）が、距離（ａ）離れて、相対移動可能な２つの壁面（２２、２２ａ）の間に配置され、この壁面（２２、２２ａ）の両面から搬送経路内にデフレクタ面（２４、２４ａ）が突き出し、このデフレクタ面（２４、２４ａ）が互いにずれて配置されていることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用装置。
18. 請求項１７において、壁面（２２、２２ａ）が同軸の曲面であることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用装置。
19. 請求項１７または１８において、壁面（２２、２２ａ）が、ロータ（２６）の回転方向（ｙ_１）に回転可能に軸受で支持されていることを特徴とする、廃棄物の処理・再利用装置。
    

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