JP3653946B2 - 廃プラスチックリサイクルシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃工業製品を破砕・粉砕・選別して回収された、廃プラスチックをモノマー，油，ガスのような再利用可能な有価物に変換する、廃プラスチックリサイクルシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃工業製品にはプラスチック，金属，ガラス等が含まれており、廃工業製品を破砕・粉砕し、磁力，渦電流，風力により有価金属を選別し、プラスチック，有価金属，ダストに分ける技術の開発が進められている。有価金属については回収・再利用可能であるが、プラスチックの再利用については、再びプラスチックとして利用するマテリアルリサイクルに留まっている。また、ダストについてはプラスチックが主成分であるが、多種のプラスチックを含み、かつ金属類も含有するため、リサイクルが困難である。マテリアルリサイクルできないプラスチックについては、埋立あるいは焼却以外に処理する方法がない。
【０００３】
一方、廃プラスチックの新しい処理法として、超臨界水（３７４℃，２２Mpaの臨界点以上の水）あるいは亜臨界水を用いて加水分解あるいは熱分解する方法が試みられている（例えば特開平5−31000号）。しかし、本方法を工業的に利用するためには、昇温方法，運転・制御方法、等数々の開発課題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、超臨界水あるいは亜臨界水により、廃工業製品から選別・回収された、多種プラスチック，金属等の無機物を含むプラスチック，ダストを、モノマー，油，ガスのような再利用可能な有価物に変換してリサイクルするシステムを確立することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、廃工業製品を破砕・選別した後に得られるプラスチック，ダストについて、超臨界水あるいは亜臨界水により、リサイクル可能な形態に変換する方法について、鋭意研究開発を実施した結果生まれたものである。
【０００６】
すなわち、まず水を加熱して超臨界あるいは亜臨界状態にするための方法について検討した。水を臨界点近傍あるいは以上に昇温するための熱源としては、外部から電気炉等で加熱する方法がある。しかし、外部から加熱する場合、伝熱速度の問題があり、効率が悪く、大容量の炉が必要になる。そこで、発明者らは水の中に燃料と酸化剤を入れて燃焼開始温度まで昇温できれば、それ以降は燃焼熱により臨界点近傍あるいはそれ以上の温度まで昇温可能ではないかと考えた。燃料としては灯油，軽油，メタノール，エタノール等の炭素含有化合物を使用できる。酸化剤として過酸化水素，空気、あるいは酸素を用いれば良い。実験の結果では、燃料に対する酸化剤量が当量以上あれば、燃料種類により異なるが２００℃程度から燃焼が開始し、燃料濃度に依存して温度が上昇することを確認できた。これにより、外部から加熱しなくても、水を超臨界あるいは亜臨界にまで昇温することが可能である。酸化剤供給量は、燃料燃焼後の残存酸化剤濃度を求め、若干酸化剤が残存するようにフィードバック制御することにより、酸化剤不足状態にならないようにした。なお、燃焼生成物は二酸化炭素であり、プラスチックの処理に対する影響はほとんどない。
【０００７】
次に、廃工業製品、特に廃家電品を粉砕・選別して得られる、多種プラスチック，金属等の無機物を含有するダストの処理について検討を進めた。ダスト中のプラスチックのリサイクルが可能であれば、ダストと比べて純度の高い、選別・回収されたプラスチックのリサイクルについても当然可能となる。そこで、ダストを主に実験を進めた。
【０００８】
使用したダストには約７０％のプラスチックが含まれている。プラスチックは多種に渡る。ダストの種類により異なるが、熱可塑性樹脂としてはポリエチレン，ポリプロピレン，ポリスチレン，ポリ塩化ビニル樹脂，ポリエチレンテレフタレート等、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂，ユリア樹脂，メラミン樹脂，不飽和ポリエステル樹脂，エポキシ樹脂，ウレタンフォーム等である。超臨界水あるいは亜臨界水で処理する場合、温度，圧力により、分解可能なプラスチック種は異なる。ある温度，圧力の条件では、例えばポリエチレンテレフタレートのような分解してモノマーに変換されやすい物質は、温度が高すぎると分解が進行して、油あるいはガスにまで変換されてしまう。一方、分解され難いプラスチックでは、温度が低いと分解が進行しない。従って、最も経済的な、あるいは目的とする組成の生成物を回収するための条件の選定が必要になる。本発明では、生成物組成から、目的とする反応が得られていない場合には、昇温用燃料供給量を変えることにより（燃料に連動して酸化剤供給量も変化）、反応温度を変更するという手法を取った。
【０００９】
生成物は混合状態で生じるため、その組成によって分離方法を適宜使い分ける必要が生じる。分離方法については既存の種々の方法を適用できる。また、必要に応じて、生成物の精製も必要である。精製についても既存の方法を適用可能である。
【００１０】
また、プラスチックの中には、塩素を含有する塩化ビニル樹脂等も含まれている。含塩素プラスチックは分解により、塩素を発生する。水のなかでは塩酸となり、強い腐食性を示すので装置材料が腐食するという問題がある。その対策としては、水中にあらかじめ水酸化ナトリウム，炭酸カルシウムのような塩基性物質を添加しておき、中和すれば良い。
【００１１】
水を超臨界あるいは亜臨界状態まで昇温する方法として、外部から熱を供給する場合、熱は反応容器壁を伝わって、水に達するため、伝熱速度の影響を受ける。また、反応容器壁を伝わる熱損失がある。本発明では、水の中において、燃料と酸化剤との反応による燃焼熱により水の温度を上げるため、反応容器壁による伝熱速度低下，熱損失がなく、水温を迅速に臨界点近傍あるいはそれ以上に上げることができる。また、燃料に対して酸化剤量が多すぎると、酸化剤が残留し、プラスチックと反応して一酸化炭素や二酸化炭素に変換されてしまう。そこで、酸化剤量の制御が重要となる。本発明では燃焼後の過剰酸化剤量を検出し、必要以上の酸化剤が供給されることのないようにフィードバック制御することを含んでいる。
【００１２】
超臨界あるいは亜臨界の水に廃プラスチックを導入する際には、粉砕（例えば冷凍破砕）してそのまま供給する方法、あるいは水と混合してスラリーあるいはシャーベット状にして供給する。廃プラスチックが超臨界あるいは亜臨界状態の水に接触すると、プラスチックが加水分解あるいは熱分解し、低分子量化が始まる。低分子量化は温度，圧力，時間、特に温度と時間によって影響を受ける。また、プラスチック種によっても異なる。処理する廃工業製品により回収されるプラスチックの純度や不純物として含まれるプラスチック，金属の種類や量が変化する。そこで、目的とする処理生成物を効率良く回収するためには、生成物を常に監視して、反応の温度，圧力，時間を制御する必要がある。本発明では、生成物の組成を定期的に求め、これをもとに温度，圧力，時間が適正値に維持されるようにフィードバック制御を行う。もう少し具体的には、ガス生成量が多い場合には、水に混合する燃料の量を減少する（同時に酸化剤量も減少させる）ことにより反応温度を低下させる。または水流量増加あるいは廃プラスチック供給量を増加させ、反応時間の短縮をはかる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例について説明する。
【００１４】
（実施例１）
管状反応器を用いて、図１に示すシステムを作製した。反応器には内径５.５ mm，長さ７７０mm（プラスチック供給部から冷却器までの長さ）のＳＵＳ管を用いた。予熱器には電気炉を使用し、燃料の燃焼開始温度まで昇温した。燃料としてメタノールを、酸化剤として過酸化水素を使用した。その結果、放熱を考慮して、メタノールの発熱量から予測される昇温が認められ、廃プラスチック供給点での温度を４００℃にすることができた。廃プラスチックとして、ポリエチレンテレフタレートを粒径約０.１mm に粉砕し、水と混合してスラリー状にして供給した。反応平均温度を約４００℃に維持した。冷却後に生成物を分析したところ、エチレングリコールとテレフタル酸が認められ、ポリエチレンテレフタレートがモノマーに変換されていることがわかった。
【００１５】
（実施例２）
実施例１と同様にして、燃料供給量を変えること（燃料供給量によって酸化剤供給量も変化）により、反応温度を変えることを試みた。燃料供給量を２、あるいは３／２倍に増加、または３／４，１／２、あるいは１／４倍に減少させることにより、反応温度が変化することを確認した。このとき、酸化剤の供給量も、燃料供給量に連動させ、燃焼に必要な量を供給した。このとき反応温度の変化により、分解生成物のうち、モノマー，ガス，油の割合が変化した。このことから、目的とする生成物を得るためには、生成物組成に基づいて燃料供給量を制御して、反応温度を変えれば良いことがわかった。
【００１６】
（実施例３）
酸化剤として酸素を使用する以外は実施例１と同様にして、実験した。但し、酸素を供給するため、図２に示すように、水供給管に酸化剤供給用枝管と燃料供給用枝管を設け、上流側の枝管から酸素を、下流側の枝管から燃料供給した。燃料供給後の燃焼開始までを予熱部，燃焼部を昇温部と称している。この結果、酸化剤として酸素を使用しても実施例１と同様の結果が得られた。
【００１７】
また、上流側の枝管から燃料を、下流側の枝管から酸化剤を供給しても、同様の結果が得られた。
【００１８】
（実施例４）
実施例２と同様にして、燃料供給枝管と廃プラスチック供給枝管の間の昇温部に酸化触媒を挿入した。触媒の配置を図３に示す。酸化触媒としてはアルミナ粒子上に白金，パラジウム，ニッケルを担持したものを用いた。その結果、いずれの触媒を用いても、実施例２と比べて、予熱部の温度を低下させることが可能なことを確認した。
【００１９】
（実施例５）
実施例１と同様にして、反応後の熱を回収して予熱に利用するため、冷却器を取り外し、予熱器部分に熱回収部として二重間を取り付けた。システムを図４に示す。二重間の外管部に反応後の水を流し、内管を通る燃料及び酸化剤を含む水を予熱した。その結果、予熱温度は、燃料の燃焼開始温度以上に上昇し、燃料使用量を削減することができた。
【００２０】
（実施例６）
これまでは管状反応器を用いていたが、本実施例では内部に流動媒体として砂を充填した流動床反応器を用いた。流動床反応器の構造を図５に示す。流動床下部から燃料，酸化剤、及び水を供給できる構造である。また、燃料，酸化剤、及び水の供給口より上部に廃プラスチック供給口を設け、廃プラスチックを供給した。酸化剤として、空気を使用し、燃料には灯油を用いた。実験を開始するためには、反応器下部に電気炉（図中には示していない）を取付け、あらかじめ燃料が燃焼を開始する温度まで昇温できるようにした。一旦昇温してしまえば、あとは燃料の燃焼熱により、燃焼開始温度以上に維持でき、電気炉を使用する必要はなかった。廃プラスチックとしては、廃家電品の破砕・粉砕・選別工程から出てきたシュレッダダストを、粒径約０.５mm に粉砕し、水と混合して供給した。
【００２１】
その結果、ダスト中に含まれるプラスチックの大部分が分解し、上部の抜出口よりガス，油等の分解生成物が得られた。
【００２２】
（実施例７）
流動床の流動媒体として石灰石を使用すること以外は実施例５と同様に実験した。実施例５と同様に、ダスト中に含まれるプラスチックの大部分が分解し、上部の抜出口よりガス，油等の分解生成物が得られた。実験終了後に、流動媒体である石灰石を分析したところ、塩化カルシウムが検出され、プラスチック中に含有されていた塩素が、流動媒体である石灰石に固定されていることが明らかになった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、水に燃料と酸化剤を添加し、燃料の燃焼熱により水を昇温するので、効率良く昇温でき、かつ燃料供給量を変化させることで反応温度を制御することができ、酸化剤供給量を制御することにより、燃料燃焼時には酸化剤不足状態にならないようにし、燃料燃焼後に必要以上の酸化剤が供給されることのないようにできるので、目的とする反応生成物を効率よく回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の廃プラスチックリサイクルシステムの一実施例を示す図。
【図２】酸化剤，燃料，廃プラスチックの供給方法と管状反応器を示す図。
【図３】触媒の配置を示す図。
【図４】熱回収を組込んだ廃プラスチックリサイクルシステムの一実施例を示す図。
【図５】流動床反応器の構造示す図。

Claims (12)

1. 廃プラスチックを超臨界水により、モノマー，油，ガス等に変換して再利用可能な形態に変換する廃プラスチックリサイクルシステムにおいて、水に燃料と酸化剤を混合して、前記酸化剤の混合は、前記燃料の供給量及び前記燃料の燃焼後で廃プラスチックの供給前の酸素濃度を用いて、前記酸化剤供給量を制御し、燃料を燃焼させることにより前記水を超臨界あるいは亜臨界状態まで昇温させ、その後に廃プラスチックを供給することにより、該廃プラスチックをモノマー，油，ガス等に変換することを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
2. 請求項１において、前記廃プラスチックをモノマー，油，ガス等に変換された後の組成に基づいて、前記燃料供給量を変化させることにより、反応温度を制御することを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
3. 請求項１において、前記燃料が炭化水素、あるいは／及びアルコール，前記酸化剤が過酸化水素，酸素あるいは／及び空気であることを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
4. 請求項１において、前記燃料と酸化剤の反応が酸化触媒の共存化で進行することを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
5. 請求項４において、前記酸化触媒が、周期表第８族元素を含むことを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
6. 請求項１において、前記廃プラスチックが粉砕され、水と混合後に供給されることを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
7. 請求項１において、前記廃プラスチックをモノマー，油，ガスに変換した後の水−モノマー，油、あるいはガスの有する熱を回収し、前記水の昇温の一部に利用し、降温後に水からモノマー，油、あるいはガスを分離し、水を再利用することを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
8. 廃プラスチックを超臨界水により、モノマー，油，ガス等に変換して再利用可能な形態に変換する廃プラスチックリサイクルシステムにおいて、管状反応器の入口から水を供給し、反応管に設けられた２本の枝管から、それぞれ燃料，酸化剤を供給して、前記燃料を燃焼させることにより前記水を超臨界あるいは亜臨界状態まで昇温させ、かつ前記２本の枝管の下流側に廃プラスチックあるいは廃プラスチック−水混合物を供給するための枝管が設けられ、前記燃料の供給量及び前記燃料の燃焼後で前記廃プラスチックあるいは廃プラスチック−水混合物の供給前の酸素濃度を用いて、前記酸化剤供給量を制御していることを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
9. 請求項８において、前記２本の枝管とその下流側に設けられた枝管の間の燃料燃焼部分に酸化触媒層を設けたことを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
10. 廃プラスチックを超臨界水により、モノマー，油，ガス等に変換して再利用可能な形態に変換する廃プラスチックリサイクルシステムにおいて、流動層反応器の下部から水，燃料、及び酸化剤が供給され、該燃料の燃焼により該水を昇温させて超臨界あるいは亜臨界状態の水とし、そこに廃プラスチックあるいは廃プラスチック−水混合物を供給することにより、該廃プラスチックをモノマー，油，ガス等に変換し、前記燃料の供給量及び前記燃料の燃焼後で前記廃プラスチックあるいは廃プラスチック−水混合物の供給前の酸素濃 度を用いて、前記酸化剤供給量を制御することを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
11. 請求項１０において、前記流動層内に塩基性化合物を含有することを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。
12. 請求項１０において、前記流動層反応器の内部に含まれる流動媒体が酸化触媒
    、あるいは流動媒体中に酸化触媒が含まれることを特徴とする廃プラスチックリサイクルシステム。

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