JP4413494B2 - 材料熱処理用プラント及びその作動プロセス - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本願発明は、材料特に異種スクラップ材料の熱処理用プラントと、その関連作動プロセスとに関する。
【０００２】
（背景技術）
現在、異種スクラップ材料の処理、特に電子産業に由来する異種スクラップ材料の処理は、非常に問題が多い。ハロゲン特に塩素と臭素の含有およびデューロプラスチック（duroplastics）と熱可塑性プラスチックの混合など、これら材料が複雑であるために、直接清浄化変換が全く実施できない。特に、ハロゲン含有量が高いために熱プラントでは変換ができなく、また、コストが高くなるために析出もできない。
【０００３】
現在のところ、これらのスクラップ材料は手作業で分離されている。しかしながら、これらの処理は労働集約的であり、貴金属を含む電子プレートや電子カードのような高度集積装置に適用することは、いずれにしても困難である。
【０００４】
（発明の開示）
本発明の目的は、材料を、特に上述した異種のスクラップ材料を適切に処理できるプラントと関連作動プロセスとを提供することである。
【０００５】
この目的は、本発明にしたがって、上記請求項のいずれかに示す特徴を有するプラントおよびその作動プロセスにより達成される。
【０００６】
本発明の利点および特徴は、添付の図面に言及して非限定的な例として与えられた下記詳細な説明から明らかである。
【０００７】
（発明を実施するための最良の形態）
材料の熱処理用プラント、特にスクラップ材料の熱分解用プラントは、略水平の軸を有する気密型ロータリ円筒形キルン１２内に、反応ゾーン１０を備え、そのマントル（外壁）の周りに電気抵抗器などの第１加熱手段１４を設けている。
【０００８】
上記キルン１２内には、その長手軸に沿って、スクリュー１６が回転可能に取り付けられている。スクリューシャフト２０は中空であって、その内空部の中には電気抵抗器のような第２加熱手段１８が設けられている。さらに、シャフト２０の端部には、ガスの入口として開口部２２が設けられている。上記ガスは、例えば、メタンや窒素或いは水素などのパージガスである。また、シャフトの表面には、孔のあいた複数の燒結プレート２４または金属やセラミックのインレー（嵌込品）が設けられていて、ガスが反応ゾーン１０に入ることができる。燃焼反応が望まれる場合には、上記ガスの代わりに、酸素のような燃焼促進性のあるものでもよい。さらに別の代りの例として、キルン１２の中で真空処理を行う目的で、上記開口部２２と有孔プレート２４とが、反応ゾーン１０を吸引するために使用され得る。
【０００９】
複数の熱伝導性粒子が、反応ゾーン１０内で移動できる。この粒子は、好ましくは球２６であり、例えば金属またはプラスチックまたは炭化珪素などからできていて、例えば触媒作用のような機能的表面を有していてもよい。
【００１０】
上記球の直径よりも小さい半径方向の隙間２８が、スクリュ−スレッド（ねじ山）２９の山頂部とキルン１２の壁の内表面との間に存在する。
【００１１】
キルン１２には、更に、球と処理すべき材料とが入る開口部３０と、それらが出る開口部３２とが設けられている。この代りに、別の開口部が、上記球２６と処理される材料とを入れるために設けられてもよい。さらに、キルン１２と、それに付随するスクリュー１６には、入子式密封システムのような異なる熱伸長を補うことができる装置付きの気密型マウンティング３６が設けられている。
【００１２】
上記プラントによって処理できる材料（図面簡素化のため図示せず）は、例えば、ゴム、エラストマー、タイヤ、熱可塑性プラスチック、デューロプラスチック、土壌、汚染土壌、化合物材料、ポリマー材やハロゲン化合物を含む産業界や家庭から出る電子部品スクラップのシュレッダー片、バイオマス、ストローウッド、汚染木材、カーボンファイバ複合材、それらの混合物などの様々な種類のものである。また、このような材料は、硬さも様々であり、例えば、粘着性或いは非粘着性の物質とか、金属、不活性化合物、化合物材、粉末、湿性材、微粒子材を多く含む粘着性、強粘着性の材料および異なる硬さの材料の混合物である。
【００１３】
作動中、球２６と混合される材料は、開口部３０を通してキルン１２の中に供給される。この代わりに、処理される材料と球２６とは、別の開口部を通して供給されてもよい。第１，第２加熱手段１４，１８と熱的伝導性球２６とにより、キルン１２の断面とその長手軸の両方に渡って、例えば３３０度の略均一な温度を得ることができる。その均一性は、例えば熱分解および脱ハロゲン化などの所望の化学反応のみを生じさせるために不可欠である。
【００１４】
触媒または不純物除去剤或いは触媒と不純物除去剤の両方は、例えばＣａＯ，ＣａＣＯ_３，珪酸ナトリウム，一般的な塩基などであるが、最終生成物のハロゲンやハロゲンフラクション（例えばハロゲン化合物）を更に減少させるのに適していて、処理される材料に添加してもよい。
【００１５】
スクリュー１６の回転によって、球２６は前方に押し出され、たとえ隙間２８がスクリュースレッド２９の山頂部による内壁の擦過を妨げるとしても、球２６はキルン１２の内壁とプレート２４とを粘着性物質のない綺麗なものとする。隙間２８には、塩化水素のようなガス状反応生成物以外にパージガスを開口部３４の方に漏出させるという利点がある。この特徴は、好ましくない連続反応がガス発生段階で起こるのを防ぐ。
【００１６】
スクリュー１６は、キルン１２とは別に駆動することができる。例えば、逆回転方向のキルン１２とスクリュー１６とを用いて、長いゾーン滞留時間を得ることができて、良好な混合になる。
【００１７】
球２６と一緒に処理された材料は、開口部３２を通ってキルン１２から排出する。次に、球２６は、当業者には周知の技法によって、分離され再循環される。一方、処理された材料は、有害なハロゲンフラクションの殆ど全てが取り除かれ、すなわち非汚染化され無毒化されて、別の処理に供される。
【００１８】
図２と図３とは、本発明によるプラントの別の実施形態を示す。図では、スクリュー１６は、キルン１２の軸に対して中心を外して（偏心させて）、キルン１２の底部の近くに取り付けられている。その結果、隙間２８が底部において最小となり、球２６の直径よりも小さくなる。上記プラントの他の構造的な特徴およびその作動は、図１に言及して示したものと一致する。
【００１９】
図４と図５とは、本発明によるプラントの別の実施例である。上記プラントは、球２６がキルン１２から出ることなく球２６を直接再循環できる手段を備えている。特に、スクリューシャフト２０の内空部には、球２６が半径方向に入出するためにそれぞれ開口部３８，４０が設けられている。出口開口部４０は反応ゾーン１０の上流側で第１チャンバ４２と連通し、入口開口部３８は反応ゾーン１０の下流側で第２チャンバ４４と連通し、その底部はグリッド４６によって閉じられている。レールの形状をした装置４８が、チャンバ４４内に配置され、球２６を入口開口部３８に案内することができる。上記スクリューシャフト２０内の空洞部の末端は、それぞれ、プラグ５０によって閉じられている。プラグ５０は、損傷した可能性のある球２６を交換できるように取り除くことができる。さらに、上記のプラグ５０を取り除くことによって、球２６の外部再循環が可能になる。
【００２０】
作動中には、球２６は、シャフト２０の内空部から第１チャンバ４２内の開口部４０を通って落下し、反応ゾーン１０内のスクリュー１６の回転によって導いて行かれる。この反応ゾーン１０の端部では、球２６が第２チャンバ４４に入る。第２チャンバ４４では、球はグリッド４６によって支持される。一方、処理された材料の残渣は、グリッド４６を通って落下できる。球２６は、装置４８によって開口部３８に向かって案内されて、シャフト２０の内空部に再度入ることができる。球は、上記シャフト２０の内空部から開口部４０を通って再び排出される。したがって、球２６の熱エネルギーは、消費されることなく連続的に再利用されるので、かなりのエネルギーが節約される。
【００２１】
図６は、本発明によるプラントの別の実施形態を開示していて、２つの一連の反応ゾーン１０ａ，１０ｂが、同じロータリキルン１２の連続する部分によって形成されている。これらのゾーン１０ａ，１０ｂは、キルン１２の中間部分５２によって分離されている。上記キルン１２では、スクリュースレッド２９の山頂部がキルン１２の壁の内表面に実質的に近接している。この事例では、スクリュー１６の中心はキルン１２の長手軸に沿って存在している。さらに、スクリュー１６内の内空部は、プレート５４によって、２つの別々の副空部に分割され、上記副空部には、それぞれ独立して第２加熱手段１８ａ，１８ｂが設けられている。一方、第１加熱手段１４は、２つのゾーン１０ａ，１０ｂを対応して独立して調整できる。
【００２２】
その結果、２つの反応ゾーンでは、加熱手段１４，１８ａ，１８ｂを適当に調節することにより、異なる熱形態が確立され得る。したがって、図１に示すキルン１２と実質的に同一の機能を有する第１ゾーン１０ａからの脱ハロゲン化材料は、例えば３８０℃の高温に晒され、スチレンのような熱分解モノマー化合物を生じる。上記熱分解モノマー化合物は、ガス状態で開口部３４から出て行って、別の産業プロセスにおける原材料として使用される。
【００２３】
図７は、本発明によるプラントの別の実施形態を開示し、３つの一連の反応ゾーン１０ａ，１０ｂ，１０ｃが、それぞれ分離されたキルン１２によって形成されている。これらのキルン１２は、例えば管形状の装置５６によってそれぞれ直列に接続されている。上記管形状の装置は上流のキルン１２から出た材料を下流のキルンの原材料として移動させる。スクリュー１６は、それぞれ、キルン１２の長手軸に沿って取り付けらて図示されている。しかし、上記スクリュー１６は、キルンに対して中心をずらして取り付けてもよい。さらに、キルン１２には、図４と図５に示されるような、球２６の再循環装置を設けることができる。
【００２４】
実際、図６に示されたプラントの第１と第２の反応ゾーン１０ａ，１０ｂでは、それぞれ最初の２つのキルン１２において、同一のプロセス処理が行なわれる。一方、処理された材料は、第３キルン１２で、例えば４４０℃という更に高い温度に晒される。
【００２５】
その結果、第３キルン１２内に形成された反応ゾーン１０ｃは、ガス状の脂肪族化合物（矢印５８を参照）と、実質的に有毒化合物がなく供給材料の質によっては貴金属や鉄や非鉄金属を含む残渣（矢印６０を参照）とが生じる。後者は、異なる性質の大部分の材料から既に分離されているので、適切かつ安価に回収され得る。
【００２６】
上記プラントを使用した熱処理の非限定的な例が、以下に示される。
【００２７】
例１
モニターと、コンピューターのハウジングと、回路基板や大きな金属片のないコンピュータータワーの破片（フラクション）は、合計含有量が２．４重量％の塩素および臭素と、低含有量の金属と、非飽和ポリエステルのようなデューロプラスチックと、ポリマーフラクションとしてのエポキシ樹脂とを有している。上記フラクションは、図１に示すプラントについて開示されたものと同等の処理型プラントにおいて、不活性ストリッピングガスとして窒素を使用して、約４００℃の一温度段階で熱分解される。ハロゲン除去剤は、処理される材料に添加されない。
【００２８】
エポキシ樹脂およびフェノール樹脂が存在するために、多量の酸素とフェノールが熱分解中に生成される。
【００２９】
このような好ましくない作動条件にも拘わらず、ポリ塩化ビフェニールＰＣＢやダイオキシンＰＣＣＤやポリ塩化フランＰＣＤＦなどのハロゲン化合物のレベルが驚くほど低いオイル生成物が得られる。ＵＳＥＰＡ ８２８０Ａ, ８２９０に開示されているＰＣＢやＰＣＣＤやＰＣＤＦを測定するための検出方法を使用することによって、僅か１ｍｇ／ｇのＰＣＢが存在することが検出される。
【００３０】
例２
例１で検討されたものと同じ初期材料が、図６に図示された型のプラントと同等のプラントにおいて、それぞれ約３３０℃と４００℃の温度の２段階熱分解処理に供される。この処理によって、第１反応ゾーンの頂部空隙部から、ハロゲン含有量の多い（＞２重量％）オイルを有する第１生成物を少量得ることができる。また、第２反応ゾーンの頂部空隙から、ハロゲン含有量の少ない（０．００２〜０．２重量％）オイルを有する第２生成物を多量に得ることができる。上記第１生成物は、ＵＳ−Ａ−６ １００ ４４０に開示された型式の酸化向流ユニットにおいて適切に処理される。上記ＵＳ−Ａ−６ １００ ４４０の内容は、この言及によって本書に組み込まれる。上記第２生成物は、ＥＰ−Ａ−６７５７４８に記載されているように、アルカリ金属またはアルカリ土類金属、ポリアルカリグリコール、ニクソレンズ（登録商標名）、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属の水酸化物またはＣ_１−Ｃ_６のアルコラートといった脱ハロゲン化剤を用いて、適切に処理される。上記ＥＰ−Ａ−６７５ ７４８の内容は、この言及によって本書に組み込まれる。処理された両方の生成物は、例えば０．０００２重量％といった非常に少ないハロゲン含有量を有し、発電あるいはモノマーを回収するための乾留に使用することができる。
【００３１】
例３
例１のオイル生成物は、ＥＰ−Ａ−６７５７４８に開示された脱ハロゲン化剤を用いて処理されて、残りのハロゲン化合物を有機物質または無機ハロゲン塩に変換する。後者（無機ハロゲン塩）は次に硝酸銀を用いて析出されて、ハロゲン量が０．０００２重量％未満の最終オイル生成物が得られる。この最終生成物は発電用に使用される。電気は、例えば、プラントの加熱に使用したり、析出した銀を回収するための電気分解処理に使用され、したがって、全体のプロセスはエネルギー的に自立したものとなる。
【００３２】
当然ながら、構造の詳細および実施の形態は、発明の原理が同一のままで、純粋に例証として記載された実施形態に対して発明の範囲を逸脱することなく広範に変化し得る。特に、キルンの長手軸は、必ずしも水平である必要はなく、水平面に対してプラスマイナス４５度まで、好ましくはプラスマイナス１５度まで傾斜してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるプラントの第１実施形態の概略図である。
【図２】 本発明によるプラントの第２実施形態の概略図である。
【図３】 図２のIII−III線の断面図である。
【図４】 本発明によるプラントの第３実施形態の概略図である。
【図５】 図２のＶ−Ｖ線の断面図である。
【図６】 本発明によるプラントの第４実施形態の概略図である。
【図７】 本発明によるプラントの第５実施形態の概略図である。

Claims (17)

1. スクラップ材料を熱処理するためのプラントであって、ロータリキルン内に少なくとも１つの反応ゾーンを備え、
   上記ロータリキルンは、水平面に対して０度プラスマイナス４５度の範囲内の角度で傾斜した長手軸を有すると共に、
   上記ロータリキルン内のロータリスクリューと、
   上記反応ゾーンから或いは上記反応ゾーンへガスを流すための開口部を有する中空のスクリューシャフトと、
   上記ロータリキルンの壁の周りの第１加熱手段と、
   上記中空のスクリューシャフト内の第２加熱手段と、
   上記ロータリキルンの上記壁の内表面と上記ロータリスクリューと上記スクリューシャフトとによって形成される空間である上記反応ゾーン内で移動可能な複数の熱伝導性粒子と
   を備えていることを特徴とするプラント。
2. 請求項１に記載のプラントにおいて、
   上記粒子は球であることを特徴とするプラント。
3. 請求項１または２に記載のプラントにおいて、
   上記粒子は金属またはセラミックスまたはＳｉＣ（炭化珪素）でできていることを特徴とするプラント。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載のプラントにおいて、
   上記キルンの長手軸は水平面に対して０度プラスマイナス１５度の範囲内の角度で傾斜していることを特徴とするプラント。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載のプラントにおいて、
   上記スクリューは、上記キルンの上記長手軸に対して中心を外して上記キルンの底部の近くに取り付けられていることを特徴とするプラント。
6. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載のプラントにおいて、
   上記スクリューは、上記キルンの長手軸に沿って取り付けられていることを特徴とするプラント。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載のプラントにおいて、
   少なくとも底部において上記球の直径よりも小さいキルン半径方向の隙間が、上記反応ゾーン内のスクリュースレッドの山頂部と上記キルンの壁の内表面との間に存在していることを特徴とするプラント。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載のプラントにおいて、
   上記熱伝導性粒子を再循環するための手段が設けられ、
   上記再循環するための手段は、上記ロータリキルンの一端の第１入口開口部と、上記ロータリキルンの他端の第１出口開口部と、上記ロータリキルンの外側にあって上記第１出口開口部から出る上記粒子を上記第１入口開口部に案内する第１案内装置とを備えていることを特徴とするプラント。
9. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載のプラントにおいて、
   上記熱伝導性粒子を再循環するための手段が設けられ、
   上記再循環するための手段は、上記粒子が上記スクリューシャフトの内空部から半径方向に出るための第２出口開口部と、上記粒子が内空部へ半径方向から入るための第２入口開口部とをそれぞれ少なくとも１つ備え、
   上記ロータリキルン内の上流側と下流側の端部に、それぞれ第１チャンバと第２チャンバとが形成され、
   上記第２出口開口部は、上記反応ゾーンの上流側の上記第１チャンバに連通し、上記第２入口開口部は、上記反応ゾーンの下流側の上記第２チャンバに連通し、
   上記第２チャンバには、上記粒子を上記第２入口開口部に向かって案内するための第２案内装置が配置されていることを特徴とするプラント。
10. 請求項１乃至９のいずれか１つに記載のプラントにおいて、
    上記スクリューシャフトには、ガスが通過できる孔のあいた複数の燒結プレートまたはインレーが設けられていることを特徴とするプラント。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１つに記載のプラントにおいて、
    一連の反応ゾーンを備えていることを特徴とするプラント。
12. 請求項１１に記載のプラントにおいて、
    上記反応ゾーンは、同じロータリキルンの連続する部分によって形成され、キルンの中間部によって分離され、スクリュースレッドの山頂部は、上記キルンの壁の内表面に近接していることを特徴とするプラント。
13. 請求項１１に記載のプラントにおいて、
    上記反応ゾーンは別々のキルン内に形成され、上記別々のキルンは接続装置によって直列に接続され、上流のキルンから出てきた材料は下流の別のキルンの原材料として移動することができることを特徴とするプラント。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１つに記載のプラントを作動するためのプロセスにおいて、
    上記スクラップ材料を熱処理するとは、上記スクラップ材料を熱分解することであることを特徴とするプロセス。
15. 請求項１４に記載のプロセスにおいて、
    上記スクラップ材料を熱分解することによって得られる第１生成物は、酸化向流式脱ハロゲン化されることを特徴とするプロセス。
16. 請求項１４に記載のプロセスにおいて、
    上記スクラップ材料を熱分解することによって得られる第２生成物は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属、ポリアルカリグリコール、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属の水酸化物またはＣ_１−Ｃ_６のアルコラートから成る群から選択された脱ハロゲン化剤を用いた処理を受けることを特徴とするプロセス。
17. 請求項１６に記載のプロセスにおいて、
    触媒または除去剤或いは触媒と除去剤の両方が、上記第２生成物を上記脱ハロゲン化剤で処理した後に得られる最終生成物におけるハロゲンおよびハロゲンフラクションを更に減少させるために使用されることを特徴とするプロセス。

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