JP3989608B2

JP3989608B2 - 廃プラスチックの処理方法

Info

Publication number: JP3989608B2
Application number: JP3038298A
Authority: JP
Inventors: 善正池田; 均三瓶
Original assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: JPH11216445A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塩素及び重金属を含有するプラスチックから燃料ガスと重金属、塩酸を回収するプラスチックの処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年資源リサイクルの要望から、廃プラスチックのリサイクル利用が進んできているが、まだ廃棄あるいは焼却処理されているのが多いのが現状である。廃プラスチックの利用方法としては、再生利用の他に液化による軽油の回収方法が開発されている。プラスチックの液化は、液体燃料で回収することで石油製品として使用できる点は有利であるが、残渣が発生し残渣の処理が問題になること、また、発生する塩酸が液化触媒を劣化させる点から事前に分離しておく必要があることの他に、設備費、運転費が高く回収した軽油のコストは、市販の軽油価格より高くなり、経済的に成立しないのが現状である。また、廃プラスチックを燃料として大量に使用する方法として、高炉の羽口から微粉炭と同時に吹き込んで、鉄鉱石の還元剤として活用することで、微粉炭を減らす方法が最近実行されているが、塩化ビニール等の含塩素プラスチックは、分解して塩酸ガスが発生し、後段の集塵機、ガス配管を腐食するので事前に除去する必要がある。
【０００３】
塩素を含むプラスチックの代表である塩化ビニールには、安定剤として亜鉛が添加されており、さらに、電線被覆プラスチックの多くには、塩化ビニールが使用され、鉛が多量に含まれている。これらの重金属を含む廃プラスチックを液化処理すると、残渣中に重金属が残り、重金属を含む残渣の処理方法が課題になる。また、高炉に吹き込む場合、重金属による溶銑の汚染が発生すると同時に、高炉ダスト中に重金属が混入し高炉ダスト処理が問題になる。
【０００４】
塩素を含むプラスチックを処理する方法としては、特開平６−３１６５６２号公報に、２５０〜６００℃で熱分解して、発生する塩化水素を除去して、残った炭素を燃料として利用する方法が提案されているが、炭素で回収しても利用先が少ない点が問題である。また、特開平７−２３３３７３号公報では、燃料を燃焼した高温のガスを廃プラスチックに吹き込み溶融熱分解すると同時に、燃焼排ガスで発生した塩酸ガスを除去する方法が提案されているが、燃料を使用して加熱する点と、液化残渣が発生し処理が課題になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、廃プラスチックの液化、高炉吹き込み処理で問題になる、塩素及び重金属を含む廃プラスチックを燃料又は化学原料ガスとして回収すると共に、重金属を分離して回収し、更に塩素成分を塩酸として回収して有効に活用すると同時に、廃プラスチックに付着あるいは含まれている無機物も重金属を含まない資源として有効に活用することで、廃棄物を出さないで、廃プラスチックを有効活用できる方法を提供することにある。
【０００６】
【発明を解決するための手段】
上記課題を解決するための、本発明の手段は以下の通りである。
【０００７】
（１）塩素及び重金属を含有するプラスチックを１３００〜１６００℃で酸素ガスとガス化炉内で反応させ、ＣＯ、Ｈ₂及びＨＣｌガスに分解するとともに、重金属を金属蒸気として蒸発させて、重金属をガスと同伴させてプラスチックに含まれるスラグと分離して、更に前記ガス化炉の後段に設けた冷却炉で、ボイラー又は、水噴霧冷却によりガスを冷却して、重金属を金属、金属塩化物又は金属酸化物にして、固化して集塵機で捕集して、分離することを特徴とする廃プラスチックの処理方法である。
【０００８】
（２）前記集塵機の後段に塩酸回収装置を設け、ガス中の塩酸を回収することを特徴とする（１）項記載の廃プラスチックの処理方法である。
【０００９】
（３）前記ガス化炉の下部にスラグタップを設け、プラスチック中の無機物及び付着した無機物を溶融させた後、冷却固化して回収することを特徴とする（１）項記載の廃プラスチックの処理方法である。
【００１０】
本発明においては、ガス化炉で廃プラスチックを酸素ガスで１３００〜１６００℃の高温で反応させて、プラスチックを主としてＣＯ、Ｈ₂、ＨＣｌガスに分解し、重金属を金属蒸気にして、ガスに同伴させる。次に、冷却炉で温度の低下とガス組成が重金属の酸化条件になることで、金属塩化物又は酸化物の固体にし、集塵機で重金属を捕集し、その後、塩酸ガスを水に吸収して塩酸を回収し、未回収の塩酸ガスと塩素ガスは除害塔で除去した後に燃料ガスあるいは化学原料ガスとして利用する。廃プラスチックに付着あるいは含まれる無機物は、ガス化炉で溶融してスラグタップから排出され水槽で冷却固化して回収することによって、重金属を含まないスラグを回収するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
塩素を含有する廃プラスチックは、高温で燃焼すれば、塩素を含む有害有機化合物を発生しないことが知られている。空気で燃焼しても高温燃焼することは可能であるが、排ガス量が増加して１３００℃以上の高温燃焼では、ほとんど完全燃焼することになって、生成ガス中の有用なＣＯ、Ｈ₂の割合は少なく、ほとんどがＣＯ₂、Ｈ₂Ｏになり、さらに、窒素ガスを５０％以上含む低カロリーのガスしか得られない。重金属は、高温条件で還元雰囲気であれば、金属蒸気になってガス中に存在してスラグと分離することが可能になるが、酸化雰囲気では、酸化物として存在して、金属酸化物はほとんど揮発しないことから、スラグに含まれるので分離することが不可能になる。しかし、酸素ガスで燃焼することで燃焼ガス量を減少することが可能になり、燃焼ガス顕熱が大幅に減少してＣＯ、Ｈ₂ガスを主成分とする高カロリーガスを得ることが可能になり、重金属も金属状態になり、鉛、亜鉛等の蒸気圧の高い金属は、金属蒸気になってガス中に存在して、スラグには含まれなくなることに着目した。また、生成ガス中の塩酸ガス濃度も高くなり、ガス量も減少することから、集塵設備、塩酸回収設備、除害設備の容量も小さくすることが可能になる。さらに、１３００℃以上の高温では、廃プラスチックに含まれる無機物も溶融するので、ガスと分離することが容易になり、冷却、固化すれば重金属を含まないスラグとして土建資材に有効利用できる。無機物は、成分によっては高融点になるが、このような場合、添加剤で成分調整することで融点の低下は可能である。ガス化温度は、高温の方が無機物の溶融、塩素を含む有害有機化合物発生防止の点から望ましいが、ガス化炉の耐熱性、損失熱の増加を防止する点から１６００℃以下とするものである。
【００１２】
次に重金属の挙動について説明する。鉛の温度と関係した反応の自由エネルギー変化を図２に示す。自由エネルギー変化は、小さい（−が大きく図２のグラフの下にある）ほど反応が進行することを示している。鉛と酸素の平衡は、ＣＯ、Ｈ₂の存在下では、ＣＯ、Ｈ₂と酸素の反応より、図２で示すように各温度範囲で上にあることから、酸化鉛でなく金属鉛で存在する。鉛と塩素との反応では、９００℃以上では金属鉛として存在し、９００℃以下では塩化鉛になることを示している。亜鉛についても同様であるが、亜鉛と酸素の平衡は、ガス化炉温度１４００℃ではＣＯ／（ＣＯ＋ＣＯ₂）＝０．０５以上で金属亜鉛、冷却温度８００℃ではＣＯ／（ＣＯ＋ＣＯ₂）＝０．９５以下で酸化亜鉛になることからＣＯ／（ＣＯ＋ＣＯ₂）＝０．５のガス組成では、ガス化炉では金属亜鉛、冷却炉で酸化亜鉛になることが鉛との違いである。この結果、亜鉛、鉛は高温のガス化炉で金属蒸気になってスラグと分離でき、温度が低下した集塵機の前では、金属、金属塩化物又は金属酸化物になって固化して集塵機で回収できることに着目した。金属の蒸気圧は、１４００℃で亜鉛が７６０ｍｍＨｇ以上、鉛が６０ｍｍＨｇ以上あることから、これらの金属はガス中に存在することになる。一方、冷却炉では蒸気圧の高い塩化鉛で１．３×１０^-11ｍｍＨｇしかないので、ほとんどが固体で回収できることを示している。
【００１３】
図１は、本発明の方法を実施する装置の一実施例である。ガス化炉１、ガス冷却器２、３、集塵機５、塩酸吸収塔６から実質的に構成されており、サイクロン４、除害塔７が付属して設けられている。
【００１４】
ガス化炉１には、気体で搬送される粉砕後の廃プラスチックと酸素を燃焼反応するバーナー８が炉体の側壁に設けられており、底部にはスラグタップ１０が設けられ、さらにその下部に、水槽９が設けられる。ガス化炉１の構造は、気流層石炭ガス化炉と同様の構造で、厚さ２０〜５０ｍｍの耐火物炉壁で構成され、耐火物と鉄皮の間は、水冷管又はボイラー水管で冷却することで、炉温が１６００℃でも耐火物は、１４００℃以下になり保護できる。冷却は、ガス中の塩酸ガスと接触して冷却管が低温腐食するのを防止する点からボイラー水管で構成して温度を２００〜３００℃に保持することが好ましい。図１には示していないが、スラグタップ８と水槽９の間には、予熱バーナーを設け、ガス化炉を廃プラスチックの着火温度以上に昇温する。運転開始は、まず、予熱バーナーで廃プラスチックの着火温度以上の４００〜５００℃に加熱し、次に、バーナー８に廃プラスチックと酸素を供給して燃焼させる。燃焼初期は、酸素量を多く供給して昇温し、所定の温度近くになれば、酸素量を減少させて目的の温度にする。
【００１５】
ガス化炉１の上部には、ガス冷却炉２が設けられ、その後段には水噴霧式のガス冷却器３、サイクロン４、集塵機５、塩酸吸収塔６、除害塔７が配管で連結される。ガス冷却炉２は、水噴霧冷却又は、ボイラーが採用できるが、重金属を金属塩化物又は金属酸化物になるガス組成にするための水噴霧と熱回収するためのボイラーを併用する方が好ましい。図１では、ガス冷却器２の下部のガス入口部に、水噴霧ノズル１１とボイラー伝熱管１２を配置した、水噴霧冷却とボイラーを併用した実施例を示している。ガス冷却器２では、ガスの温度を２００〜３００℃まで冷却して蒸気を回収し、ガス冷却器３で、水噴霧冷却でガス温度を１５０〜２００℃に冷却して、固化した重金属の塩化物又は酸化物をサイクロン４、集塵機５で、飛散したスラグ、未燃の有機物とともに回収する。サイクロン４は、省略することも可能であるが、重金属の金属酸化物、塩化物はガスから固化した微粉であることから、サイクロン４では捕集しにくいことから、サイクロンではガスに飛散したスラグをまず捕集して、集塵機５で金属を捕集する方が、回収金属の濃度が高くなって再利用するする点から好ましい。集塵機５は、バグフィルター等の効率の高い方式が好ましい。塩酸吸収塔６、除害塔７は、テラレット等を充填した吸収塔である。
【００１６】
廃プラスチックは、ガス化炉１にバーナー７から酸素ガスと共に噴出して主としてＣＯ、Ｈ₂、ＨＣｌに分解され、重金属は金属蒸気になる。生成したガスは、ガス化炉上部の冷却炉２で、水噴霧又はボイラーの一方あるいは併用して冷却された後、ガス冷却器３で１５０〜２００℃程度まで冷却され、サイクロン４、集塵機５で重金属の塩化物又は酸化物とフライアッシュ状の無機物と未燃の炭素を除去する。次に、塩酸吸収塔６で塩酸ガスが水に吸収されてほとんどの塩酸ガスが回収される。残った塩酸ガスと副成する塩素ガスは、除害塔７で苛性ソーダ等のアルカリ水溶液で除去し、清浄なガスを得て、燃料ガス又は化学原料ガスとして使用する。廃プラスチックに含まれる無機物は、ガス化炉１で溶融されスラグタップ１０から水槽９に落下して水砕状の重金属を含まないスラグが得られる。
【００１７】
【実施例】
次に、本発明による塩化ビニール、重金属を含んだ廃プラスチックを５Ｔ／Ｈで処理した場合の実施例を説明する。廃プラスチックは、表１に示す組成のものを５ｍｍ以下に粉砕して窒素ガス４００Ｎｍ³／Ｈで搬送してバーナーに供給した。
【００１８】
【表１】

酸素ガス１７００Ｎｍ³／Ｈ、蒸気１６００Ｎｍ³／Ｈと共にバーナーから吹き込み、ガス化炉温度は１４３０℃で反応させた。蒸気は、ガス化炉温度の調整に使用した。ガスは冷却炉で、冷却水３．２Ｔ／Ｈを噴霧後、ボイラーで３００℃まで冷却して蒸気４Ｔ／Ｈを得た。次にガス冷却器で１５０℃まで水を噴霧して冷却後サイクロン、バグフィルターで重金属とスラグを回収し、塩酸回収塔で１８％塩酸１４．５Ｔ／Ｈを回収した。回収したガス量は、乾ガス量で８９３０Ｎｍ³／Ｈで、ガス組成は表２に示す。
【００１９】
【表２】

ガスカロリーは、２０１５ｋｃａｌ／Ｎｍ³で製鉄所で発生する転炉ガスに近いカロリー、組成のガスが得られ、加熱炉、ボイラー等の燃料として有効に利用できる。ガス中の塩化水素ガスは１ｐｐｍ以下、塩素ガスは５ｐｐｍであり、有機塩素化合物は検出されなかった。有機塩素化合物は、本実施例のガス化温度が１４００℃と高いことから、ガス化炉内で有機物が完全に分解して、ボイラーで発生しなかったものと推定される。スラグ、サイクロン、バグフィルターの固形物回収量と亜鉛、鉛の濃度を表３に示す。
【００２０】
【表３】

スラグには、重金属以外の無機物の約９０％が回収され、亜鉛、鉛は検出限界以下であった。サイクロン、バグフィルターでは、スラグ成分と亜鉛、鉛の混合物を回収した。サイクロンでは、粒径の大きいスラグ成分の捕集量が多いが、バグフィルターでは亜鉛、鉛成分の回収量が多いことから、本実施例では実施していないが、サイクロン捕集物は、ガス化炉にリサイクルすることで、スラグ回収量の増加とバグフィルターでの亜鉛、鉛の回収量を増加することが可能であることが判る。バグフィルター捕集した重金属は、ほとんどが塩化物で本実施例では、塩酸が過剰に存在するためで、塩酸が少ない場合には金属酸化物で回収される。バグフィルター回収物は、金属を５０％以上含まれており、金属精錬工場にリサイクルすることで、再利用が可能になる。回収塩酸中の重金属は、亜鉛、鉛がそれぞれ０．５、０．４ｐｐｍ以下であった。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、重金属及び塩素を含むプラスチックを高温下で酸素ガスで反応させることで、燃料又は化学原料ガスとして有効に回収することが可能になり、更に廃プラスチックに含まれる、重金属は塩化物又は酸化物として、更に塩素を塩酸として回収することが可能になり、無機物もスラグとして活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に関わる廃プラスチック処理方法及び装置の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の鉛の挙動を説明する図である。
【符号の説明】
１ガス化炉
２ガス冷却器
３ガス冷却器
４サイクロン
５集塵機
６塩酸吸収塔
７除害塔
８バーナー
９水槽
１０スラグタップ
１１水噴霧ノズル
１２ボイラー

Claims

塩素及び重金属を含有するプラスチックを１３００〜１６００℃で酸素ガスとガス化炉内で反応させ、ＣＯ、Ｈ₂及びＨＣｌガスに分解するとともに、重金属を金属蒸気として蒸発させて、重金属をガスと同伴させてプラスチックに含まれるスラグと分離して、更に前記ガス化炉の後段に設けた冷却炉で、ボイラー又は、水噴霧冷却によりガスを冷却して、重金属を金属、金属塩化物又は金属酸化物にして、固化して集塵機で捕集して、分離することを特徴とする廃プラスチックの処理方法。
前記集塵機の後段に塩酸回収装置を設け、ガス中の塩酸を回収することを特徴とする請求項１記載の廃プラスチックの処理方法。
前記ガス化炉の下部にスラグタップを設け、プラスチック中の無機物及び付着した無機物を溶融させた後、冷却固化して回収することを特徴とする請求項１記載の廃プラスチックの処理方法。