JP2008106127A - 固体燃料およびそれを使用したセメントクリンカの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】廃プラスチックを主体とする可燃物（以下、廃プラ類）から、セメントクリンカ焼成に大量に使用可能な燃料を提供し、セメントクリンカを製造すること。
【解決手段】廃プラ類を３００〜４００℃で溶融して、その過程で塩素を除去する。次に塩素を除去した廃プラ類の溶融物から空気輸送が困難な大きな異物を除去し、除去した異物を多く含む可燃物をセメントキルンの窯尻に供給し、セメントクリンカを製造する。残りの溶融物からは、キルン主バーナ又はその補助バーナ若しくは仮焼炉での使用に適した固体燃料を製造し、セメントクリンカの焼成に利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、塩ビ含有プラスチックを主体とする可燃物（以下、廃プラ類）から製造される、セメントクリンカ焼成時に大量に使用可能な固体燃料と、その固体燃料を使用するセメントクリンカの製造方法に関する。

マテリアルリサイクルが困難な廃プラ類の多くは異物を多く含むため、ある程度の異物を許容したままでサーマルリサイクルを要望されることが多い。
異物が、少量の重金属のような場合や、種々雑多な金属や無機物のような場合には、それらの異物を取り込んで無害化できるセメントクリンカを、焼成する時の燃料として利用することが行われている。これは、廃プラ類の高熱量を有効に利用する上からも、また異物の分離をかなりの程度まで不要とすることからも、極めて経済的なリサイクル方法である。

しかし、異物を含むような雑多な廃プラ類をセメントクリンカ焼成用の燃料として利用する上で、いくつかの問題点がある。

まず、鉄筋コンクリートとしてセメントを使う際の鉄筋腐食防止の必要性などから、セメント中の塩素はＪＩＳで２００〜３５０ｐｐｍに抑えられている。しかし、特に分別していない廃プラ類では、主に塩ビ類を起源とする塩素を数％含むことが多い。そのため、塩ビ類を分別して使うことが多く、利用できる廃プラ類が制限されているのが現状である。

また、燃焼やハンドリングを良好とするために大きさや形状が種々異なる廃プラ類を、安定して処理することができる解砕機や破砕機はなく、この点からも利用できる廃プラ類が限られている。

更に、異物の中には、ハンマーやレンチのような金属塊や、また、マッチやライターや電池のような常温でも着火する可能性のある危険物を含むものが混入していることも多く、細かくして輸送する工程で、機械を壊したり火災を起こしたりすることもある。

また、輸送やハンドリングにも、廃プラ類をキルンや仮焼炉の燃料として利用する場合、現在主に燃料として利用している微粉炭と同様に空気輸送しようとすると別の問題が発生する。
例えば、中身が詰まった硬質と呼ばれる無垢かそれに近い物を輸送する場合、大きくなると空気輸送ではプラグフローを起こしやすくなり一定量を連続して供給するのが阻害される。
逆に軟質と呼ばれるフラフ状の物は、空気輸送の際、軽いためにロータリーフィーダやスラットバルブといったエアシールの部分から落ちてこなかったり、そこで圧密されて輸送を阻害したりするトラブルを発生させやすい。もともと容重が低く嵩張る上、そのようなトラブルを回避するためにも、大きな設備が必要となる。

このような問題に加えて、色々な種類や形状の廃プラ類を同時に燃料として利用しようとすると、供給する廃プラ類の発熱量や容重の変動も大きくなるので、燃料として所定の熱量を供給するのが困難になる。つまり、燃料として系へ供給する熱量が変動して、どうしても廃プラ類の使用量が限られてしまうという問題があった。

このような状況下、例えば特許文献１では塩ビ類の利用方法が提案されている。
また、特許文献２では熱量の安定化が提案されている。
特開平１１−２８６６８５号公報 特開２００４−２９２２００号公報

本発明は、上記課題を解決し塩ビ含有プラスチックを主体とする可燃物を大量に安定的に処理することにより得られる固体燃料および固体燃料を使用してセメントクリンカを製造するための方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、廃プラ類を主体とする廃棄物の特徴や、投入可能なセメント焼成用燃料のサイズ的・成分的な許容度の高さから、廃プラ類の最適な利用方法を考えて本発明の完成に至った。

即ち、本発明は、廃プラ類から製造した、セメントクリンカ製造に適した燃料の発明であって、塩ビ含有プラスチックを主体とする可燃物と該可燃物以外の異物を含む廃棄物を３００〜４００℃の温度に加熱し、加熱後の残渣物から異物を除去し、異物を除去した後の残渣物を成形してなる可燃部分中の塩素量が１重量％以下である塩素含有プラスチックを主体とする可燃物由来の固体燃料である。

また、本発明は塩ビ含有プラスチックを主体とする可燃物と該可燃物以外の異物を含む廃棄物を３００〜４００℃の温度に加熱し、加熱後の残渣物から異物を除去し、異物を除去した後の残渣物を成形してセメントキルンバーナーおよび／または仮焼炉に供給し、加熱後の残渣物から除去された該異物を多く含む可燃物をセメントキルンの窯尻に供給することを特徴とするセメントクリンカの製造方法である。

本発明によれば、塩素を塩ビで含む廃プラ類から塩素を除去し、焼成用の燃料として有効利用して、セメントクリンカを製造することが可能となる。

また、本発明によれば、品質的にもサイズ的にも均質化した燃料を得ることができるので、燃料の熱量や輸送も安定する。よって、所定の質量の燃料を供給するだけで、所定の熱量を安定して供給することができ、廃プラ類を大量に使用した安定運転が可能となる。

本発明において用いられる塩ビ含有プラスチックは、塩化ビニールなどの塩素を含有するプラスチックを含むものをいう。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどの汎用ブラスチックや他のプラスチックやいわゆるゴム類の方が多いこともある。また、紙、布、木、畳などを含んでもよい。
塩ビ含有プラスチック中の塩素含有量は、１から７０重量％である。塩ビ含有プラスチックを主体とする可燃物が大きければ、予め最長部が３００ｍｍ程度以下にしておくことが好ましい。
また、後述するチップの成形性を考慮すれば、３００℃以上で溶融または軟化するプラスチックが９０重量％以上であることが好ましい。

本発明における可燃物以外の異物は、金属製や磁器製・セラミック製・石などの可燃物以外のものをいう。異物は種々雑多で大きさもさまざまであるが、最長部が概ね１０ｍｍ以上である。具体例としては、前述したハンマーやレンチのような金属塊や、また、マッチやライターや電池などが挙げられる。廃棄物中に含まれる可燃物以外の異物の割合は、２０重量％、好ましくは１０重量％である。

通常プラスチックと呼ばれる有機高分子の多くはその名称の語源の通り可塑性があり、特に汎用プラスチックと呼ばれるポリエチレン、ポリプロピレン、塩ビ、ポリスチレンは、１００℃かそれより多少高い温度で柔らかくなり、塑性変形が容易になる。これら汎用プラスチックで廃プラ類の半分以上、通常は７割以上を占めるので、これら汎用プラスチックを塑性加工して燃料用チップとして回収できれば、かなり効率的にセメントクリンカ焼成用燃料を製造できる。
また他の多くのゴムを含むプラスチック類も３００℃まで加熱すれば軟化するので、小さな力で成型することができ、前記塑性加工で回収できるプラスチックの量を９割程度以上に増やすことができる。

塩素含有プラスチックを主体とする可燃物と該可燃物以外の異物を含む廃棄物は、加熱することにより廃棄物中の塩素分を揮発させ除去することができる。加熱温度は、３００〜４００℃、好ましくは３００〜３５０℃である。３００℃未満であれば、塩素分を十分に揮発させることができず、４００℃を超えると他のプラスチックのガス化速度が急激に上がるため、固体燃料の取得量が低下する。加熱時間は、通常設備では１０から１２０分である。

廃プラ類の加熱・溶融装置としては、鍋やキルンや押し出し機が挙げられるが、スクリューで攪拌したり、更に攪拌を高速化してその摩擦による加熱を利用することもできる。 また、廃プラ類の加熱・溶融方法としては、鍋やキルンに廃プラ類を投入し、高温の蒸気やオイルや排ガスで間接加熱する方法も可能であり、一般的なプラスチックや廃プラスチックの溶融設備としても多く稼動している。また、廃プラ類を３００℃以上の高温にまで加熱するので、酸素の少ない３００〜４００℃の排ガスを直接接触させて直接加熱と部分燃焼を行いながら廃プラ類を加熱する装置も有効である。
これらの加熱により、可燃部分中の塩素量が１重量％以下である塩素含有プラスチックを主体とする可燃物由来の固体燃料を得ることができる。

加熱によって塩素を除去した溶融物から異物は除去される。異物を除去する手段としては、篩やスクリーンを利用した設備が挙げられる。
溶融プラスチックは粘性が高くなる場合もあるが、強度の問題が許せば、ほとんどの種類の篩やスクリーンが利用可能である。篩目は、金網やパンチングメタル、ハニカム状の物を利用できる。また、ディスクスクリーンのような多重円盤も利用可能である。
除去した異物に付着している溶融した廃プラ類は、セメントキルンの窯尻に供給して燃料として利用できるので、特に取り除く必要はないが、篩目で固着しないように篩や雰囲気を、溶融を継続するのに十分な１００℃かそれより多少高い温度以上に保っておく必要がある。

空気輸送が困難なチップは、キルンや仮焼炉の燃料として利用しづらく、窯尻で使う方が好ましい。この空気輸送が困難なサイズを考えると、質量が１０ｇ程度以上の物で、金属などを異物として含むことも多いため、概ね２０ｍｍφの球より大きくなる。こうしたサイズの異物は、溶融した廃プラ類を２０ｍｍの目のスクリーンの目を通せば除去できる。
２０ｍｍの目のスクリーンは、構造としては、一辺が１０ｍｍ程度の正六角形（対角の最長長さは２０ｍｍ程度になる）の穴から構成される適度な厚みのあるハニカム状の物に、溶融物を押し付けることで、それより大きな異物が通過できずに除去される。このハニカム状物の通過穴は前記正六角形の角柱に限らず、一辺が２０ｍｍ程度の四角柱でもよい。またハニカム構造に限らず、通過穴径が２０ｍｍ程度の円柱状でもよく、この場合、厚みのあるパンチングメタルのような構造となる。また、前記では穴の形状を柱状で記述しているが、通過後方が広くなるようなテーパー構造の方が、異物の詰まりが少なくなるので好ましい。
篩目を出た廃プラ類をそのまま冷却・固化後、３０ｍｍ以下で切断すれば、セメント製造装置の仮焼炉に供給するのに適した一辺が２０ｍｍで長さが３０ｍｍの四角柱より小さく成形できる。
篩目を通らずに残った異物やそれに付着した廃プラ類は、そのまま固化してセメントキルンの窯尻に供給して燃料として利用できる。また、その量が多ければ、再びこの固体燃料を製造するプロセスに戻して利用することもできる。

仮焼炉の燃料として使用するには、抜け落ちと呼ばれる、投入した物が窯尻の方へ直接落下する現象が起きない程度には小さくする必要がある。抜け落ちないための条件は、厳密には仮焼炉の形状にもよるが、多くの設備では抜け落ちを減らすために流路の一部を絞って４０ｍ／ｓ以上の上昇流を作っていることが多い。従って、一般的な設備では、抜け落ちないためのサイズは、球形の場合２０ｍｍφ程度以下となる。

このようなサイズのセメントクリンカ焼成用燃料は、前記と同様に、一辺が２０ｍｍ程度の正六角形や、一辺が２０ｍｍ程度の正四角形の穴からなるハニカム状の篩や、２０ｍｍφ程度の穴が無数に開いた板を篩として、溶融物を押し出して、３０ｍｍ以下の長さに切断することで製造できる。
また、セメントキルンバーナーに固体燃料を供給する場合は、一辺が５ｍｍで長さが１０ｍｍの四角柱より小さく成形する。

キルン主バーナ又はその補助バーナの燃料として利用するには、重すぎて余り遠くに飛ばずに、窯前近くの焼成中の原料上に落ちて燃焼するのを防ぐ必要がある。その量が多くなるとクリンカの還元雰囲気での焼成の影響が強くなりすぎて品質上の問題が起こる。そのため、かなりの部分の燃料がある程度気流に乗って１０ｍ程度以上は飛ぶ必要がある。
そのようなサイズは供給方法、つまり同伴空気の速度やバーナの位置などで異なるが、観察や計算の結果、無垢のものでサイズが５ｍｍ程度の物であった。また、５ｍｍではサイズ的に大きいため燃え遅れによる悪影響が懸念されたが、プラスチックの場合その程度のサイズでは、キルンの１０００℃以上の雰囲気でほとんどが揮発後に現状の微粉炭などの燃料並みに良く燃えている模様で、熱量の２割程度を置き換えても全く影響は出なかった。また、他の燃焼実験から見ても燃焼には問題が無く、熱量の供給が安定すれば全量を本発明の燃料に置き換えることが可能である。

このようなサイズのセメントクリンカ焼成用燃料は、前記と同様に、一辺が２．５ｍｍ程度の正六角形や、一辺が５ｍｍ程度の四角形の穴からなるハニカム状の篩や、５ｍｍφ程度の穴が無数に開いた板を篩として、溶融物を押し出して、１０ｍｍ以下の長さに切断することで製造できる。

篩上に残った金属やセラミックなどの異物は、付着した廃プラ類と共に固化して、窯尻で焼成用燃料として使用することで、廃棄物を出さずにセメントクリンカを製造することができる。

本発明によれば、品質的・サイズ的に均質化したチップを使用することができ、代表サンプルを得やすくなり、例えば発熱量の分析精度が上がる。それ故に、計量機と熱量計とを組み合わせて制御すれば、キルン主バーナ又はその補助バーナに、本発明の燃料を所定の発熱量で供給でき、キルン主バーナの燃料を、本発明の燃料に全量置き換えることも可能となる。また、仮焼炉の燃料を本発明の燃料に全量置き換えても、仮焼炉を安定して運転できる。また、前記キルン主バーナ又は仮焼炉に投入する燃料製造時に副生される、異物を多く含む可燃物を窯尻に投入して燃料として利用することで、廃棄物を発生させないセメントクリンカを製造することができる。

本発明によれば、廃プラ類の使用量を増やすことができるので、埋め立て処分されている廃プラ類を減らすこともできる。
また、異物を含む廃プラ類も、窯尻に投入できる窯尻用の燃料として回収が図れるので、廃棄物の発生しないセメントクリンカを安価に製造できる。

文献や発明者が行った追加的な実験などから、塩ビを３００℃に加熱すると、塩ビ中の塩素を８０％程度以上除去できることが分かった。このことから、未分別の場合比較的多く発生する塩ビが起原の塩素を１％以上で５％以下の割合で含む廃プラ類を、３００℃に加熱することで塩素を概ね１％以下にできる。同様に３５０℃まで加熱すると、塩ビ中の塩素を９０％程度以上除去できるので、特に塩ビが多くないほとんどの廃プラ類の塩素を概ね１％以下にできる。

図１は本発明に関わる燃料製造のプロセスフローの一例である。
以下に図に即して、その実施例を記述するが、以下の方法に限定するわけではない。

廃プラ類の異物除去や粗砕は、廃プラ類か次工程で処理できるように、設備に合わせて５０〜３００ｍｍ以下になるように異物除去や粗砕を行うが、受け入れる廃プラ類によっては不要である。

廃プラ類の加熱・溶融方法としては、外部を３００〜４００℃に熱したチューブに供給し、スクリューで押し出しながら、混合と移動を行う方法が一般的である。

大サイズ分離は、ハニカム構造のスクリーンを通過させることで、篩とチップ化の成形を兼ねて行う。篩の穴を通過させ適当な長さに裁断してチップ化した固体燃料を、サイズに応じてセメントキルン若しくは仮焼炉に、気体に同伴させて吹き込むことで、セメントクリンカの焼成に利用する。
篩を通らなかった廃プラ類の付着した異物は、そのまま固化し、セメントキルンの窯尻に投入することで、異物をほとんど分離せずに廃棄物を排出しないセメントクリンカを製造する。

排ガス処理は、ＣＯなどの可燃性ガスやタールや一部未燃物を含むので、ダイオキシン対策を兼ねて８００℃以上に加熱して燃焼させ、冷却後、塩素（塩化水素）を炭酸カルシウムや水酸化ナトリウムに吸収させて処理し、バッグフィルタを通して排出する。

本発明を利用すれば廃プラ類の減容化も可能で、一度加熱されることで発火などに対して安定化も図れるので、輸送も安全で効率的になる。従って、セメントクリンカの焼成装置の近くのみならず、廃プラ類の収集個所で本発明の燃料を製造することもできる。

本発明に関わる燃料製造プロセスフローである。

Claims (4)

1. 塩ビ含有プラスチックを主体とする可燃物と該可燃物以外の異物を含む廃棄物を３００〜４００℃の温度に加熱し、加熱後の残渣物から異物を除去し、異物を除去した後の残渣物を成形してなる可燃部分中の塩素量が１重量％以下である塩ビ含有プラスチックを主体とする可燃物由来の固体燃料。
2. 前記固体燃料は一辺が２０ｍｍで長さが３０ｍｍの四角柱より小さい請求項１記載の塩ビ含有プラスチックを主体とする可燃物由来の固体燃料。
3. 前記固体燃料は一辺が５ｍｍで長さが１０ｍｍの四角柱より小さい塩ビ含有プラスチックを主体とする可燃物由来の請求項１記載の固体燃料。
4. 塩ビ含有プラスチックを主体とする可燃物と該可燃物以外の異物を含む廃棄物を３００〜４００℃の温度に加熱し、加熱後の残渣物から異物を除去し、異物を除去した後の残渣物を成形してセメントキルンバーナーおよび／または仮焼炉に供給し、加熱後の残渣物から除去された該異物を多く含む可燃物をセメントキルンの窯尻に供給することを特徴とするセメントクリンカの製造方法。

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