JP2022525969A - ポリマー廃材からシリカを回収するための熱分解方法および熱分解反応器 - Google Patents

Abstract

本発明は、ポリマー廃材の少なくとも１つの非シリカ成分からシリカを分離するための熱分解を使用して、シリカを含有するポリマー廃材、特にシリカを含有するゴムまたはプラスチック廃材からシリカを回収するための熱分解方法および熱分解反応器に関する。廃材は、熱分解チャンバー１に送られ、マイクロ波放射によって廃材の少なくとも１つの非シリカ成分の分解温度に加熱される。分解温度は、少なくとも１つの非シリカ成分がシリカよりも高いマイクロ波吸収率を備えるように選択される。【選択図】図２ｂ

Description

本発明は、シリカを含有するポリマー廃材からシリカを回収するための熱分解方法および熱分解反応器に関する。特に、本発明は、シリカ含有ゴムまたはゴム組成物またはシリカ強化複合材料からの、特にシリカを含有するゴム配合物で作られた車両タイヤからの、シリカの回収に関する。

ポリマー廃材、特にゴムおよびプラスチックの廃材のリサイクルは、そのような材料からのスクラップの体積が毎年増加しているため、環境課題を提示する。埋め立て地に処理されたポリマー廃材は、何百年もの間環境に残留し、環境汚染の一因となる。廃材の焼却は、有毒な排出物を放出する場合があり、それは追加の処理が必要となる。したがって、ポリマー廃材の廃棄物管理は、困難であり、費用がかかる。

例えば、自動車のタイヤは、最大１４種類のゴム化合物、織物、および鋼の複合製品であり、これは耐久性があるように作られているが、構造が複雑なためリサイクルが非常に困難である。タイヤの製造に使用される最も一般的なゴムは、天然ゴム（ＮＲ）、シス－ポリブタジエンゴム（ＣＢＲ）、イソブチレン－イソプレン共重合体ゴム（すなわち、ブチルゴム（ＢＲ））およびスチレン－ブタジエン共重合体ゴム（ＳＢＲ）である。これらの合成ゴム化合物は、硫黄原子を有する架橋長鎖ポリマーで構成され、これはエラストマーを化学的に安定させ、それによって分解性を制限する。さらに、ゴムの低い密度および弾性により、圧縮できないため、材料のリサイクルおよびその後の処理が困難となる。天然ゴムおよび合成ゴムに加えて、タイヤのゴム部分は通常、カーボンブラック、可塑剤、潤滑剤、抗酸化剤、炭酸カルシウムおよびシリカなどの無機材料を含有し、これによって、使用済みタイヤの持続可能な廃棄物管理がより複雑となる。さらに、例えば、乗用車のタイヤ（トレッド配合物の８０％合成ゴム、２０％天然ゴム、主にシリカ充填剤）とトラックタイヤ（トレッド配合物の８０％天然ゴム、２０％合成ゴム、主にカーボンブラック）との間など、タイヤの種類によって組成に大きな違いがある。タイヤの１つのカテゴリ内では、製造者ごとにさらなる違いが存在する。

例えば、ゴム廃材の変換は、（１）固形廃棄物管理の実施およびシステムの効率と持続可能性を改善し、（２）再利用可能およびリサイクル可能な材料を回収し、（３）可燃性バイオガスの形態で変換生成物およびエネルギーを回収するという方法において、達成することが難しいことで有名である。廃ゴム製品をリサイクルするときは、環境の持続可能性を考慮しながら、貴重な原材料を最大限に活用すべきである。二次原料のリサイクルは、天然資源の減少を考えると重要な省資源メカニズムである。一般に、ポリマー廃材は、新しい生産のための重要な原材料源を形成する。

しかし、既存のリサイクルソリューションは、効果がない、エネルギーを大量に消費する、あるいは、リソースおよびインフラに多額の投資を必要とするかのいずれかであることが判明している。例えば、ゴムの場合、クラムゴムを作成するために粉砕プロセスがしばしば使用される。見かけは単純だが、荷重の性質、大きさ、方向を決定するだけでなく、破壊の結果を測定して定量化することも非常に難しいプロセスである。複数の異なるタイプの弾性材料、温度の上昇、同様にせん断抵抗の発生により、消費電力の増加および激しい摩耗および裂けがもたらされ得る。その結果、市場性のあるリサイクル材料の収率が低くなる。

極低温技術は、一般にゴム製品およびポリマー廃材の機械的処理のために、製品の粉砕および分離強化要素のエネルギー消費を減少し得る。極低温処理方法の主な欠点は、十分な量の極低温液体ガスを取得し、処理チャンバー内で低温を達成および維持する必要に関連する高いエネルギーコストである。ポリマー廃材の大きな製品サイズと低い熱伝導率は、かなりの処理時間につながる。全体としての冷却プロセスおよび材料の外層の過冷却は、機器の性能を低下させる一方、総エネルギー消費量をさらに大幅に増加させる。したがって、製品に使用され、寿命の終わりにリサイクルされるポリマー材料の全体的なライフサイクルアセスメントでは、持続可能性の要件は、ほとんどの場合、極低温リサイクル技術では満たされ得ない。

別の既知のリサイクル方法は加硫であり、これは、例えばゴムまたは関連するポリマーを、硫黄または他の同等の硬化剤または促進剤の添加によって、より耐久性のある材料に変換するための化学プロセスである。同時に、脱硫は、加硫のポリマー属性を逆転させるプロセスである。再生のプロセスは、著しい量の有害な排出物と関連する。回収ポリマー化合物は、加硫の希薄なネットワーク構造を維持するゲル留分と、分岐鎖の比較的短いセグメントを含有するゾル留分とで構成される。ネットワーク構造は再生加硫で維持されるため、新しいポリマー材料を製造するために混合物に回収ポリマーを導入すると、新しい材料の強度特性に影響を与える。これにより、元の材料のダウンサイクリングが起こる。この点で、再生物はほとんど同じ産業で使用されることはなく、これはサーキュラーエコノミーに逆行する。

例えば、車両のタイヤをリサイクルする一般的な方法には、ゴムをクラム化すること、タイヤをタイヤ由来燃料（ＴＤＦ）として炉で燃焼すること、または熱分解してタイヤを熱分解油、カーボンブラックおよびタイヤの製造に使用される鋼に分解することが含まれる。土木工事機械で使用されるような大型の産業用タイヤは、リサイクルが難しく、通常、前述のプロセスのいずれかによってリサイクルされる前に、管理可能なセクションに分割される。これらのタイヤを切断するために使用される機器は、著しい摩耗がおこる。

既存の熱分解方法では、最大熱を使用して３１０～５４０℃でゴムを分解し、これは、ゴム熱分解の不要な副産物として、回収カーボンブラック（ｒＣＢ）を、７％～２０％のチャーと呼ばれる炭素質残渣とともに生成する。回収カーボンブラックは、例えば、タイヤ製造プロセスにおいてバージンカーボンブラック（ｖＣＢ）の代替充填剤として使用され得る。しかし、タイヤリサイクル会社は、タイヤ製造で再利用するのに十分な回収カーボンブラックの製造に苦戦している。残念なことに、チャーが存在するため、用途におけるｒＣＢの性能が低下する。さらに、現在の熱分解方法で生成した揮発性物質は、単一の凝縮物に組み込まれ、その結果、原料の価値が低下する。

最後に、逆解重合プロセスは、例えば、ＵＳ９６４９６１３Ｂ２に記載されており、ここでタイヤは、コンベヤーを備えたマイクロ波トンネルシステムに連続して搭載される。トンネルシステムには、複数の小さなマグネトロン、例えば、各々１．２ｋＷの３５列の３つのマグネトロンが設けられる。このプロセスは、熱分解ガスの移動を促進するために、わずかな正圧下で操作される。マイクロ波エネルギーは、より長い鎖の分子のより弱い分子結合を切断して、それらの分子をより単純な形に還元し、それが解重合プロセスを引き起こすと考えられている。繰り返すが、リサイクル材料の全体的なライフサイクルアセスメントでは、ほとんどの場合、そのような解重合プロセスは、エネルギー的に持続可能ではない。

例えば、世界中で毎年約１５億メートルトンの使用済みタイヤが廃棄されている。世界的な持続可能性の目標は、タイヤ製造会社にサーキュラーエコノミーの創出を促している。

本発明の目的は、ポリマー廃材、特にゴムおよびプラスチック廃材の熱分解のための熱分解方法および熱分解反応器を提供することであり、これにより、持続可能なポリマー廃棄物管理と、再利用可能およびリサイクル可能材料の効率的な回収とが可能になり、ポリマー材料製品のライフサイクル全体にわたる環境への影響を改善する。

特に、本発明の目的は、車両タイヤに使用されるシリカを含有するゴムまたはプラスチック廃材を効率的に回収するための熱分解方法および熱分解反応器を提供することであり、これは、タイヤ製造のサーキュラーエコノミーモデルをサポートし、回収されたタイヤ材料、例えば、回収カーボンブラック（ｒＣＢ）へ代替充填剤の使用をサポートする、る。

以下の説明から現れるこれらおよび他の目的は、添付の独立請求項に記載されるように、熱分解方法および熱分解反応器によって達成される。好ましい方法の詳細および実施形態は、従属請求項に定義される。

本発明は、シリカを含有するポリマー廃材からシリカを回収するための熱分解方法および熱分解反応器、特に、シリカを含有するゴムまたはプラスチック廃材から、熱分解を使用して、ポリマー廃材の少なくとも１つの非シリカ成分からシリカを分離するための熱分解方法および熱分解反応器を提供する。廃材は、熱分解チャンバーに送られ、マイクロ波放射によって廃材の少なくとも１つの非シリカ成分の分解温度に加熱され、廃材の発熱解重合反応が起こる。分解温度は、少なくとも１つの非シリカ成分が、選択された温度でシリカよりも高いマイクロ波吸収率を有するように選択される。シリカはマイクロ波を吸収しないため、マイクロ波で加熱して炭素材料、ゴム、揮発性物質などの非シリカ成分を除去すると、シリカの構造的および化学的完全性が残される。

したがって、シリカは、炭素材料、ゴム、ポリマーおよび揮発性物質を除去することによって、シリカ含有ゴム複合材料またはシリカ補強ポリマー複合材料から回収され得、貴重な揮発性成分が抽出および捕集され得る。

例えば、分解温度は、３００℃～９００℃の範囲から選択され、ポリマー廃材の炭素質成分は、高いマイクロ波吸収率を有し、シリカは、低いマイクロ波吸収率を有する。したがって、炭素質成分は、分解によって廃材から回収でき、シリカは、さらなる使用のために炭素質成分から分離される。

本発明の熱分解方法の有利な変形では、酸素化環境および／または不活性環境および／または負圧環境が熱分解チャンバーに適用される。好ましくは、酸素化環境が熱分解チャンバーに適用される前に、不活性環境および負圧が熱分解チャンバーに適用される。

上記のようにマイクロ波で加熱し分解温度を選択することによって、残留固体残渣からシリカを回収するこのような環境は、廃材から炭素質材料を酸化および除去して、シリカ含有生成物を得ることをサポートする。

熱分解チャンバー内の不活性環境は、分解中にポリマー廃材と相互作用せず、材料成分の回収をサポートする。

熱分解チャンバー内に負圧を加えることにより、熱分解ガスの効率的な除去または排出が可能になる。熱分解チャンバーからのガスの排出は、オフガスラインに部分的な真空を引くことによって促進される。好ましくは、負圧環境は、絶対圧０．４ｂａｒ未満、より好ましくは０．１～０．３ｂａｒである。負圧下で本発明による熱分解プロセスを実施すると、加熱されたチャンバーまたはチャンバーゾーンから揮発性成分が急速に排出され、揮発性物質の二次熱分解を防ぎ、これは、製造中にタイヤに混合された、回収されるカーボンブラック上の炭素質残渣（チャー）の堆積を引き起こし得、これは再利用のためにｒＣＢの特性を保持するのに役立つ。加えて、負圧は、有機成分の沸点を下げ、その二次熱分解をさらに防ぐ。

酸素化環境を適用することによって、例えば、マイクロ波吸収炭素材料が酸化されるため、マイクロ波加熱プロセスは、自己制限的になり得る。したがって、廃材を加熱するためのマイクロ波放射は、廃材の炭素質成分がシリカに関して自己制限プロセスに供されるように選択される。これにより、タイヤおよびシリカ含有ゴム製品の製造における充填剤として使用され得る高品質の回収シリカの製造が可能になり、タイヤ製造などの産業でサーキュラーエコノミーが創出される。

好ましくは、廃材をその分解温度に加熱するためのマイクロ波放射は、熱分解チャンバーの１立方メートルあたり３０ｋＷ～７００ｋＷの出力密度を有する。より好ましくは、マイクロ波放射は、方法のエネルギー効率および材料の熱分解を確実にするために、１立方メートルあたり１００ｋＷ～５００ｋＷの出力密度を有する。一般に、熱分解プロセス用に選択されるマイクロ波電力は、ポリマー廃材の種類によって異なる。例えば、タイヤのゴム材料の場合、１立方メートルあたり５０ｋＷ～５００ｋＷの出力密度が推奨される。

本発明による熱分解方法のさらなる変形において、ポリマー廃材は、廃材に異なる目標温度を連続的に適用することによって連続熱分解に供され、その異なる目標温度は、廃材の少なくとも１つの個々の非シリカ成分の目標分解温度に対応する。

熱分解方法のこの変形は、ポリマー廃材、特に例えば、車両タイヤのような複数の異なる材料成分を含む、ゴム廃材の材料回収に焦点を合わせる。

廃材は、複数の個々の材料成分のうちの少なくとも１つの目標分解温度に対応する異なる目標温度を連続的に適用することによって、前記異なる材料成分の連続熱分解に供される。異なる材料成分は、異なる温度で分解し得るため、目標温度は、特定の成分の分解温度に等しい。もちろん、２つ以上の異なる成分は、同じまたは非常に類似した分解温度を有し得、その結果、２つ以上の異なる成分に対して同じ目標分解温度をもたらす。

異なる目標温度は、例えば、連続的加熱ステップまたは熱分解反応器の異なる加熱ゾーンに適用され得る。連続熱分解の場合、各加熱ステップまたは加熱ゾーンの温度が上昇する。したがって、連続熱分解の過程で、廃材の異なる材料成分の各々の目標分解温度が満たされるであろう。しかし、シリカは、そのマイクロ波吸収率が低いため、マイクロ波加熱の影響を受けず、完全なまま残る。

本発明による方法は、原料中に存在する異なる種類のゴムの分解中に、ＳＢＲが主に高温で分解し、天然ゴム（ＮＲ）が低温で分解し、ＢＲが高温および低温の両方で分解され得るという事実に基づく。したがって、第１の温度での反応の第１の加熱段階中に、形成された主な副生成物は、ＮＲおよびＢＲの分解によって生成され、一方、第１の加熱段階よりも高い温度で第２の加熱段階中に形成された化合物、主に液体留分は、ＳＢＲの熱分解によって生成し、かつ、低比率のＢＲである。

連続熱分解プロセス中に、１つの目標分解温度での１つ以上の異なる材料成分の熱分解から得られる異なる揮発性生成物は、熱分解チャンバーから抽出され得る。したがって、異なる揮発性物質は、互いに別々に回収され得る。連続的加熱ステップの場合、異なる揮発性生成物は、各ステップ中に抽出され得る。連続加熱ゾーンの場合、異なる揮発性生成物は、その加熱ゾーンに対応する熱分解反応器の異なる場所で抽出され得る。

例えば、ゴムタイヤを熱分解するための連続分解プロセスの１つの変形によれば、主にマイクロ波電力は、部分真空中で使用されてゴムを異なる温度に急速に加熱し、その温度で、タイヤ部品に混合された異なるゴム成分（例えば天然ゴム、ＢＲまたはＳＢＲ）の解重合が始まる。異なる目標温度での個々のゴム成分の連続分解と共に、異なる目標温度での揮発性物質の抽出により、回収カーボンブラック（ｒＣＢ）上の炭素質残渣（チャー）の存在が減少し、回収される揮発性留分の分離が可能になる。

非シリカ成分の熱分解反応の温度は、ポリマーを揮発性成分に分解することができる範囲内に調整されるが、過度の温度に長時間さらされることによってシリカの機能特性が損なわれるほど高くはない。前述のように、３００℃～９００℃の反応温度は、熱分解プロセスが発生するのに適している。６５０℃以下の温度は、高品質の回収シリカの製造に適している。熱分解温度は段階的に上昇し、廃材に適用され、廃材中の各ポリマーに関連する揮発性成分を抽出、凝縮、および別個に捕集可能にする。乗用車用タイヤの場合、好ましい温度は、例えば、最初に３００℃～３５０℃、次に４００℃～４５０℃、そして最後に５００～５５０℃である。

有利には、酸素化環境は、連続熱分解の少なくとも最高目標分解温度で熱分解チャンバーに適用される。したがって、残留固体残渣からシリカを回収することは、酸化性雰囲気中においてマイクロ波で固体残渣を加熱し、チャーまたはカーボンブラックなどの炭素質材料を酸化および除去し、シリカ含有生成物を得ることを含む。

したがって、好ましくは、熱分解チャンバーは、各々が連続的に高い目標分解温度に加熱される後続の加熱ゾーンを含み、酸素化環境は、炭素質材料の完全な酸化および除去のために熱分解チャンバーの最後のゾーンに適用される。

好ましくは、熱分解方法は、連続する異なる加熱ステップの間、または連続加熱ゾーンを通して廃材を輸送する間に、ポリマー廃材の成分の厳密な示差的加熱を可能にするプロセス制御システムによって制御される。

複数の異なる材料成分を含むポリマー廃材の熱分解方法の１つの変形においては、シリカおよび異なる非シリカ成分の初期質量は、分解が始まる前に決定される。代替的にまたは追加的に、ポリマー廃材の異なる材料成分の熱分解後、シリカおよび異なる非シリカ成分の熱分解から生じる生成物の比が決定される。初期成分の質量および／または生成物の比のデータは、熱分解プロセスを管理するためにプロセス制御システムに提供される。また、熱分解チャンバー内の温度は、経時的におよび／またはチャンバー内の異なるゾーンで監視され得る。例えば、マイクロ波放射の出力密度および／または熱分解プロセスから得られる生成物の滞留時間は、異なる材料成分の熱分解から生じる生成物の比および／または熱分解チャンバーに加えられる温度に従って制御される。

熱分解方法では、ポリマー廃材を熱分解するプロセスは、マイクロ波電力を主に使用して、非シリカ成分を分解が始まる温度まで急速に加熱する。より高い温度へのその後の加熱は、マイクロ波とさらなる加熱との組み合わせによって達成され得る。したがって、熱分解方法は、有利には、廃材を上記のようにマイクロ波放射によって第１の目標分解温度に加熱する第１の加熱ステップと、追加の熱源と組み合わせたマイクロ波放射によって前記第１の分解温度を超える第２の目標温度に廃材を加熱するための後続のステップである第２の加熱ステップと、を含み得る。追加の熱源は、導電性加熱手段、電気加熱手段または他の任意の適切な加熱手段であり得る。

有利には、熱分解プロセスから得られた揮発性生成物の最後の部分は、熱分解チャンバー内の廃材を伝導的に加熱するための追加の熱源として使用される。したがって、例えば、第１の加熱ステップおよび初期分解中に蒸発したガスは、第２の加熱ステップに使用され得る。

マイクロ波と追加の熱源との組み合わせにより、方法の全体的なエネルギー効率が向上し得る。熱分解方法に使用される温度は、ポリマー廃材の種類によって異なる。

例えば、後続の２つの加熱ステップは、ポリマー廃材の異なる非シリカ成分の分解プロセスを最適化するのに役立つ。低温熱分解の範囲では、ガス有機化合物は、例えば乾留によって、廃材から抽出される。例えば、添加剤、オイルおよび軟化剤は、最初の熱分解中に蒸発する。高温熱分解の範囲では、例えば、天然ゴム、スチレンブタジエンゴムまたはポリブタジエンゴムは、継続的分解中に再生され得る。

熱分解方法は、熱分解中に生成された揮発性ガスが４秒未満、好ましくは２秒未満で熱分解反応器から排出される、高速熱分解形態で実施され得る。熱分解ガスと反応器内の高温環境との最小の接触時間は、熱分解ガスから固体化合物へのさらなる分解を防ぐ。これは、炭素収率がより高い遅い熱分解と比較して、大きな揮発性収率をもたらす。マイクロ波電力の容積加熱特性を使用すると、ポリマー廃材、特にゴムを、発熱解重合反応が発生する温度範囲まで急速に加熱することが可能となる。また、シリカの場合、高温への長時間曝露が回避され得る。

一般に、シリカ補強ゴムまたは他のポリマー複合材料から回収されたシリカの機能特性は、処理温度と持続時間によって決まる。すなわち、処理温度が高いかまたは曝露時間が長いと、回収されたシリカの機能特性が低下する。したがって、迅速な処理およびプロセス温度の正確な調整が要求され、マイクロ波加熱プロセスの自己制限的性質は、これを達成するのに有利である。

本発明の熱分解反応器は、廃材を収容するための熱分解チャンバーと、廃材を廃材の分解温度に加熱するための少なくとも１つの熱源と、を備え、少なくとも１つの熱源はマイクロ波放射源を含む。有利には、熱分解チャンバーは、少なくとも熱分解チャンバーのゾーンに酸素化環境を適用し、酸素化環境からガスを抽出するための酸素入口およびガス出口を備える。さらに有利には、少なくとも熱分解チャンバーのゾーンは、不活性環境または負圧環境を備える。そのゾーンは、分解プロセス内の期間またはチャンバーの長さに沿った加熱ゾーンであり得る。ゾーンが時間の期間として定義される場合、好ましくは、酸素化環境が熱分解チャンバーに適用される前に、不活性環境または負圧環境が適用される。

本発明による熱分解反応器の１つの変形においては、廃材は、コンベヤーによって連続運動において熱分解チャンバーを通って送られる。したがって、廃材は、熱分解チャンバーの長さに沿って、各々連続的に高い目標分解温度に加熱される後続の加熱ゾーンを通って輸送され得る。さらに、廃材の熱分解ガスは、熱分解チャンバー内の異なる出口ポートでの廃材の連続運動中に、間隔を置いて熱分解チャンバーから排出され得る。出口ポートは、異なる加熱ゾーンに対応し得る。これにより、ポリマー廃材の熱分解中に、異なる揮発性非シリカ生成物を物理的に分離可能である。

さらに、熱分解反応器は、熱分解プロセスから得られる異なる揮発性生成物のための異なる貯蔵システムを提供し得る。各システムは、異なる加熱ゾーンに接続され得る。バッチ反応器のように、チャンバーの同じスペース内での連続加熱ステップの場合、反応器は、各加熱ステップについて異なる貯蔵システム間のスイッチを出力する。

好ましくは、熱分解反応器は、上記のようなプロセス制御システムを備える。プロセス制御システムは、熱分解チャンバー内の少なくとも１つの温度センサー、および／または廃材の異なる材料成分の質量を決定するための質量測定装置に接続され得る。したがって、プロセス制御システムは、熱分解チャンバー内で異なる目標温度を連続的に適用することにより、異なる材料成分の連続熱分解プロセスを制御し得る。

さらに、廃材コンベヤーの速度もプロセス制御システムによって制御され得る。有利には、コンベヤーは、熱分解チャンバーに供給される廃材の異なる材料成分の質量を測定するための質量測定装置を備える計量供給システムとして設計される。熱分解方法を制御するための質量測定装置のデータも提供される。

反応器は、熱分解ガスが漏れることまたは酸素が制御されない方法で侵入することを防ぐために、環境に対して密閉される。反応器は、操作前に、例えば窒素でパージされ得る。

熱分解反応器の熱分解チャンバーは、マイクロ波透過材料から作られた内部耐火物ライニングを備え得る。耐火物ライニングは、熱分解されるポリマー廃材の周囲の熱を含有し得る。また、マイクロ波エネルギーを熱分解チャンバー内に分散させて、生成物をより均一に加熱し得る。有利な変形では、耐火物ライニングは、マイクロ波放射が導入される熱分解チャンバーの長さの一部にのみ延在する。熱分解チャンバーの残りの部分は、反応器壁に追加の熱源を提供する代わりに、二重壁構造を有し得る。

熱分解反応器は、複数の放射出口を備える少なくとも１つの導波管フィードを備え得る。放射出口は、好ましくは、互いに離間して熱分解チャンバーの長さに沿って分流される。

熱分解反応器の細長い熱分解チャンバーの場合、ポリマー廃材を熱分解チャンバーに送り、熱分解チャンバーを通して供給するためにコンベヤーが設けられ得る。したがって、ポリマー廃材およびその化合物は、それぞれ、熱分解チャンバーの長さに沿って、チャンバーの一端から反対側の端まで移送され得る。さらに、熱分解チャンバーは、異なる出口ポートで間隔を置いて廃材の熱分解ガスを排出するために、熱分解チャンバーの長さに沿って互いに離間したいくつかの出口ポートを備え得る。

あるいは、熱分解反応器は、バッチ反応器の形態の熱分解チャンバーを備え得、連続熱分解は、同じチャンバー空間内の連続する加熱ステップによって実現される。車両タイヤからポリマー廃材を回収するために、反応器は、円形状、または中空の中心部分を有するリング形状を有し得る。

本発明の好ましい実施形態は、添付の図面に記載され、これは、本発明の原理を説明し得るが、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明による、熱分解方法に使用される熱分解チャンバーおよび熱分解反応器の第１の実施形態の概略三次元図である。 例えば図１に記載されるような熱分解反応器の構成の概略図である。 例えば図１に記載されるような熱分解反応器の構成のさらなる概略図である。 本発明による熱分解反応器の第２の実施形態の熱分解チャンバーの概略図である。 本発明による凝縮システムの概略図である。

以下に、本発明によるポリマー廃材の少なくとも１つの非シリカ成分からシリカまたはシリカ生成物を分離するための熱分解を使用して、シリカを含有するポリマー廃材、特にシリカを含有するゴムまたはプラスチック廃材からシリカを回収するのに適した、本発明による熱分解反応器の２つの実施形態を記載する。

両方の実施形態において、ポリマー廃材の熱分解のための熱分解反応器は、ポリマー廃材を収容するための熱分解チャンバー１と、廃材を廃材の非シリカ成分の分解温度に加熱するための少なくとも１つの熱源と、を備える。少なくとも１つの熱源は、マイクロ波放射源を含む。

示される反応器の実施形態は、部分真空または負圧においてそれぞれマイクロ波を使用して、ポリマー廃材成分を連続熱分解し得る。反応器によって実行されるプロセスは、異なる目標分解温度で異なる成分を熱分解すること、および反応器の異なる段階でプロセスにおいて得られた揮発性物質および他の生成物を抽出することによって、炭素質残渣、ポリマー成分および揮発性物質などの非シリカ成分を回収することを目的とする。

記載された反応器の実施形態は、再利用可能およびリサイクル可能な材料の完全な回収を目的として、特にゴム廃材、特に使用済み自動車タイヤの熱分解に使用され得る。加硫ゴムの熱分解中に生成される留分の組成に関して、異なる留分の組成は、芳香族、環状および脂肪族炭化水素の混合物が主である。ＳＢＲの熱分解の液体留分に見られる主な脂肪族およびナフテン化合物は、ペンテン、ヘキセン、４－エテニルシクロヘキセンおよびその他のＣ８およびＣ９脂肪族化合物である。さらに、ＳＢＲのコモノマーである１，３－ブタジエンが分解され、熱分解中に二次および三次反応に関与する４－エテニルシクロヘキセンなどの反応性成分が生成される。脂肪族化合物の量は、通常、温度とともにゆっくりと増加する。したがって、脂肪族化合物の同様の割合は、異なる温度で得られ得る。対照的に、芳香族化合物の量は、温度の上昇とともに大幅に増加する。液体留分の主な芳香族化合物は、スチレン、続いてエチルベンゼン、ベンゼン、トルエンおよびキシレン（ＢＴＸ）であり、そしてより低い割合のメチルスチレンである。ゴムの加硫中に使用されるベンゾチアゾールおよびチオフェンもまた、液体留分に広く含まれる。ガス留分については、主な生成物は、１，３－ブタジエン、少ない割合（０．５％未満）のメタン一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、メタン、エタン、プロペン、およびｎ－ブタンである。熱分解チャーとも呼ばれる固形留分は、製造時にタイヤに混合されたカーボンブラックを主に含有し、少量の割合の炭化ゴムポリマー、不揮発性炭化水素および亜鉛、硫黄、クレー、シリカなどのゴム添加剤の残留部分を含有する。

調査によると、熱分解中の水素の使用に関係なく、低温（例えば４５０℃）では炭化ゴムポリマーが大量に生成されることが示された。同様に、固形留分は、約５５０℃まで温度の上昇とともに減少する。温度がさらに上昇すると、固形物の生成が約４％増大し得る。対照的に、高温が液体留分の生成に有利であることが示された。初期材料の約１０％のみが、約４５０℃の外部温度で実行される熱分解に対して、液体留分をもたらした。一方、最大量の液体留分（約３７重量％）は、一定の水素流量で５５０℃で得られた。水素の有無にかかわらず、６００℃で実行された熱分解は、５５０℃で得られたサンプルと比較して、ガス留分のより高い生成および液体留分の減少をもたらした。不活性雰囲気を使用した調査では、温度による液体留分の増大および６００℃を超える温度での液体収率の減少または安定化も報告された。

２つの実施形態は、主にそれらの熱分解チャンバーの設計が異なるが、反応器の他の特徴および方法のステップは同じである。したがって、反応器の構造的特徴および両方の実施形態に適した方法ステップの説明は、２つの実施形態間で交換可能であると見なされるものとする。明細書の明確さを高めるために、それらの反復は避けられるであろう。

例えば、両方の実施形態について、非シリカ成分の回収のために熱分解チャンバーに不活性環境または負圧環境を適用し、その後、シリカを回収するために熱分解チャンバーに酸素化環境を適用することが有利である。また、マイクロ波放射源に加えて、熱分解反応器は、追加の加熱として機能する導電性熱源を含み得る。非凝縮性ガスなどのポリマー廃材の熱分解中に生成される揮発性生成物の一部は、熱分解チャンバーの壁を加熱するために使用され得、チャンバー壁による伝導加熱によって熱分解プロセスを支援する。あるいは、電気加熱要素もこの目的のために使用され得る。同様に、他の特徴およびステップは、両方の実施形態に適用される。

図１、２ａおよび２ｂは、本発明による熱分解反応器の熱分解チャンバー１の一例を示す。反応器は、細長い設計の連続流蒸留器の形態であり得る。例えば、それは、ポリマー廃材を熱分解チャンバー１に送り、廃材およびその分解された化合物を熱分解チャンバー１を通して移送するための、コンベヤーを備え得る。

例えば、完全なタイヤまたはタイヤ片は、チャンバーの第１の端から熱分解チャンバー１に断続的に供給され得る。酸素をパージするための手段を備えた第１のエアロックシステム９が、第１の端に設けられ得る。同様に、タイヤ片は、スクリューフィーダーで蒸留器に供給され得る。

マイクロ波エネルギーは廃材の大部分を直接加熱するため、反応器の長さに沿って近接し、各々異なる温度で生成物のゾーンを得ることが可能である。これは、反応器が廃材を回収するために事実上いくつかの連続する加熱ゾーンに分割されることを意味する。連続する加熱ゾーン１０ａ～１０ｃは、図２ａおよび２ｂに示される反応器の変形を示す。

これにより、システムがコンパクトになる。マイクロ波電力の入力は、例えばゴムタイヤ内の各非シリカ成分の最適な熱分解のために、狭い温度帯域内の温度を調整するために即座に調整され得る。

熱分解ガスは、熱分解チャンバー１の長さに沿って間隔を置いて引き出され、連続するガス出口ポート２ａ～２ｃは、生成物温度が上昇する点に提供され、ゴムの異なる成分に対応して捕集されるガスは異なる。図２ａおよび２ｂの変形では、オフガスは、３つの異なる生成物目標温度に対応するチャンバーの側面の３つの位置で出口ポート２ａ、２ｂおよび２ｃから捕集される。これにより、出口ポートに関連付けられた個々の凝縮システム１１ａ～１１ｃを介して、異なる揮発性生成物を物理的に分離することが可能になる。

プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）などの多変量プロセス制御システムを使用して、本発明による熱分解プロセスを制御する。例えば、制御システムは、例えばインフィードコンベヤー上の計量供給システム、ならびに熱分解チャンバーまたは加熱ゾーンの温度および様々な場所のオフガスを通して、反応器に入る生成物の質量を測定し得、この情報を使用して反応器と生成物との温度を制御し得、マイクロ波電力を調整して生産を最大化しエネルギー印加を最小化し得る。

さらに、固体、液体および気体の熱分解生成物の質量流量は、質量流量計およびロードセルを使用して測定され、熱分解プロセスによって得られる生成物の比を決定する。ＰＬＣはまた、ガス出口ポート２ａ～２ｃおよび反応器の長さに沿った様々な分解加熱ゾーン１０ａ～１０ｃで反応器を出る材料、反応容器および揮発性物質の温度を監視する。例えば、熱電対の形態の温度センサー１９が使用される。熱分解生成物のオンラインおよびオフライン分析もまた、制御システムに入力を提供するために使用され得る。捕集されたデータに基づいて、プロセス制御システムは、反応加熱ゾーンへのマイクロ波電力の印加および反応器内の材料の滞留時間を調整する。反応器の異なる加熱ゾーンでマイクロ波出力を調整することによって、材料は、異なる材料成分の目標組成温度に対応する所定の温度に加熱され、これらの成分が各加熱ゾーンで分解されることを可能にし、その成分の分解中に生成される揮発性物質が専用の凝縮器および貯蔵システム内に集められることを可能にする。後続の加熱ゾーンでは、残りの材料成分は、連続的に高い目標分解温度に加熱され、そのたびごとに、異なる材料成分に関連する揮発性成分が抽出され、分離凝縮システム１１に捕集される。異なる材料成分のこの連続分解により、生成された異なる炭化水素を分離して捕集することが可能になり、生成された炭化水素原料の価値が高まる。

図１に示されるように、熱分解チャンバー１の長さに沿って延在する複数のスロット３を備えるスロット付き導波管フィードを使用して、熱分解チャンバー１の長さに沿ってマイクロ波放射を分配し得る。マイクロ波放射は、生成物の均一な加熱を確実にするために、チャンバー１の円周の周りおよびチャンバー１の長さに沿って様々な場所に導入され得る。図１に示すスロット付き導波管フィードは、スロット３が、最初の加熱段階が発生するゾーンでより多くのエネルギーが放出され、プロセスの終わりに向かってより少ないエネルギーが放出され、ここで材料は実質的に炭化され、揮発性材料の最後の微量を確実に除去するために高温が維持される、電力プロファイルを放射するように設計される。

熱分解チャンバー１は、アルミナまたはムライトなどのマイクロ波透過材料から作られた内部耐火物ライニング４を有し得、熱分解されるタイヤの周りの熱を閉じ込める。それはまた、生成物のより均一な加熱のために、マイクロ波エネルギーが反応器の周辺に沿って耐火材料の内部に分散することを可能にする。

耐火物ライニングは、マイクロ波電力が導入される熱分解チャンバーの長さの部分にのみ延在し得、一方、チャンバーの残りの部分は、ガスまたは加熱油などの高温媒体の循環を可能にする二重壁構造を有し得、プロセスを支援するための反応器壁の従来の加熱を提供する。これらは、例えば、捕集された揮発性物質の非凝縮性留分を燃焼させることによって得られ得る。

図２ａおよび２ｂは、第１の実施形態による熱分解反応器および熱分解方法の変形を示す。熱分解チャンバー１の第１の端で、シリカを含有するポリマー廃材は、コンベヤーによって導入され、熱分解チャンバー１の長さに沿って輸送される。

本発明の熱分解方法による連続的熱分解の過程で、熱分解チャンバーおよび廃材は、それぞれ、最初にマイクロ波放射によって、第１の加熱ゾーン１０ａにおいてゴムの第１の材料成分の第１の目標分解温度に加熱され、廃材の非シリカ成分の発熱解重合反応を引き起こす。第１の目標分解温度は、例えば、約３５０℃であり得る。第１の揮発性生成物は、第１の出口ポート２ａを通して排出され得る。

続いて、残留非シリカ成分は、後続の第２の加熱ゾーン１０ｂにおいて、第１の目標分解温度よりも高い第２の目標分解温度に加熱される。第２の目標分解温度は、例えば、約４５０℃であり得る。第２の加熱ゾーンは、マイクロ波放射単独によって、またはマイクロ波放射と追加の熱源との組み合わせによって加熱され得る。追加の加熱中に、第２の揮発性成分は、チャンバー１の長さに沿って出口ポート２ａから離間した出口ポート２ｂを介して排出され得る。

したがって、連続する第３の加熱ゾーン１０ｃにおいて、第３のさらに高い目標分解温度が適用され得、第３の揮発性生成物は、チャンバーの長さに沿って出口ポート２ｂからさらに離間した出口ポート２ｃを介して排出され得る。第３の目標分解温度は、例えば、約５５０℃であり得る。

加熱ゾーン１０ａ～１０ｃは、例示的な理由のために破線で分離されるが、熱分解チャンバー１は、連続反応器として設計されており、後続のヒートゾーンは互いに合流する。各加熱ゾーンは、各ゾーンを目標分解温度まで加熱するための加熱ポート、好ましくはマイクロ波供給ポート２０を有する。さらに、各加熱ゾーンは、温度を監視し、プロセス制御システム（図示せず）に温度データを提供するために、温度センサー１９、例えば熱電対を備え得る。

出口ポート２ａ～２ｃを通過した後、それぞれの回収された揮発性生成物は、出口ポートに関連する凝縮システム１１ａ～１１ｃに入る。一実施形態では、そのような凝縮システムは、第１の捕集容器１４に接続された第１の凝縮器１３を備える。真空ポンプ１５は、第１の凝縮器１３および第１の捕集容器１４に接続され、上記のように負圧を提供する。したがって、第１の凝縮器１３および第１の捕集容器１４は、低圧側および捕集部分を画定する。この部分は、第２の捕集容器１７に接続された第２の凝縮器１６を備える周囲圧力部分または高圧部分に接続される。揮発性生成物のさらなる成分は、第２の凝縮器１６で凝縮され、第２の捕集容器１７で捕集される。第３の捕集容器１８は、熱分解チャンバー１から出る非凝縮性ガスを捕集する。

凝縮システム１１ａ～１１ｃに接続された各加熱ゾーン１０ａ～１０ｃは、第１の捕集容器１４、第２の捕集容器１７および第３の捕集容器１ｂを備え、これらは共に、出口ポート２ａ～２ｃで熱分解チャンバー１を出る異なる非シリカ成分について異なる貯蔵システムを提供する。回収された成分は、さらなる使用または適切な廃棄のために容器から抽出され得る。

図１、２ａおよび２ｂの熱分解反応器は、連続するガス出口ポート２ａ～２ｂが分解温度の上昇と一致するように設計されるため、捕集されるガスが異なり、個々の凝縮システム１１ａ～１１ｃを介して異なる揮発性成分を物理的に分離可能である。固形生成物は、第２のエアロックシステム１２またはスクリューフィーダーを介して排出される。

図２ｂは、スクリューフィーダーでタイヤ片に熱分解するための連続フローマイクロ波反応器の概略図を示す。この場合、熱分解ガスは、熱分解チャンバー１の側面上の３つの出口ポート２ａ～２ｃに集められ、ここで、３つの出口ポート２ａ～２ｃは、異なる目標分解温度を有する３つの異なる加熱ゾーン１０ａ～１０ｃに対応する。優先的に、これらの温度は上記の通りである。

マイクロ波電力は、マイクロ波供給ポート２０によって、反応器の周囲の様々な場所および反応器の長さに沿って導入されるポリマー廃材の均一な加熱を確実にする。チャンバーの長さに沿って延在するスロット付き導波管フィードは、スロットが最初の加熱段階中により多くのエネルギーが放出され、プロセスの終わりに向かってより少ないエネルギーが放出され、材料が実質的に炭化され揮発性材料の最後の微量を確実に除去するために高温が維持される電力プロファイルを放射するように使用および設計され得る。生成物の最高温度は、反応器内の固形留分に含有されるシリカ生成物の熱劣化を防ぐ値に調整される。

内部耐火物ライニングの代わりに、反応器は、外面上に熱を保持するための耐火遮断材を備え、マイクロ波供給ポート開口部内に熱を保持して熱分解ガスがマイクロ波供給構造に入ることを防ぐ断熱およびガスバリアウィンドウを備える、マイクロ波を収容するための金属内壁を有し得る。

マイクロ波電力の印加は、廃材中の非シリカ成分の各々の最適な熱分解のために、狭い温度帯域内で目標分解温度を調整するために即座に調整され得る。分解プロセスをサポートするために、不活性環境または負圧環境は、熱分解チャンバー１の３つの加熱ゾーン１０ａ～１０ｃ内に適用され得る。

熱分解プロセスをそれぞれ負圧環境または真空下で操作すると、揮発性成分が加熱ゾーンから急速に排出され、反応器内の揮発性物質の二次熱分解が防止され、貴重な炭化水素油として凝縮および捕集される高価値の揮発性ガスを得る。さらに、負圧環境または真空は有機成分の沸点を下げ、その二次熱分解をさらに防ぐ。絶対圧０．３ｂａｒ未満の負圧環境が使用され、好ましくは０．１～０．３ｂａｒである。

第１の凝縮器１３および第１の捕集容器１４は、減圧で凝縮可能な炭化水素を捕集し、一方、真空ポンプ１５の後の第２の凝縮器１６および第２の捕集容器１７は、周囲圧力または正圧で凝縮可能な炭化水素を捕集する。凝縮システム１１は、適切な冷却媒体を使用して、周囲温度またはより低い温度に冷却され得、揮発性成分の凝縮を最大にする。非凝縮性ガスは、第３の捕集容器に捕集される。

熱分解段階の終わりで、鋼成分は炭素およびシリカを含有する固体成分から分離される。次に、シリカ含有材料は、第４の加熱ゾーン１０ｄでのシリカ回収プロセスの最終段階においてマイクロ波電力にさらされる。このシリカ回収加熱ゾーン１０ｄは、酸素入口２１およびガス出口ポート２ｄを設ける。マイクロ波エネルギーは、反応器壁のマイクロ波供給ポート２０を通して導入される。好ましくは、反応器壁の断熱材は、熱損失を制限するために提供される。酸化環境は、熱分解方法の酸化段階に存在する炭素質材料を酸化するために、反応器壁の酸素入口２１を通して導入される。ガス出口ポート２ｄは、廃材の土台を通る酸化媒体の流れを促進するように配置される。材料の動きは、廃材を通る酸素ガスの流れと相まって、効果的な酸化のために材料の表面の曝露を促進する。

多変量プロセス制御システムは、異なる分解加熱ゾーン１０内の、例えば車両タイヤなどの、廃材の温度、同様にガス出口ポート２ａ～２ｃでチャンバー１を出る揮発性物質の温度を監視して、分解ゾーンへのマイクロ波電力の印加を調整する。チャンバーの異なる加熱ゾーンでマイクロ波出力を調整することによって、タイヤは所定の温度に加熱され、個々のゴムが各ゾーンで分解され、そのゴムの分解中に生成される揮発性物質が専用の凝縮器および貯蔵システム１１に捕集されることを可能にする。後続の加熱ゾーンでは、残留タイヤ材料が連続的に高い目標温度に加熱され、そのたびごとに、異なるゴムに関連する揮発性成分が抽出され、それらを分離凝縮システム１１に捕集する。この連続熱分解により、生成された異なる炭化水素を分離して捕集可能となり、生成された炭化水素原料の価値が高まる。加熱ゾーン１０ｄの最終的な酸化段階において、マイクロ波電力は、シリカと混合された炭素質材料の温度を、シリカの機能特性が劣化しない上記の温度範囲に制限するように調整される。最後に、固体生成物は、第２のエアロックシステム１２を介して、または熱分解チャンバー１の第２の端にあるスクリューフィーダーを用いて排出される。

図３は、本発明による熱分解反応器の第２の実施形態の熱分解チャンバー１の概略図を示す。反応器は、より小さなタイヤの負荷を受け入れるために開く圧力容器などのバッチ反応器の形態を有する。例えば、反応器の熱分解チャンバー１は円形状であり、円形チャンバーの上部で開き得る。示される実施形態では、反応器は、例えば土木工事機械によって使用されるような単一の大きなタイヤ７を搭載する。マイクロ波放射は、チャンバーの側面にある供給ポート６を介して熱分解チャンバー１に適用される。反応器は、チャンバーが不活性環境、負圧環境または真空下で操作されることを可能にするために圧力窓２２を設け得る。電気要素、または熱分解生成物の一部の燃焼は、チャンバー壁の加熱を提供し得、加熱を支援し、容器内の凝縮を防ぐ。チャンバーはまた、熱分解チャンバー１内の占有されていない容積を減らすために中央部分が除去された環状部の形状であり得る。

バッチ反応器では、タイヤの異なる材料成分ごとに、加熱ステップで廃材の温度が目標分解温度まで上昇し、捕集される揮発性物質およびその成分専用の貯蔵庫に集められた凝縮物は、連続熱分解プロセスの各ステップについて、凝縮物貯蔵庫を切り替える。プロセス中、反応器壁温度もまた、反応器内の揮発性物質の再凝縮を防ぐために、加熱ステップにおいて上昇する。温度センサーは、チャンバー１に接続され得、チャンバー内の温度を記録する。

各加熱ステップにおいて、揮発性生成物は、熱分解チャンバー１からチャンバーの側面、上部および下部壁上の出口ポート２ａおよび２ｂを介して抽出され、熱分解ガスが抽出されて凝縮システム１１に入ることを可能にする（図３ｂを参照されたい）。凝縮システム１１は、例えば、熱分解ガスを熱分解油に凝縮し得る。隆起金属メッシュ８は、反応器の底部に取り付けられ得、その上に廃材が置かれ、熱分解ガスが底壁内の出口ポート２ｂを通ってチャンバーから出ることおよび同時に廃材がガス排出ポート２ｂを詰まらせることを防ぐことを可能にする。

凝縮システム１１は、第１の実施形態で記載された凝縮システム１１ａ～１１ｃと同じ方法で設計され得る。したがって、凝縮システム１１は、第１の凝縮器１３、第１の捕集容器１４、真空ポンプ１５、第２の凝縮器１６、第２の捕集容器１７および第３の捕集容器１８を含み得る。図３ｂには１つの凝縮システムのみが示されるが、異なる加熱ステップの異なる回収生成物のために、より多くのそのようなシステムが熱分解チャンバー１に接続され得る。各揮発性物質が捕集される連続目標温度まで処理温度が上昇するにつれ、凝縮物は、その成分専用の容器に捕集され得、連続熱分解プロセスの加熱ステップごとに、凝縮流を１つの凝縮システム１１から次のものへ切り替える。

第１の凝縮器１３および第１の捕集容器１４は、減圧下で凝縮可能な炭化水素を捕集する。真空ポンプ１５の後の第２の凝縮器１６および第２の捕集容器１７は、周囲圧力または正圧で凝縮可能な炭化水素を捕集する。残留非凝縮性ガスは、第３の捕集容器１８に捕集される。適切な冷却媒体を使用すると、凝縮器を周囲温度または低温に冷却して、揮発性成分の凝縮を最大化し得る。

本発明による熱分解方法および熱分解反応器は、ポリマー廃材中に存在する各材料成分が異なるマイクロ波吸収特性を有するという事実に基づく。マイクロ波は、その時点で存在する材料の混合に応じて、有機化合物、硫黄およびカーボンブラックを異なる温度に直接加熱する。硫黄は、マイクロ波エネルギーによって加熱および昇華され得るため、材料から蒸発され得、連続熱分解の後の段階で熱分解ガスとともに除去され得る。これにより、灰含有量が少ないリサイクルカーボンブラック生成物が得られる。

それとは対照的に、最後の加熱ステップで残りの固体残渣からシリカを回収する手順は、酸化性雰囲気中においてマイクロ波で固体残渣を加熱し、チャーまたはカーボンブラックなどの炭素質材料を酸化および除去し、シリカ含有生成物を得ることを含む。対象の温度範囲である３００～９００℃においては、炭素質成分のマイクロ波吸収率が高く、シリカのマイクロ波吸収率が低いため、シリカに対して炭素質成分が優先的にマイクロ波加熱され、有利には自己調整プロセスが行われる。

不活性環境下で熱分解プロセスを実施することによって、負圧環境の二次揮発性分解生成物（炭素質残渣など）の真空形成が制限され、高品質の油を凝縮器に捕集することが可能である。連続加熱ステップ用に選択された温度は、例えば、乗用車用タイヤの場合、天然ゴム、ブタジエンゴムおよびスチレンブタジエンゴムにそれぞれ関連する揮発性成分を回収するために、約３５０℃、４５０℃、および５５０℃であり得る。熱分解ガスの除去を補助するために、窒素などの運搬ガスがガス入口ポート２１に導入され得る。優先的には、運搬ガスは、チャンバーの上部に供給され、揮発性成分は、チャンバーの下部近くに抽出され、揮発性成分が高温にさらされる時間を制限し、炭素質残渣のような二次熱分解生成物の形成を制限する、ガスの層流が設定される。

プロセスの最後の加熱ステップ中に、酸化性ガスは、ガス入口ポート２１を通して導入され、マイクロ波電力は、炭素質固体が酸化されるまで炭素－シリカ混合物を酸化温度に保つように調整される。酸化プロセスの終わりに向かって、存在するマイクロ波吸収材料の量の減少は、プロセスを自己調節性にする。

本発明による熱分解方法により回収されたシリカのサンプルを、認定研究所（Ａｒｔｉｓ、英国）に送り、回収したシリカを補強材料として使用して調製したゴム試験サンプルを、市販のシリカ、自動車タイヤのゴムの補強に一般的に使用されるＵｌｔｒａｓｉｌ Ｕ７０００ＧＲで補強したサンプルと比較した。

回収したシリカの元素分析を以下の表に示す。これは、回収されたシリカが高い割合のシリカおよび低い炭素含有量を有することを示しており、回収されたシリカの純度のレベルを証明する。したがって、より高い弾性率およびより低いエネルギー損失は、回収されたシリカを充填剤として使用するゴム配合業者にとって非常に重要であり得るだろう。

１ 熱分解チャンバー
２ 出口ポート
３ スロット
４ ライニング
５ 振動ふるい
６ 供給ポート
７ ゴムタイヤ
８ 金属メッシュ
９ 第１のエアロックシステム
１０ 加熱ゾーン
１１ 凝縮システム
１２ 第２のエアロックシステム
１３ 第１の凝縮器
１４ 第１の捕集容器
１５ 真空ポンプ
１６ 第２の凝縮器
１７ 第２の捕集容器
１８ 第３の捕集容器
１９ 温度センサー
２０ 加熱ポート
２１ ガス入口ポート
２２ 圧力窓

Claims (22)

1. シリカを含有するポリマー廃材から、特にシリカを含有するゴムまたはプラスチック廃材から、前記ポリマー廃材の少なくとも１つの非シリカ成分からシリカを分離するための熱分解を使用して、シリカを回収するための熱分解方法であって、
   前記廃材は、熱分解チャンバー（１）に送られ、
   前記廃材は、マイクロ波放射によって、前記廃材の少なくとも１つの非シリカ成分の分解温度に加熱され、
   前記分解温度は、前記少なくとも１つの非シリカ成分がシリカよりも高いマイクロ波吸収率を有するように選択される、熱分解方法。
2. 酸素化環境および／または不活性もしくは負圧環境が、前記熱分解チャンバー（１）に適用される、請求項１に記載の熱分解方法。
3. 前記酸素化環境が前記熱分解チャンバー（１）に適用される前に、不活性環境または負圧環境が、前記熱分解チャンバーに適用される、請求項２に記載の熱分解方法。
4. 前記ポリマー廃材が、前記廃材の少なくとも１つの個々の非シリカ成分の目標分解温度に対応する異なる目標温度を連続的に適用することによって、連続熱分解に供される、先行請求項のいずれか一項に記載の熱分解方法。
5. 酸素化環境が、前記連続熱分解の最高目標分解温度で前記熱分解チャンバー内に適用される、請求項４に記載の熱分解方法。
6. 個々の非シリカ成分の前記分解温度および目標分解温度は、それぞれ、３００℃～９００℃の範囲で選択される、先行請求項のいずれか一項に記載の熱分解方法。
7. 炭素質非シリカ成分が前記熱分解チャンバー内で酸化するように、前記分解温度が選択される、先行請求項のいずれか一項に記載の熱分解方法。
8. 前記廃材をその分解温度に加熱する前記マイクロ波放射が、前記熱分解チャンバーの１立方メートルあたり３０ｋＷ～７００ｋｗ、好ましくは１立方メートルあたり１００ｋＷ～５００ｋＷの出力密度を有する、先行請求項のいずれか一項に記載の熱分解方法。
9. 前記負圧環境が、０．４ｂａｒ未満、好ましくは０．１～０．３ｂａｒである、請求項３に記載の熱分解方法。
10. １つの目標分解温度での前記廃材の１つ以上の異なる非シリカ成分の前記熱分解から得られる異なる揮発性生成物が、前記熱分解チャンバーから抽出される、請求項４に記載の熱分解方法。
11. 前記シリカおよび異なる非シリカ成分の質量が決定される、および／または
    前記熱分解から生じる生成物の比が決定される、先行請求項のいずれか一項に記載の熱分解方法。
12. 前記マイクロ波放射の出力密度および／または前記熱分解プロセスから得られる生成物の滞留時間が、異なる材料成分の前記熱分解から生じる生成物の比および／または前記熱分解チャンバーに適用される温度に従って制御される、先行請求項のいずれか一項に記載の熱分解方法。
13. 前記廃材の炭素質成分がシリカ成分に関して自己制限プロセスに供されるように、前記廃材を加熱するための前記マイクロ波放射が、選択される、請求項２に記載の熱分解方法。
14. 前記廃材が第１の加熱ステップで第１の目標分解温度に加熱された後、前記廃材を前記第１の分解温度を超える第２の目標分解温度に加熱するための後続の第２の加熱ステップが、マイクロ波放射によって、または追加の熱源と組み合わせたマイクロ波放射によって達成される、先行請求項のいずれか一項に記載の熱分解方法。
15. 前記熱分解プロセスから得られる揮発性生成物の最後の部分が、前記熱分解チャンバー（１）内の前記廃材を伝導加熱するための追加の熱源として使用される、先行請求項に記載の熱分解方法。
16. 前記廃材がマイクロ波放射によってその分解温度まで加熱されるとき、揮発性ガスが４秒未満、好ましくは２秒未満で生成されることで定義される高速熱分解プロセスが使用される、先行請求項のいずれか一項に記載の熱分解方法。
17. 前記熱分解チャンバー（１）が、各々が連続的により高い目標分解温度に加熱される後続の加熱ゾーン（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を備え、酸素化環境は、前記熱分解チャンバー（１）の最後のゾーンに適用される、先行請求項のいずれか一項に記載の熱分解方法。
18. 前記廃材が、コンベヤーによって前記後続加熱ゾーン（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を通って送られる、請求項１７に記載の熱分解方法。
19. 前記廃材は、コンベヤーによって連続運動において前記熱分解チャンバー（１）を通って送られ、前記廃材の熱分解ガスは、前記熱分解チャンバー（１）内の異なる出口ポート（２ａ、２ｂ、２ｃ）での前記廃材の前記連続運動中に間隔をあけて前記熱分解チャンバーから排出される、先行請求項のいずれか一項に記載の熱分解方法。
20. シリカを含有するポリマー廃材から、特にシリカを含有するゴムまたはプラスチック廃材から前記ポリマー廃材の少なくとも１つの非シリカ成分からシリカを分離するための熱分解を使用して、シリカを回収するための熱分解反応器であって、前記廃材を収容するための熱分解チャンバー（１）および前記廃材を前記廃材の分解温度に加熱するための少なくとも１つの熱源を備え、前記少なくとも１つの熱源は、マイクロ波放射源を備える、熱分解反応器。
21. 前記熱分解チャンバー（１）が、少なくとも前記熱分解チャンバーのゾーンに酸素化環境を適用し、前記酸素化環境からガスを抽出するための酸素入口（２１）およびガス出口（２ａ）を備える、請求項２０に記載の熱分解反応器。
22. 少なくとも前記熱分解チャンバー（１）のゾーンは、不活性環境または負圧環境を備える、請求項２０または２１に記載の熱分解反応器。
    

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