JP2008110274A - 粉体化装置及び粉体化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物を効率よく粉体化できる粉体化装置及び方法を提供する。
【解決手段】水平方向に伸びる筒状容器１０と、筒状容器１０の軸に沿って配置された回転軸２０と、回転軸２０から離れて筒状容器１０の内壁に近い位置に回転軸２０と平行に設けられた複数のロッド３０と、複数のロッド３０を回転軸２０に固定するロッド固定部材４０と、各ロッド３０に設けられた打撃部材５０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物を粉体化する粉体化装置及び粉体化方法に関する。

近年のリサイクル機運の高まりと共に、塩ビ等の樹脂層と裏打ち紙（パルプ繊維層）とを張り合わせた樹脂壁紙や、塩ビ等の樹脂層とナイロンやポリエステル製の繊維層とを張り合わせた、又は、樹脂層間に繊維層を挟み込んだ、又は、繊維層に樹脂を含浸させた、タイルカーペット、防音シート、防水シート、工事用安全ネット等の異種材料からなる複合材料を効率よくリサイクルすることが求められている。このような複合材料をリサイクルするためには複合材料を粉体化し、粉体を材料毎に、例えば、樹脂粉と、繊維とに分離することが必要である。

このような複合材料を効率よく粉体化する方法として、特許文献１に記載されたような切削法、特許文献２に記載されたようなシュレッダー法、特許文献３〜４に記載されたような剪断法及び回転ハンマ法等が知られている。また、コンクリート廃棄物等のより硬い材料を破砕する装置として、特許文献５〜６等のチェーン回転型の破砕方法等が知られている。
特開２００３−８８７７２号公報 特開２００３−２４８１７号公報 特開２００３−１２７１４０号公報 特開２００３−３２０５３２号公報 特開２００６−６１９８９８号公報 特開２０００−１８９８２３号公報

しかしながら、本発明者らが検討したところ、従来の方法では複合材料を３００μｍ程度以下まで効率良く粉体化することができず、したがって、複合材料を構成素材ごと、例えば、樹脂粉と繊維とに機械的に分離することが困難であった。

本発明者らが検討したところ、水平方向に伸びる筒状容器内でハンマ等の打撃部材を固定した回転軸を極めて高速、たとえば、打撃部材の周速が５０ｍ／ｓ以上、より好ましくは、１００ｍ／ｓ以上で回転させると、複合材料を３００μｍ以下にできることが判明した。しかしながら、従来の回転型の装置でこのような周速を得ることは困難であり、また、電力の消費量も極めて大きい。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、対象物を効率よく粉体化できる粉体化装置及び方法を提供することである。

本発明にかかる粉体化装置は、水平方向に配置された筒状容器と、筒状容器の軸に沿って配置された回転軸と、回転軸から離れて筒状容器の内壁に近い位置に回転軸と略平行に設けられた複数のロッドと、複数のロッドを回転軸に固定するロッド固定部材と、各ロッドに設けられた打撃部材と、を備える。

本発明によれば、ロッドが回転軸から離れた筒状容器に近い位置に設けられ、このロッドに打撃部材が設けられている。したがって、回転軸に近い位置に打撃部材を設ける場合に比べて、回転半径方向における打撃部材長さが小型化され、打撃部材による空気抵抗が小さくなる。これにより、回転軸の高速回転が容易となり、また、運転に必要な電力も低減できる。

そして、打撃部材が高速で回転するので、対象物が、高速で回転する打撃部材の先端部分と筒状容器の内周面との間を高速運動して、衝突や摩擦により３００μｍ以下に迅速に粉体化される。

また、各ロッドには複数の打撃部材が設けられているので、打撃部材が回転する領域を回転軸方向に長くかつ連続的に形成することが可能であり、効率の良い粉体化が可能である。

ところで、このような粉体化装置において、種々の材料を複合化した複合材料を粉体化すると、遠心力の作用により筒状容器内で軽質粉が半径方向内側すなわち回転軸に近い側に集まり、重質粉が半径方向外側すなわち筒状容器の内壁に近い側に集まる傾向がある。

そこで、ロッド固定部材は、少なくともロッドよりも回転半径が短い部分において回転軸の軸方向へのガス及び／又は粉の流通を可能とする開口または切欠きを有することが好ましい。

これにより、半径方向内側において軸方向へのガスの流通が可能となり、このガス流れと共に半径方向内側に偏析した軽質粉を選択的に外部に排出させることができ、分離機能も発揮させることができる。

この場合、特に、筒状容器内において回転軸からの距離が互いに異なる位置に、粉体化された対象物の出口がそれぞれ設けられていることが好ましい。

これによれば、半径方向外側の出口から重質粉を選択的に排出させ、半径方向内側の出口から軽質粉を選択的排出させることができる。なお、３つ以上の出口を設けても良い。

また、出口のうち回転軸からの距離が最も長いものは筒状容器の周面に形成されることが好ましい。

これにより、回転している粉体をスムースに排出させることができるという利点がある。

また、回転軸は、打撃部材の先端の周速が５０ｍ／ｓ以上、好ましくは１００ｍ／ｓ以上、より好ましくは１２０ｍ／ｓ以上となるように回転されることが好ましい。これにより、十分な粉体化が可能である。

また、打撃部材は、各ロッドの周りを回動可能に固定されていることが好ましく、これにより、打撃部材が対象物との衝突により生じる衝撃を吸収可能となり、また、繊維の無用な切断が軽減され、打撃部材の寿命が延びるという効果がある。

また、板状のロッド固定部材を軸方向に３枚以上備え、各ロッドは各ロッド固定部材を貫通しており、各固定部材間に複数の打撃部材がそれぞれ設けられることが好ましい。これにより、構造が簡単化され、製作、メンテナンス性が高まる。

また、容器を冷却する冷却手段や、容器内に冷媒を供給する冷媒供給手段をさらに備えることが好ましい。容器内に、液化炭酸ガス、液化窒素ガス、水蒸気、水ミスト、冷却空気等の冷媒を供給することによっても、筒状容器内の、対象物粉や打撃部材の過熱を抑制できて好ましい。また、容器内に投入する対象物を予め予冷する対象物予冷装置を備えることも好ましい。

また、容器の内壁には凹凸が形成されていることが好ましい。容器の内壁に凹凸が形成されていると、対象物がこの凹凸に衝突することや、この凹凸によって乱流が発生して対象物同士の衝突を促進できるために、容器の内壁に沿って回転運動する対象物の粉体化をより促進することができる。

また、本発明にかかる粉体化方法は、上述の粉体化装置により対象物を粉体化する粉体化方法である。

本発明によれば、対象物を効率よく粉体化できる粉体化装置及び方法が提供される。

本発明の第１実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態に係る粉体化装置１は、主として、筒状容器１０、回転軸２０、ロッド３０、ロッド固定部材４０、及び、打撃部材５０等を備える。

筒状容器１０は、略水平方向に伸びる円筒状の容器である。筒状容器１０は中空のジャケット構造（冷却手段）を有しており、ジャケット１０ａ内部を水等の冷媒が流通可能となっている。ジャケット１０ａにはラインＬ１を介して、冷媒供給装置５からの冷媒が供給される。

なお、筒状容器１０がジャケット構造を有さない場合には、筒状容器１０の外面に水等を滴下して冷却しても良い。また、筒状容器１０は、メンテナンス性を考慮して、上下方向及び／又は左右方向に分割可能とされていても良い。筒状容器１０の両端は、円板１４でそれぞれ閉じられている。

回転軸２０は、両方の円板１４を貫通するように、かつ、筒状容器１０の軸に沿うように、好ましくは筒状容器１０の軸と同軸に配置されている。円板１４において回転軸２０が貫通する部分には、それぞれ、ガスや粉塵のシールが可能な軸受１５が設けられている。

また、回転軸２０は、筒状容器１０の両外側にそれぞれ配置された軸受２２により軸周りに回転可能に支持されている。さらに、回転軸２０の端部にはモータ２４が接続されており、回転軸２０を高速に回転可能となっている。回転速度は、たとえば、打撃部材５０の先端の周速、すなわち、打撃部材５０の最大回転半径における線速が５０ｍ／ｓ以上、より好ましくは１００ｍ／ｓ以上、更に好ましくは１２０ｍ／ｓ以上となる速度であることが好ましい。なお、２００ｍ／ｓ以上の超高速回転では、さらに威力を発揮する。

回転軸２０は、筒状容器１０内の部分において径が広くされた太径部２０ａを有し、この太径部２０ａに円形枠状のロッド固定部材４０が円形枠の軸が回転軸２０と同軸となるように固定されている。ロッド固定部材４０は、軸方向に所定間隔離間して多数設けられている。

そして、ロッド３０は、各ロッド固定部材４０を貫通するように軸方向と平行に伸びており、ロッド３０はロッド固定部材４０により回転軸２０に対して固定されている。

ロッド３０は、図２に示すように、回転軸２０に対して軸対称となる位置に複数本設けられている。なお、図２では、４本のロッドが、９０°ずつずれて配置されているが、２本のロッドを１８０°ずつずらして配置してもよく、３本のロッドを１２０°ずつずらして配置してもよく、複数であるｎ本のロッドを（３６０／ｎ）°ずつずらして配置することが高速回転の観点から好ましい。

また、ロッド３０の位置は、図1に示すように、回転軸２０の太径部２０ａと筒状容器１０との間において、回転軸２０の太径部２０ａから離れて筒状容器１０に近い側に配置される。

そして、各ロッド３０には、複数の打撃部材５０が固定されている。打撃部材５０は、図３の（ａ）に示すように、本体部５１及びパイプ部５２を有する。本体部５１の根元部５１ａにパイプ部５２が貫通するように設けられており、このパイプ部５２の開口にロッド３０が貫通することにより打撃部材５０がロッド３０に固定される。本体部５１は、パイプ部５２の軸方向から見た場合に、先端部５１ｂの幅５１Ｈが根元部５１ａの幅５１Ｌに比べて細くなるように先細形状とされている。パイプ部５２の軸方向における本体部５１の長さ５１Ｗは、先端部５１ｂの幅５１Ｈよりも長くされている。

図１に示すように、各打撃部材５０は、各ロッド固定部材４０間に複数配置されるようにロッド３０に固定されている。また、打撃部材５０は、ロッド３０に対して、ロッド３０の軸周りを回動可能に固定されている。これにより、打撃部材５０と非処理物とが衝突する際の打撃部材にかかる衝撃を低減でき、また、繊維の無用な切断を軽減でき、打撃部材の寿命が延びる。また、通常は、打撃部材５０にかかる遠心力により、打撃部材５０の先端部５１ｂが回転半径方向外側を向く。なお、打撃部材５０の先端部５１ｂと、筒状容器１０の内壁との間隔（図２参照）は、１〜２０ｍｍ程度とすることが好ましい。打撃部材５０やロッド３０の材料としては、例えば、ステンレス等の金属材料が挙げられる。

また、ロッド固定部材４０には、それぞれ、図２に示すように、回転軸２０の軸方向から見たときに、少なくともロッド３０よりも回転半径が小さい領域において、軸方向へのガス等の流通を可能とする開口４２が形成されている。

図１の左端側の円板１４には、対象物入口１４ａが形成されており、この入口１４ａには、対象物を供給するスクリューフィーダ７０が接続されている。スクリューフィーダ７０は、円筒７２、円筒７２内に配置されたスクリュー７４、スクリュー７４を回転させるモータ７６、及び、円筒７２の一端に対象物を供給するホッパ７８を備え、円筒７２の他端が対象物入口１４ａに接続されている。

ホッパ７８内に供給される対象物としては、特に限定されないが、異種の材料を含む複合材料、たとえば、塩ビ等の樹脂層と裏打ち紙（パルプ繊維層）とを張り合わせた樹脂壁紙や、塩ビ等の樹脂層とナイロンやポリエステル製の繊維層とを張り合わせた、又は、樹脂層間に繊維層を挟み込んだ、又は、繊維層に樹脂を含浸させた、タイルカーペット、防音シート、防水シート、工事用安全ネット等の複合樹脂材料が挙げられる。特に、繊維と樹脂層とを含む複合材料が好ましい。また、単一組成の材料を粉体化することもできる。また、医薬品、食品等の原料、例えば、乾燥した昆布、きのこ等を粉体化することもできる。

ここで、容器１０内に供給される対象物は、事前に１００ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下に粗破砕されていることが好ましい。なお、対象物の形状は特に限定されず、粒状でもよく、チップ上、シート状でもよい。また、対象物は含水していてもよい。

左側の円板１４には、さらに、ガス入口１４ｂが複数形成されている。ガス入口１４ｂは、回転半径方向における位置が互いに異なるように設けられており、それぞれ、空気等のガスを筒状容器１０内に供給可能である。

筒状容器１０の周面における下部には、出口１０ｂが設けられている。出口１０ｂの先には、ラインＬ４を介して容器１２が接続されている。

右側の円板１４には、出口１４ｃが複数設けられている。各出口１４ｃは、回転半径方向の位置が互いに異なるように配置されている。各出口１４ｃにはラインＬ２を介して、バグフィルタ８０及び吸引ファン８２がそれぞれ設けられておいる。

これらの出口１０ｂ、１４ｃからの排出方法はこれに限定されず、スクリューフィーダ等を用いても良く、容器内の圧力により自然に排出させてもよい。これら出口１０ｂ、１４ｃからの粉体化後の対象物を排出する速度を制御することにより、滞留時間をコントロールしても良い。このようにして、出口１０ｂ、及び、出口１４ｃから粉体化された対象粉を排出することにより、後述するように、軽質粉と重質粉とを分離して排出することができ、本粉体化装置は分離装置としても機能し得る。なお、出口を３つ以上設けることも可能であり、分離が不要である場合には１つでもよい。また、出口１０ｂに代えて、例えば、図１において点線で示すように、右側の円板１４の半径方向最外側に出口１４ｄを設け、ラインＬ５を介してバグフィルタ８０及び吸引ファン８２を設けても良い。

続いて、本実施形態にかかる粉体化装置１を用いた粉体化方法について説明する。

まず、回転軸２０を回転させる。ここでは、上述のように打撃部材５０の先端の周速が所定の速度となるようにすることが好ましい。また、入口１４ｂから空気等のガスを供給する。

続いて、ホッパ７８からの対象物を入口１４ａから投入する。そうすると、対象物は高速回転する打撃部材５０によって筒状容器１０内を回転され、遠心力によって筒状容器１０の内面上を回転運動する。このとき、対象物は打撃部材５０との衝突や筒状容器１０の内壁との衝突や摩擦、あるいは、対象物同士での衝突や摩擦等により迅速に粉体化される。

そして、本実施形態では、ロッド３０が回転軸２０から離れた筒状容器１０の内壁に近い側に配置され、このロッド３０に打撃部材５０が固定されているので、打撃部材５０を回転軸の太径部２０ａに固定するのに比べて打撃部材５０の回転半径方向の長さを十分に小さくでき、回転軸２０の回転に要する空気抵抗を小さくできる。したがって、回転軸２０を従来に比して高速回転させることが容易であり、対象物を迅速に微粉化、たとえば、３００μｍ以下にすることが容易となる。そして、異なる材質を複合した複合材料を粉体化した場合には、各材質ごと、例えば、樹脂粉と繊維とに物理的に分離することができる。また、対象物が、紙、繊維等の繊維材料を含む場合には、筒状容器１０内において繊維の解きほぐしもなされる。さらに、回転に必要な電力も低減できるので、省エネ化が可能である。

さらに、筒状容器１０の内部では、高速回転により粉体化がなされた粉体に対して強い遠心力が働き、繊維等の軽質粉と、樹脂粉等の重質粉とが、半径方向に分離する。すなわち、軽質粉が半径方向の中心付近に、重質粉が半径方向の外側に分離される。また、ロッド固定部材４０には、開口４２が形成されているので、軸方向へのガス及び軽質粉の移動が可能である。特に、ロッド３０が、回転軸２０から離れた筒状容器１０の内壁に近い側に配置されているので、開口４２を十分に広く設けることができ、半径方向内側に集まってくる軽質粉の排出が容易となっている。

したがって、出口１４ｃからは半径方向内側に偏析した軽質粉が排出されフィルタ８０に捕集される一方、出口１０ｂからは半径方向外側に偏析した重質粉が排出されバグフィルタ８０に捕集される。すなわち、この粉体化装置１は、遠心分離装置としても機能させることができる。なお、出口１４ｃ、１４ｃが互いに回転半径方向に離間されていることにより、バグフィルタ８０、８０間においても分離が可能となっている。

この様にして粉体化された重質粉、例えば、塩ビ樹脂粉は、再生塩ビコンパウンド等の再生塩ビ材料として好適に利用でき、また、軽質粉も、例えば、パルプはフリース壁紙の材料や、土壌改良剤等として、繊維は、再生樹脂原料としてそれぞれ利用できる。

特に複合樹脂廃材、たとえば、塩ビ壁紙（塩ビ樹脂及び可塑剤約４０ｗｔ％、充填材約２０ｗｔ％、裏打ち紙約４０ｗｔ％）において、年間総排出量約１０万トンのうち再資源化されているのはわずか１０００トンであり、建設系廃棄物の中でももっとも再資源化が困難なものである。しかしながら、上述の装置及び方法によれば、３００μｍ以下程度まで微粉化が行われ、塩ビ樹脂＋可塑剤＋充填剤からなる樹脂コンパウンド粉と繊維粉とに分離された粉を得ることができる。また、遠心力によって、重質粉（例えば、塩ビ樹脂＋可塑剤＋充填剤からなる樹脂コンパウンド粉）と、軽質粉（裏打ち紙由来のパルプ）とに分離されるので、再利用も容易となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、さまざまな変形態様が可能である。

例えば、筒状容器１０は完全に水平方向に配置されなくても良く、例えば、３０°程度傾斜していても良い。また、筒状容器１０は、テーパ形状であっても良い。

また、ロッド３０も、回転軸２０と完全に平行でなくても、たとえば、ロッド３０の一端が回転軸２０に近づく又は遠ざかるように１０°程度傾いていても良く、また、ロッド３０の一端が回転方向に１０°程度傾いていても良い。

また、ロッド固定部材４０の形状は、開口４２を有して回転軸２０を取り囲む枠状でなく、例えば、図４に示すように、ロッド３０よりも回転半径が短い部分において回転軸２０の軸方向へのガス流通を可能とする切欠き４２ａが形成された、回転軸から放射状に伸びる構造でもよい。また、開口や切欠きが無いものでも、３００μｍ以下への粉体化は可能である。

また、打撃部材としては、図３の（ａ）のような形状でなくても構わず、例えば、図３の（ｂ）のように本体部５１が板状をなす、すなわち、軸方向の長さ５１Ｗが先端部５１ｂの幅５１Ｈより小さくても良く、図３の（ｃ）のように根元部５１ａが筒状で、先端部５１ｂが板状でありその板の一辺がパイプ部５２に固定された形状でも良く、図３の（ｄ）のように先端部５１ｂが棒状のものでも良く、図３の（ｅ）のように本体部５１がパイプ部５２を取り囲むリング状であり、本体部５１の内側の一部がパイプ部５２の外周と接して固定された偏心リング状のものでもよく、図３の（ｆ）のように、パイプ部５２を有さずに本体部５１に貫通孔５１ｃが形成されたものでもよく、図３の（ｇ）のように（ｂ）の本体部５１の回転方向側の側面にさらに刃が形成されたものでも構わない。

また、筒状容器１０内に静電気除去用のイオンを供給することも可能である。また、筒状容器１０の内周面にはセラミックコーティングを行っても良く、凹凸をつけても良い。

また、出口１０ｂの軸方向の位置は特に限定されず、また、２つ以上設けて対象物や運転条件によって使い分けても良い。

図１に示す装置により１０００ｋｇの塩ビ壁紙（塩ビ樹脂及び可塑剤及び充填材からなる樹脂コンパウンド約６０ｗｔ％、裏打ち紙約４０ｗｔ％）を粉体化した。打撃部材の先端の周速は１５０ｍ／ｓとした。

その結果、５０〜５００μｍ程度にまで粉体化がなされた。容器１２に回収された粉体は５５０ｋｇであり、その組成は塩ビ樹脂＋可塑剤＋充填材からなる樹脂コンパウンド粉が９０ｗｔ％、パルプが１０ｗｔ％であった。バグフィルタ８０に回収された粉体は４５０ｋｇであり、その組成は塩ビ樹脂＋可塑剤＋充填材からなる樹脂コンパウンド粉が２０ｗｔ％、パルプが８０ｗｔ％であった。これらパルプと塩ビ樹脂コンパウンド粉とは既に機械的に分離されており、篩等を利用したさらなる精密分離と分級処理により３００μｍ以下の樹脂コンパウンド粉及び繊維長１〜３ｍｍのパルプフィラメントを９９．５％以上の分離度で得ることができた。樹脂コンパウンド粉のＳＥＭ写真及びパルプのＳＥＭ写真を、それぞれ図５、図６に示す。

図１は、第１実施形態に係る粉体化装置の主として軸方向断面を説明する模式図である。 図２は、図１の粉体化装置の円筒付近軸方向に垂直な断面を説明する模式図である。 図３は、打撃部材の種々の形態（ａ）〜（ｇ）を示す斜視図である。 図４は、第２実施形態に係る粉体化装置の円筒付近軸方向に垂直な断面を説明する模式図である。 図５は、塩ビ樹脂＋可塑剤＋充填材からなる樹脂コンパウンド粉のＳＥＭ写真である。 図６は、パルプのＳＥＭ写真である。

符号の説明

１…粉体化装置、１０…筒状容器、１０ｂ…出口、１４ａ…入口、１４ｃ…出口、２０…回転軸、３０…ロッド、４０…ロッド固定部材、４２…開口、４２ａ…切欠き、５０…打撃部材。

Claims (6)

1. 略水平方向に配置された筒状容器と、
   前記筒状容器の軸に沿って配置された回転軸と、
   前記回転軸から離れて前記筒状容器の内壁に近い位置に前記回転軸と略平行に設けられた複数のロッドと、
   前記複数のロッドを前記回転軸に固定するロッド固定部材と、
   前記各ロッドに設けられた複数の打撃部材と、
   を備える粉体化装置。
2. 前記ロッド固定部材は、少なくとも前記ロッドよりも回転半径が短い部分において開口または切欠きを有する請求項１に記載の粉体化装置。
3. 前記筒状容器内において前記回転軸からの距離が互いに異なる位置に、粉体化された対象物の出口がそれぞれ設けられている請求項２に記載の粉体化装置。
4. 前記出口のうち前記回転軸からの距離が最も長いものは前記筒状容器の周面に形成された請求項１〜３のいずれかに記載の粉体化装置。
5. 前記回転軸は、前記打撃部材の先端の周速が５０ｍ／ｓ以上、好ましくは１００ｍ／ｓ以上、より好ましくは１２０ｍ／ｓ以上となるように回転される請求項１〜４のいずれかに記載の粉体化装置。
6. 請求項１〜５記載の粉体化装置により対象物を粉体化する粉体化方法。