JP3653111B2 - 廃棄プラスチックの連続油化方法及び連続油化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、廃棄プラスチックを熱分解して油化する技術に関し、特に工業用バーナーなどの燃料油としての適性の高い組成の油化物を効率的に得る油化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃棄プラスチックの油化処理については、既に多種多様な考え方や装置形態が提案されている。しかし実用的な稼働を可能としているものが未だないのが実情である。
【０００３】
例えば押出し成形機の機構を応用する技術、つまり押出し成形機の特徴であるスクリューコンベヤのような連続的搬送手段による連続搬送を行ないながら加熱しつつ油化分解を連続的に行なう技術もその一つである。押出し成形機の機構を応用するについては、押出し成形機が高度に完成した技術であることから、コンパクトな装置形態で比較的大きな処理量が可能であり、また連続的な自動処理が可能であるなどの期待が持たれ、世界各国で多数の研究開発が進められて来た。しかしその実用化が実現されていないのは上記の通りである。
【０００４】
押出し成形機方式も含めて、従来の油化技術がその実用稼働に至らないのには、分解過程における炭化物（カーボン）の大量発生が大きな要因の一つを占めている。即ちカーボンが多量に発生すると、これが分解反応器の内壁に付着して熱伝導を阻害し、分解反応の安定的な制御が困難となり、そのために望ましい組成の回収物を効率的に得ることが出来ず、また装置のメンテナンスに多大の労力と時間を必要とし、さらに反応過程の危険性が増すので多くの監視要員を必要とすることになる。そしてこの結果、経済性に劣り、実用機としての稼働に結び付けることができなくなる。
【０００５】
また得られる回収物の組成を十分に制御できないということも実用稼働を阻害する要因となっている。即ち、回収物は、工業用バーナーなどの燃料油として適性のある成分構成であることが現実的に最も望ましいが、従来技術における回収物は、カーボンの混入による低質化を招いたり、逆に過剰分解によりガソリン分が多くなり過ぎて燃料油としての適性を欠くなど、システムの実用的稼働に不可欠である回収物の付加価値性を高めることが出来ず、実用的なシステムとしての稼働に結び付けることができなくなる。
【０００６】
以上のような油化技術の実用稼働の上で避けることのできないカーボンの発生防止や回収物の組成制御には、ポリマーの分解やカーボン発生のメカニズムについての正確な知識と、これに基づいた適切な対応が当然に求められるが、従来の技術は、何れもこの点に不十分なものがあり、カーボンの発生を有効に防止することができず、また回収物の組成制御を有効に行なうことが出来ていなかったと考えられる。
【０００７】
このような観点から本願発明者は、ポリマーの分解及びカーボンの発生のメカニズムについて、より深く研究分析を行ない、以下のような知見を得た。先ずポリマーの油化分解であるが、これは、固形物が溶融して液化し、それから液化した状態でさらに加熱を受けることによりポリマーの高次構造が壊れて低次構造化し、この状態で初めて分解を生じるようになり、分解を生じると分解温度などに応じた種々の分子量分布を持つ気化成分が発生し、これを冷却することで一定の組成を持った回収物が得られる、という過程を経て生じる。そして回収物の組成に最も大きく影響するのは液化した状態における加熱温度の制御乃至分解反応の制御であり、したがって液化成分に対する温度制御乃至分解反応制御が回収物の組成にとって最も重要な要素である。
【０００８】
次にカーボンの発生は、分解で発生した気化成分、特に低分子化の進んだ気化成分がさらに過剰の加熱を受ける場合にその殆どが発生する。しかるに、従来の技術は何れも気化成分が固形物や液化成分に閉じ込められたり包み込まれたりして過剰加熱を逃れ得ないような条件で処理を行なっており、このことがカーボンの大量発生の最大の原因となっている。したがって液化成分から生じる気化成分を素早く液化成分などから分離させて過剰加熱に曝される状態をなくしてやることが最も大事なことである。
【０００９】
特に、押出し成形機機構を応用した従来の技術では、スクリューの強力な搬送による圧縮力やせん断力も加熱源として利用するという成形の考え方の延長から、液状化した後にも高密度な状態に圧縮して搬送するようにしており、この結果、気化成分が閉じ込められてカーボンの大量発生を招き易くなり、また熱伝導率の低いポリマーに厚い層を形成させることになるので、その中心部の温度制御に困難を来たしてしまい、回収物の組成制御を有効に行なうことが出来ていなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、廃棄プラスチックの油化技術、特に上記のような利点を期待できる押出し成形機機構を応用する油化技術について、カーボンの発生を有効に防止し、また望ましい組成の回収物を効率的に得るための分解制御を効果的に行なえるようにすることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
具体的には本発明では、対象物を供給側から排出側まで水平乃至若干適宜な角度で傾けた横送り状態で連続的に搬送する搬送手段を内蔵した反応器を一つ又は複数多段に接続して用い、これらの反応器内で搬送しながら廃棄プラスチックを加熱しつつ分解させて廃棄プラスチックの連続油化を行なうについて、一つ又は一連の反応器を単位として溶融ゾーンと分解ゾーンを搬送方向で形成させるようにし、溶融ゾーンでは、固形状態の廃棄プラスチックを溶融させて液化させ、分解ゾーンでは、溶融ゾーンから供給されて来る液化成分に反応器の底部で浅い液相部を形成させると共に、液相部における液化成分の分解・気化で生じる気化成分に液相部の上側で当該液相部に比べ十分に大きな容積の気相部を形成させ、この気相部に充満する気化成分を外部に導いて冷却後、油化物として回収するようにしている。
【００１２】
この方法の特徴は、分解ゾーンに液相部と気相部を形成させ、しかもその液相部を薄くする一方で、その気相部に液相部と比べ十分に大きな容積を与えるようにしていることである。この結果、ポリマーの熱伝導率が低いことによる影響を小さくすることができて液相部における液化成分の温度制御が容易となり、意図する組成の回収物を得やすくすることができるようになる。また液化成分から生じる気化成分を素早く液化成分から分離させて気化成分が過剰加熱に曝される状態をなくしてやることができ、カーボンの発生を有効に防止することができる。特にカーボンの発生を有効に防止できる結果、分解反応の安定的な制御が容易となって望ましい組成の回収物を効率的に得ることが出来るようになり、また装置のメンテナンスの負担が大幅に軽減し、さらに反応過程の監視が実質的に不要となって無人化運転を可能とすることができる。
【００１３】
このような気相部は、さらに回収物の組成制御にも有効に機能させることができる。即ち、気相部における温度を液相部のそれに比べ低く保つことにより、気相部において気化成分に自然対流を生じさせることができ、この自然対流により分子量の大きい成分だけが再び液相部の側に戻って再分解を受けて低分子化し、回収物の分子量分布を狭い範囲におさめることができる。
【００１４】
このようなメカニズムを有効に活用するためには、そこにおける気化成分が上記のような対流を有効に生じ得るような容積を気相部に与え、且つ気相部と液相部の加熱制御を分離させて気相部を液相部より低温に維持できるようにすることである。
【００１５】
また本発明では、上記のような液相部と気相部の分離形成に伴って、液相部において液化成分を触媒と接触させるようにしている。このように液相部において液化成分だけに触媒を作用させることも、上述した液化状態における分解反応制御にとって重要であり、回収物の組成を望ましい構成とする上で大きく機能する。この点を従来における触媒の使い方と比較して以下に説明する。
【００１６】
従来の考え方では触媒は気相中でのみ機能するものとされ、このために分解生成した気化成分に触媒を接触させるようにしており、この結果過剰分解が進んで多量のガソリン分を生じさせてしまっていた。つまり従来では本来の意味での油化分解過程には実質的に触媒を用いずに、油化分解後の副次的な過程で触媒を用い、しかもそのことが回収物の組成を望ましくない方向に変える原因となっていた。これに対し、本発明では、本来の意味での油化分解過程に触媒を利用でき、且つその作用を本来の分解にのみ利用することができる、つまり分解で生じた気化成分には作用させずに、液化したポリマーにのみ作用させることができるので、分解効率を格段に挙げることができ、しかも望ましい組成の回収物を高い効率で得ることができる。
【００１７】
上記のような連続油化方法を実効するための連続油化装置は、対象物を供給側から排出側まで水平状態で連続的に搬送する搬送手段を内蔵した反応器を一つ又は複数備え、これらの反応器内で搬送しながら廃棄プラスチックを加熱しつつ分解させて油化を行なう構造を基本として、一つ又は一連の反応器を単位として溶融ゾーンと分解ゾーンを搬送方向で形成させ、溶融ゾーンでは、固形状態の廃棄プラスチックを溶融して液化させ、分解ゾーンでは、溶融ゾーンから供給されて来る液化成分に反応器の底部で浅い液相部を形成させると共に、液相部における液化成分の分解・気化で生じる気化成分に液相部の上側で当該液相部に比べ十分に大きな容積の気相部を形成させ、この気相部に充満する気化成分を外部に導いて冷却後、油化物として回収するようになっており、上記分解ゾーンに対応する部位には、液相部の気化成分搬送用として搬送手段を反応器の底部に近接する状態で設けると共に、この搬送手段の上側に上記気相部のための空間部を設けるようにしてなっている。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について説明する。本実施例では図１に示すような連続油化装置を用いている。この連続油化装置は、３個の反応器１ａ、１ｂ、１ｃを上下方向で多段に接続した構造となっている。各反応器１ａ、１ｂ、１ｃは、何れも筒状のケーシング２ａ、２ｂ、２ｃの内部に搬送手段として２軸のスクリュー３ａ、３ｂ、３ｃを内蔵している。また各反応器１ａ、１ｂ、１ｃは、図示を省略した加熱手段により外部からそれぞれに応じて温度で加熱できるようにされている。
【００１９】
その内、上段の反応器１ａは、そのケーシング２ａの内周サイズがスクリュー３ａの外周サイズより僅かに大きい程度とされている。またそのケーシング２ａの一方の端近くに供給部４が設けられると共に、他方の端近くに第１ガス抜き部５と流下部６が設けられ、この流下部６が第２ガス抜き部７を間に介在させて中段の反応器１ｂの受入れ部８に接続されている。
【００２０】
一方、中段及び下段の反応器１ｂ、１ｃについては、そのケーシング２ｂ、２ｃの高さサイズが上段の反応器１ａのケーシング２ａの高さサイズの１／３程度とされ、またそのスクリュー３ｂ、３ｃは、その高さサイズがケーシング２ｂ、２ｃの高さサイズの半分程度とされ、ケーシング２ｂ、２ｃの底部に沿うようにされている。この結果、スクリュー３ｂ、３ｃの上側に所定容積の空間部が気相部Ｇとして形成されている。また中段の反応器１ｂは、そのケーシング２ｂの各端近くに上記受入れ部８の他に第３ガス抜き部９、及び流下部１０が設けられ、下段の反応器１ｃは、そのケーシング２ｃの一方の端近くに中段の反応器１ｂの流下部１０と第４ガス抜き部１１を介在させて接続する受入れ部１２が、また他方の端近くに第５ガス抜き部１３と排出部１４が設けられている。さらにこの両反応器１ｂ、１ｃのケーシング２ｂ、２ｃは、図２に中段の反応器１ｂについて示すように、上部ケーシング部材１５と下部ケーシング部材１６で形成され、この両部材１５、１６は、気密構造とした接続部１７で接続されている。
【００２１】
なお各反応器１ａ、１ｂ、１ｃにはそれぞれのスクリュー３ａ、３ｂ、３ｃを回転駆動させる駆動系が接続されているが、これらは従来より一般に用いられているものであるので、その図示を省略している。
【００２２】
この連続油化装置による廃棄プラスチックの連続油化処理は以下のようにして行なわれる。上段の反応器１ａの投入部４からは所定の粉砕処理を施した固形状の廃棄プラスチックが例えばシリカ粒子のような顆粒状の触媒と混合させて連続的に供給される。そしてこれがスクリュー３ａで搬送されながら加熱を受けて徐々に溶融して液化して行く。この間が溶融ゾーンをなしており、上段の反応器１ａの実効長約２ｍのほぼ８割程度を占めている。
【００２３】
溶融ゾーンの先では粘度が低くい液化成分が主流となり、この液化成分は触媒と共にケーシング２ａの底部に数ｃｍ程度の薄い層を形成して集まる（図１中に２点鎖線で示すのが固形状態の廃棄プラスチックが溶融して液化成分となって徐々に減容しつつ薄層化して行く状態である）。この部位は溶融ゾーンと後述の分解ゾーンをつなぐ初期分解ゾーンに当たり、液化成分から分解・気化が徐々に始まる部分で、ここで生じた気化成分は第１ガス抜き部５から排出して図外の回収装置に導かれ、そこで冷却されて回収される。
【００２４】
初期分解ゾーンからの低粘度化した液化成分は、流下部６及び受入れ部８を通って中段の反応器１ｂに流下する。中段の反応器１ｂは、これに接続する下段の反応器１ｃと共に分解ゾーンを形成しており、中段の反応器１ｂ、つまり分解ゾーンに流下した液化成分は、図２に見られるように、そのケーシング２ｂの底部に浅い液相部Ｌを形成した状態でスクリュー３ｂにより流下部１０の側に搬送されながら液相部Ｌにおける加熱温度（例えばポリスチレンの場合であれば約４５０℃でポリエチレンの場合であれば約６００℃）による加熱を受けることで分解を生じて気化成分を気相部Ｇに放出する。
【００２５】
気相部Ｇにあっては、気化成分の内の低分子成分は軽いのでそのまま第２ガス抜き部７及び第３ガス抜き部９から排出されるが、分子量が大きい成分は、液相部Ｌより低く制御された温度雰囲気（例えばポリスチレンの場合であれば約３００℃でポリエチレンの場合であれば約４５０℃）の気相部Ｇで冷やされて下降し、再び高温状態の液相部Ｌで加熱されて再分解を受けて低分子化する。つまり気相部Ｇでは液相部Ｌとの温度差で気化成分の活発な上下対流が生じて高分子量成分の減少化が進められる。
【００２６】
以上の反応は中段の反応器１ｂから流下した気化成分について下段反応器１ｃにおいても全く同様に生じる。そして最後に下段反応器１ｃの排出部１４から未分解物が触媒と共に排出・回収される。
【００２７】
以上のようにして得られた油化物は、灯油相当の成分、軽油相当の成分、及びＡ重油相当の成分を主体とし、その比率はポリスチレンの場合で９８％に達しており、工業用バーナー燃料として適した組成を持っていた。
【００２８】
以上の本実施例に基づく構造で６０ｋｇ／１時間の処理能力を予定する場合の仕様例を挙げると、上段の反応器１ａは、そのケーシング２ａの高さサイズが約２２ｃｍで、全長が約３ｍ、中段及び下段の反応器１ｂ、１ｃは、それぞれのケーシング２ｂ、２ｃの高さサイズが上段の反応器１ａの１／３程度で、全長が上段の反応器１ａより若干短い程度となり、極めてコンパクトな構造で済ませることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、押出し成形機機構を応用する油化技術におけるカーボンの発生や回収油の油質制御の問題を解消することができ、押出し成形機機構の応用による装置全体のコンパクト化や連続的な自動処理化などの利点を有効に活かした連続油化技術の実用的な稼働を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による連続油化装置の要部を簡略化して示す一部断面を含む側面図。
【図２】図１中の矢示ＳＡ−ＳＡ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ 反応器
３ａ、３ｂ、３ｃ スクリュー（搬送手段）
４ 供給部
１４ 排出部
Ｇ 気相部
Ｌ 液相部

Claims (12)

1. 対象物を供給側から排出側まで連続的に搬送する搬送手段を内蔵した反応器を一つ又は複数多段に接続して用い、これらの反応器内で搬送しながら廃棄プラスチックを加熱しつつ分解させて油化を行なう廃棄プラスチックの連続油化方法であって、
   一つ又は一連の反応器を単位として溶融ゾーンと分解ゾーンを搬送方向で形成させるようにし、
   溶融ゾーンでは、固形状態の廃棄プラスチックを溶融させて液化させ、
   分解ゾーンでは、溶融ゾーンから供給されて来る液化成分に、液化成分の分解・気化で生じる気化成分が過剰加熱に曝されないで速やかに離脱でき、それによりカーボンの発生を有効に防止できる程度にその深さが小さくされた浅い液相部を反応器の底部に形成させると共に、液相部の上側に、当該液相部に比べ十分に大きな容積の気相部を形成させ、この気相部に充満する気化成分を外部に導いて冷却後、油化物として回収するようにしてなる廃棄プラスチックの連続油化方法。
2. 対象物を供給側から排出側まで連続的に搬送する搬送手段を内蔵した反応器を一つ又は複数多段に接続して用い、これらの反応器内で搬送しながら廃棄プラスチックを加熱しつつ分解させて油化を行なう廃棄プラスチックの連続油化方法であって、
   一つ又は一連の反応器を単位として溶融ゾーンと分解ゾーンを搬送方向で形成させるようにし、
   溶融ゾーンでは、固形状態の廃棄プラスチックを溶融させて液化させ、
   分解ゾーンでは、溶融ゾーンから供給されて来る液化成分に反応器の底部に、浅い液相部を形成させると共に、液相部における液化成分の分解・気化で生じる気化成分に、当該液相部に比べ十分に大きな容積とされ、且つ分解ゾーンの長さ方向の全域にわたる気相部を形成させ、この気相部に充満する気化成分を外部に導いて冷却後、油化物として回収するようにしてなる廃棄プラスチックの連続油化方法。
3. 対象物を供給側から排出側まで連続的に搬送する搬送手段を内蔵した反応器を一つ又は複数多段に接続して用い、これらの反応器内で搬送しながら廃棄プラスチックを加熱しつつ分解させて油化を行なう廃棄プラスチックの連続油化方法であって、
   一つ又は一連の反応器を単位として溶融ゾーンと分解ゾーンを搬送方向で形成させるようにすると共に、
   前記分解ゾーンを断面略円形の管体である反応器にて形成し、分解ゾーンを形成する反応器に内蔵される前記搬送手段を、断面略円形の管体である前記反応器の長さ方向の全域で当該反応器の下側に偏心させた状態で設け、
   溶融ゾーンでは、固形状態の廃棄プラスチックを溶融させて液化させ、
   分解ゾーンでは、溶融ゾーンから供給されて来る液化成分に浅い液相部を反応器の底部に形成させると共に、液相部における液化成分の分解・気化で生じる気化成分に、液相部の上側に当該液相部に比べ十分に大きな容積の気相部を形成させ、この気相部に充満する気化成分を外部に導いて冷却後、油化物として回収するようにしてなる廃棄プラスチックの連続油化方法。
4. 気相部の加熱温度を液相部より低温に維持するようにし、前記気相部を、気化成分に自然対流を生じさせることができるだけの容積にする請求項１、２又は３に記載の連続油化方法。
5. 液相部の液化成分を触媒と接触させるようにした請求項１、２又は３に記載の連続油化方法。
6. 分解ゾーンを形成する反応器に内蔵される搬送手段をスクリューにする請求項１、２又 は３に記載の連続油化方法。
7. 対象物を供給側から排出側まで連続的に搬送する搬送手段を内蔵した反応器を一つ又は複数備え、これらの反応器内で搬送しながら廃棄プラスチックを加熱しつつ分解させて油化を行なう廃棄プラスチックの連続油化装置であって、
   一つ又は一連の反応器を単位として溶融ゾーンと分解ゾーンを搬送方向で形成させるようになっており、
   溶融ゾーンは、固形状態の廃棄プラスチックを溶融して液化させるようになっていると共に、
   分解ゾーンは、溶融ゾーンから供給されて来る液化成分に、液化成分の分解・気化で生じる気化成分が過剰加熱に曝されないで速やかに離脱でき、それによりカーボンの発生を有効に防止できる程度にその深さが小さくされた浅い液相部を反応器の底部に形成させると共に、気化成分に液相部の上側に当該液相部に比べ十分に大きな容積の気相部を形成させ、この気相部に充満する気化成分を外部に導いて冷却後、油化物として回収するようになっている連続油化装置。
8. 対象物を供給側から排出側まで連続的に搬送する搬送手段を内蔵した反応器を一つ又は複数備え、これらの反応器内で搬送しながら廃棄プラスチックを加熱しつつ分解させて油化を行なう廃棄プラスチックの連続油化装置であって、
   一つ又は一連の反応器を単位として溶融ゾーンと分解ゾーンを搬送方向で形成させるようになっており、
   溶融ゾーンは、固形状態の廃棄プラスチックを溶融して液化させるようになっていると共に、
   分解ゾーンは、溶融ゾーンから供給されて来る液化成分に浅い液相部を反応器の底部に形成させると共に、液相部における液化成分の分解・気化で生じる気化成分に、当該液相部に比べ十分に大きな容積とされ、且つ分解ゾーンの長さ方向の全域にわたる気相部を形成させ、この気相部に充満する気化成分を外部に導いて冷却後、油化物として回収するようになっている連続油化装置。
9. 対象物を供給側から排出側まで連続的に搬送する搬送手段を内蔵した反応器を一つ又は複数備え、これらの反応器内で搬送しながら廃棄プラスチックを加熱しつつ分解させて油化を行なう廃棄プラスチックの連続油化装置であって、
   一つ又は一連の反応器を単位として溶融ゾーンと分解ゾーンを搬送方向で形成させるようになっており、
   溶融ゾーンは、固形状態の廃棄プラスチックを溶融して液化させるようになっていると共に、
   分解ゾーンは、溶融ゾーンから供給されて来る液化成分に浅い液相部を反応器の底部に形成させると共に、液相部における液化成分の分解・気化で生じる気化成分に液相部の上側で当該液相部に比べ十分に大きな容積の気相部を形成させ、この気相部に充満する気化成分を外部に導いて冷却後、油化物として回収するようになっており、
   前記分解ゾーンを形成する反応器は断面略円形の管体であり、分解ゾーンを形成する反応器に内蔵される前記搬送手段は、断面略円形の管体である前記反応器の長さ方向の全域で当該反応器の下側に偏心させた状態となるようにして設けられており、
   この搬送手段の上側に上記気相部のための空間部が設けられてなる連続油化装置。
10. 気相部の加熱温度を液相部より低温に維持するようにされており、前記気相部は、気化成分に自然対流を生じさせることができるだけの容積にされてなる請求項７、８又は９に記載の連続油化装置。
11. 液相部の液化成分を触媒と接触させるようになっている請求項７、８又は９に記載の連 続油化装置。
12. 分解ゾーンを形成する反応器に内蔵される搬送手段はスクリューである請求項７、８又は９に記載の連続油化装置。

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