JP4522336B2 - シュレッダーダストの再利用方法及び製鋼用原燃料体 - Google Patents

Description

本発明は、廃自動車や廃家電等をシュレッダーで破砕する際に発生するシュレッダーダストを再利用する技術に関する。詳しくは、シュレッダーダストから選別・加工した樹脂類を製鋼用電気炉の熱源等として再利用するための技術に関する。

シュレッダーダストにはプラスチック類、ゴム類、繊維類（以下、樹脂類という）が多量に含まれており、この樹脂類を再利用することが検討されている。樹脂類からなる廃棄物を再利用する技術としては、例えば、特許文献１に記載の技術が知られている。
特許文献１の技術では、鉄系金属材料を主原料とする金属製品廃棄物と、タイヤ廃棄物及び合成樹脂性材料を主原料とする樹脂製品廃棄物とを、所定の比率で鉄屑プレス機に投入し、直方体形状に成形する。直方体形状に成形された製鋼用原燃料体は、電磁石によって吊り下げられてバケットに投入され、次いで、製鋼用電気炉に投入される。製鋼用原燃料体のうち金属製品廃棄物は鉄源となり、タイヤ廃棄物及び樹脂製品廃棄物は製鋼用電気炉の燃料として再利用される。
特開平１０−３０１１２号公報

しかしながら、従来の技術に係る製鋼用原燃料体は、樹脂類と鉄類がランダムに混合され、その表面に樹脂類が露出している。このため、従来の製鋼用原燃料体を電気炉に投入すると、表面に露出した樹脂類が瞬時に高温にさらされることとなる。また、樹脂類と鉄類がランダムに混合されているため、樹脂類と鉄類の接触面積が広く、樹脂類の熱分解速度が大きい。これらのため、従来の製鋼用原燃料体を電気炉に投入すると、製鋼用原燃料体の樹脂が急激に燃焼し、多量の燃焼ガスを短時間で発生させる。短時間で発生した多量の燃焼ガスは、そのまま排ガスとして電気炉から排出されるため、製鋼用原燃料体の樹脂が電気炉の熱源として有効に利用されないという問題があった。

本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シュレッダーダストから選別・加工された樹脂類を製鋼用電炉の熱源として有効に利用することができる技術を提供することである。

上述した課題を解決するために創作された本願のシュレッダーダストの再利用方法は、シュレッダーダストを製鋼用電気炉に投入し、製鋼用電気炉の熱源として再利用する方法であり、シュレッダーダストから樹脂類を選別・加工して回収する工程と、回収された樹脂類を加熱圧縮して溶融固化する工程と、溶融固化した樹脂類が表面から露出しないように樹脂類の周囲が鉄片で覆われた原燃料体を成形する工程と、成形された原燃料体を電気炉に投入する工程と、を有する。そして、成形工程では、溶融固化した樹脂類が表面から露出しないように溶融固化した樹脂類と鉄片とをプレス成形する。
この方法では、シュレッダーダストから選別・加工された樹脂類が原燃料体の表面に露出していない。このため、電気炉に原燃料体を投入しても、原燃料体の樹脂が瞬時に電気炉内の高温雰囲気にさらされることはない。また、鉄片の内部に樹脂類が固まって配されているため、樹脂類と鉄片との接触面積が小さくなり、樹脂類の熱分解速度が抑制される。これらのため、樹脂類の燃焼が穏やかに進み、多量の燃焼ガスが短時間で発生することが抑制され、製鋼用電気炉の熱源として有効に利用することができる。

また、樹脂類が表面から露出しないように樹脂類と鉄片とをプレス成形するため、原燃料体１個あたりの樹脂量を増大することができる。
さらに、回収された樹脂類は、成形工程の前に加熱圧縮されて溶融固化しているため、原燃料体１個あたりの樹脂量を増やすことができる。また、樹脂類を溶融固化することで、樹脂類の燃焼速度をより抑えることができ、製鋼用電気炉の熱源としてより有効に利用することができる。

また、本願は、製鋼用電気炉の熱源に好適に用いることができる新規な製鋼用原燃料体を提供する。すなわち、本願の製鋼用原燃料体は、シュレッダーダストから選別・加工された樹脂類を加熱圧縮して溶融固化し、その溶融固化した樹脂類と鉄系廃棄物から回収された鉄片とをプレス成形して製造される製鋼用原燃料体であり、鉄片が溶融固化した樹脂類の周囲を覆い、溶融固化した樹脂類が表面から露出していないことを特徴とする。
この製鋼用原燃料体でも、樹脂類が原燃料体の表面に露出していないため、その燃焼速度が低くなり、製鋼用電気炉の熱源として有効に利用することができる。
なお、樹脂類の周囲を覆う鉄片は、原燃料体の寸法に対して充分に薄いことが好ましい。このような構成とすることで、原燃料体１個あたりの樹脂量を増やすことができる。

また、溶融固化した樹脂類は、その内部に配された鉄片によって複数層に形成されていることが好ましい。鉄片の内部に固まって配される樹脂類を鉄片によって複数の層（固まり）に区分することで、樹脂類の燃焼速度の制御をより容易に行うことができる。

以下、本発明を具現化した一実施形態について図面を参照して説明する。まず、廃自動車や廃家電等を処理するシュレッダープラントと、そのシュレッダープラントで発生するシュレッダーダスト（以下、ＡＳＲともいう）をリサイクルするリサイクルプラントについて説明する。図１はシュレッダープラントとリサイクルプラントの全体構成を併せて示す図である。
シュレッダープラント１０では、まず、納入される廃自動車等をプレシュレッダー１２で粗く切断し、切断された廃自動車等をシュレッダー本体１４に投入する。投入された廃自動車等は、シュレッダー本体１４でさらに細かく切断される。
シュレッダー本体１４から排出される切断物は、風力分別１６によって重量物と軽量物に分別される。風力分別１６によって軽量物とされたものはサイクロンによって回収され、シュレッダーダスト２４となる。また、シュレッダー本体１４から排出される空気中に含まれるダストもサイクロン等によって回収され、シュレッダーダスト２４となる。
風力分別１６によって重量物とされたものは、さらに、磁選機１８で鉄スクラップ２０、非鉄金属２２及びシュレッダーダスト２４のいずれかに分別される。シュレッダープラント１０で分別された鉄スクラップ２０や非鉄金属２２は資源として再利用され、一方、シュレッダーダスト２４はリサイクルプラント２６で再利用が図られる。

リサイクルプラント２６では、まず、シュレッダーダスト２４が回転ふるい２８にかけられる。回転ふるい２８から落下した落下物は、風力分別によってガラス３０と軽量物に分別される。軽量物は、後述する溶融固化機４６に投入される。
回転ふるい２８上に残ったシュレッダーダスト２４は、破砕機３２によって破砕される。破砕機３２によって破砕されたシュレッダーダスト２４は、非鉄分別３６によってアルミ３４、鉄３７及び樹脂類に分別される。非鉄分別３６によって分別された樹脂類は、さらに粉砕機３８で粉砕される。粉砕機３８で粉砕されたシュレッダーダスト２４は、風力分別及び比重分別によって銅４２、粒状樹脂類４４が選別され、それ以外の樹脂類は溶融固化機４６に投入される。
溶融固化機４６は、投入されたシュレッダーダスト２４を加熱圧縮し、溶融固化物４８を製造する。溶融固化機４６には、例えば特開２００３−２１１１３９号公報に記載のものも用いることができる。すなわち、溶融固化機４６は、ケーシングと、ケーシング内に配置された２本のスクリュウと、加熱手段とを有することができる。２本のスクリュウは、互いに係合しながら反対方向に回転する。ケーシングの一端にシュレッダーダスト２４を投入すると、投入されたシュレッダーダスト２４はスクリュウの回転によってケーシング内を圧縮されながら搬送される。ケーシング内を搬送されるシュレッダーダスト２４は加熱手段によって加熱され、これによって、シュレッダーダスト中に含まれる熱可塑性樹脂が溶融し、溶融固化物４８が製造される。

本実施形態では、上述したリサイクルプラント２６で製造される溶融固化物４８を利用して製鋼用電気炉の原燃料体６０を製造する。図３は原燃料体６０の斜視図であり、図４は原燃料体６０の断面図である。
図３，４に示すように原燃料体６０は、溶融固化物４８によって形成される樹脂部６４と、樹脂部６４の外周を覆う鉄屑部６２を備えている。鉄屑部６２は、鉄系廃棄物から回収された鉄片等によって構成されている。図から明らかなように、原燃料体６０は直方体状に形成されており、その表面は鉄屑部６２に覆われている。このため、樹脂部６４が原燃料体６０の表面に露出しないようになっている。
なお、図３，４では、鉄屑部６２が１枚の鉄板のように示されているが、実際には複数枚の鉄片から鉄屑部６２が形成されている。このため、鉄屑部６２は、場所によってその厚みや形状が異なっている。ただし、原燃料体６０の寸法に対して鉄屑部６２の厚みは充分に小さな厚みとされている。
また、図５に示すように原燃料体６０は、樹脂部６４内に鉄屑部６２ａを形成し、樹脂部６４を２層構造とすることもできる。樹脂部６４を２層構造とすることで、電気炉投入後の燃焼状態をより細かく制御することができる。

原燃料体６０の製造は、溶融固化物４８と鉄片（例えば、板状の鉄スクラップ等）を５：５〜２：８（重量比）の割合で混合し、ベーラマシンによって直方体状にプレス成形する。この際、鉄片を敷き均した上に溶融固化物４８を載置してプレス成形する。これによって、溶融固化物４８が表面に露出することがなく、その表面には鉄片だけが露出することとなる。
なお、鉄片にはバラ板を使うこともできるが、大板を使うことが好ましい。大板を使うことで、溶融固化物４８が表面により露出し難くなる。また、溶融固化物４８は土嚢袋等に詰めてベーラマシンに投入してもよいが、バラバラに投入してもよい。溶融固化物４８をバラバラに投入する場合は、溶融固化物４８を一箇所に山積みしてもよいが、均等に敷き均した方が好ましい。溶融固化物４８を均等に敷き均すことで、溶融固化物４８が表面により露出し難くなる。

上述した原燃料体６０は、電炉製鋼の加熱源及び加炭源として用いることができる。電炉製鋼とは鉄スクラップを鋼材に再生するプロセスをいう。図２は電炉製鋼に用いられる電気炉の構成を模式的に示している。図２に示すように、電気炉５０は、上方が開放された炉体５１と、炉体５１の上方を閉じる蓋５３を備えている。蓋５３には、電極５２が取付けられている。電極５２は、電気炉５０内に進退動可能となっている。

ここで、電炉製鋼の操業パターンの一例を簡単に説明しておく。電炉製鋼プロセスでは、まず、鉄スクラップをリフティングマグネットで吸着し、装入バケット内に投入する。電気炉５０の蓋５３を開放し、次いで、装入バケット内に投入された鉄スクラップを装入バケットごと炉体５１の上方に運び、炉体５１の上方から炉体５１内に鉄スクラップを装入する（初装）。炉体５１の蓋５３を閉じ、電極棒５２からアークを発生させ、そのアークによって電気炉５０内の鉄スクラップを溶解する（第１溶解期）。
電気炉５０内の鉄スクラップがある程度溶解したら、初装と同様の手順で電気炉５０内にスクラップを投入する（追装）。再び電極棒５２からアークを発生させ、そのアークによって電気炉５０内のスクラップを溶解する（第２溶解期）。最後にフォーミングをして電気炉５０内の溶鋼５６を昇温し、しかる後、電気炉５０内の溶鋼５６を出鋼する。

上述した原燃料体６０は、電炉製鋼プロセスの初装の段階で電気炉５０に装入することもでき、また、追装の段階で電気炉５０に装入することもできる。初装の段階で電気炉５０に装入する場合は、原燃料体６０を炉体５１の下部、中心又は上部のいずれにも装入することができる。すなわち、炉下部に装入しても、後述するように原燃料体６０の樹脂部６４（樹脂固化物４８）が穏やかに熱分解・燃焼するため、突沸の危険性がないためである。
なお、原燃料体６０は、その外側に鉄屑部６２が配されており、鉄スクラップと同様、リフティングマグネットで吸着し装入バケットに投入され、電気炉５０内に装入される。

電気炉５０内に装入された原燃料体６０は、電気炉５０内で加熱され、鉄屑部６２は溶解して鋼材の原料となり、樹脂部６４は燃焼する。鉄スクラップが溶解を開始した初期から中期にかけては、樹脂部６４が鉄屑部６２で囲まれており、鉄屑部６２内の低酸素雰囲気によって樹脂部６４の燃焼速度が抑えられる。また、樹脂部６４は、鉄屑部６２内に固まって存在するため、周囲の鉄片（鉄屑部６２）との接触面積が小さくなり、その熱分解速度がゆっくりとなる。これらによって、樹脂部６４の燃焼が穏やかに進行し、急激に燃焼ガスを発生することはない。このため、樹脂部６４の燃焼熱が効果的に鉄スクラップに着熱する。また、燃焼ガス量が急激に増大することがないため、小さな排ガス処理設備で排ガスを処理することができる。
さらに、原燃料体６０は、樹脂固化物４８が内部に固まって存在するため、その熱分解速度がゆっくりとなり、鉄スクラップの溶解末期まで樹脂固化物４８が残留する。このため、溶解末期において樹脂固化物４８の燃焼ガスが発生し、その燃焼ガスによって溶融スラグがフォーミングしアークが安定する（すなわち、電気炉５０内の金属蒸気分圧が低下してアークが安定する）。
また、原燃料体６０の樹脂部６４には炭素分が含まれている。通常、電炉製鋼プロセスにおいては、鉄スクラップの昇温に必要な炭素濃度として５％程度が良いとされている（特開平９−１４３５３３号公報参照）。電気炉５０に装入される鉄スクラップ中の炭素濃度は０．２％程度であり、薄板の場合は０．０５％程度である。このため、原燃料体６０の樹脂部６４の固定炭素が加炭材として機能し、電気炉５０への炭素源（コークス粉等）の吹込み量を低減することができる。
なお、原燃料体６０の樹脂部の揮発分は熱源として利用され、灰分は製鋼スラグとして残る。この製鋼スラグは、路盤材などへ利用することができる。

上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、シュレッダーダストから回収した樹脂類・プラスチック類を溶融固化し、その溶融固化物４８を用いて原燃料体６０を製造する。原燃料体６０は、その表面に鉄スクラップが配され、溶融固化物が表面に露出していない。このため、原燃料体６０の樹脂部６４の急激な燃焼が抑制され、原燃料体の樹脂部６４はゆっくりと燃焼する。樹脂部６４がゆっくりと燃焼することによって、樹脂部６４の燃焼熱を鉄スクラップの昇温に効果的に用いることができる。
なお、樹脂部６４がゆっくりと燃焼することによって、電気炉５０内の温度が急激に上昇することがなくなるため、電気炉５０の損傷を防止することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。本発明の実施例では、廃自動車のシュレッダーダストを用いて原燃料体を製造し、その原燃料体を製鋼プロセスに用いた。表１に実施例に用いたシュレッダーダスト（ＡＳＲ）と、そのシュレッダーダスト（ＡＳＲ）から得られた粒状樹脂類４４と溶融固化物４８の性状を示している。

表１に示す溶融固化物４８とプレス屑（鉄片）を４：６の割合（重量比）で混合し、ベーラマシンによって直方体にプレス成形して原燃料体６０を製作した。原燃料体６０の形状は、６００ｍｍ×５００ｍｍ×５００ｍｍとし、その嵩比重は約２．６ｔ／ｍ^３であった。以下の表では、原燃料体６０を「実験材料２」と記載している。
また、表１に示す粒状樹脂類４４と鉄スクラップ（ダライ粉屑）を重量比３対７で混合し、溶融固化機４６によって溶融固化して原燃料体を製作した。原燃料体の形状はΦ１３０ｍｍ×１５０〜２００ｍｍであり、嵩比重約２．５ｔ／ｍ^３であった。以下の表では、この原燃料体を「実験材料１」と記載している。
さらに、比較例として、一次解体した廃自動車を、そのまま固めたものを製作した。以下の表では、「廃自動車」と記載している。

電気炉５０には、初装入及び追装入で、主原料である鉄スクラップをバケットにて投入した。実験材料（原燃料体６０、原燃料体、廃自動車材）は、初装入時に鉄スクラップと同時に装入した。初装入時の投入量は実験材料と鉄スクラップの合計が約９５ｔ（うち実験材料３ｔ）とし、追装入時の投入量は鉄スクラップ約５９ｔとした。実験時間は、初装入が２〜３分、第１溶解期が２０分、追装入が２〜３分、第２溶解期が２０分、昇熱が２０分、出鋼が５分であった。

まず、実験材料の装入位置を決めるため、実験材料１の装入位置（下部、中心、上部）を変え、装入直後の電気炉５０内の火炎の状況を観察し、装入直後の電気炉５０の上部温度を測定した。測定結果を表２に示す。

表中、目視による火炎発生状況に関しては、１：通常と同じ、２：火炎発生がやや多い、３：火炎発生が多い、として評価した。また、装入直後の電気炉上部温度に関しては、１：通常と同じ、２：温度がやや高い、３：温度が高い、として評価した。
表２から明らかなように、実験材料の装入位置を初装上部とすると火炎が発生し、かつ、電気炉上部の温度も上昇した。一方、実験材料の装入位置を初装下部と初装中心のいずれとしても、火炎は発生せず、温度の上昇も認められなかった。ただし、作業性の観点から初装下部が好ましいため、以下の測定は初装下部に装入して行った。

表３は、実験材料１、実験材料２、廃自動車を電気炉５０に装入して製鋼プロセスを行ったときの熱収支を示している。また、比較例として通常操業における熱収支を示している。
表３より明らかなように「廃自動車」は、排ガス温度が高く、排ガスの持ち去る熱量が最も大きくなった。全体の着熱効率を溶鋼の保有熱÷小計とすると、通常操業，実験材料２，実験材料１，廃車の順に着熱効率が悪くなった。

また、実験材料中の樹脂の着熱効率を、着熱効率＝（材料熱量−熱ロス１−熱ロス２）÷材料熱量、として評価した。
ここで、熱ロス１は｛樹脂材料を使用した当該ケースにおける（冷却水の持ち去る熱＋排ガスの持ち去る熱）｝−｛通常操業における（冷却水の持ち去る熱＋排ガスの持ち去る熱）｝とし、熱ロス２＝通常操業と比較した当該ケースでのＣＯ濃度の増加分を熱量換算−｛通常操業における（冷却水の持ち去る熱＋排ガスの持ち去る熱）｝とした。
表４に、実験材料中の樹脂の着熱効率の評価結果を示している。表４中の各数値の単位はＭｃａｌ／Ｍｔである。

表４から明らかなように、「廃自動車」を用いた場合は、その樹脂による燃焼熱が鉄スクラップに着熱しておらず、一方、実験材料１，２を用いた場合は、その樹脂の燃焼熱が鉄スクラップに着熱している。これは、実験材料１，２では、樹脂分が溶融固化されて穏やかに燃料するため、その燃焼熱が安定的に鉄スクラップに着熱しているためと考えられる。

表５は加炭効果の評価結果を示している。実験材料１，２では加炭材原単位が低くなっており、実験材料１，２が加炭材として機能していることが確認された。また、「廃自動車」では、加炭材原単位が高くなり、この材料が加炭材として機能していないことが確認された。

以上、本発明の好適ないくつかの実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
なお、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本実施形態のシュレッダープラントとリサイクルプラントの全体構成を示す図 電気炉の構成を模式的に示す断面図 原燃料体の斜視図 原燃料体の断面図 変形例に係る原燃料体の断面図

符号の説明

１０・・シュレッダープラント
２６・・リサイクルプラント
４４・・粒状樹脂類
４８・・溶融固化物
６０・・原燃料体

Claims (6)

1. シュレッダーダストを製鋼用電気炉に投入し、製鋼用電気炉の熱源として再利用する方法であり、
   シュレッダーダストから樹脂類を選別・加工して回収する工程と、
   回収された樹脂類を加熱圧縮して溶融固化する工程と、
   溶融固化した樹脂類が表面から露出しないように樹脂類の周囲が鉄片で覆われた原燃料体を成形する工程と、
   成形された原燃料体を電気炉に投入する工程と、を有しており、
   前記成形工程では、溶融固化した樹脂類が表面から露出しないように溶融固化した樹脂類と鉄片とをプレス成形することを特徴とするシュレッダーダストの再利用方法。
2. 前記回収工程では、シュレッダーダストを風力分別することによって軽量の樹脂類を分別し、
   前記溶融固化工程では、回収工程で分別された軽量の樹脂類を加熱圧縮して溶融固化することを特徴とする請求項１に記載のシュレッダーダストの再利用方法。
3. 前記回収工程は、
   シュレッダーダストを回転ふるいにかける工程と、
   回転ふるいから落下したシュレッダーダストを風力分別することによって軽量の樹脂類を分別する第１軽量物分別工程と、
   回転ふるい上に残ったシュレッダーダストから樹脂類を分別する工程と、
   分別された樹脂類を破砕する工程と、
   破砕された樹脂類を風力分別することによって軽量の樹脂類を分別する第２軽量物分別工程と、を有しており、
   前記溶融固化工程では、第１軽量物分別工程で分別された軽量の樹脂類と、第２軽量物分別工程で分別された軽量の樹脂類とを、加熱圧縮して溶融固化することを特徴とする請求項２に記載のシュレッダーダストの再利用方法。
4. シュレッダーダストから選別・加工された樹脂類を加熱圧縮して溶融固化し、その溶融固化した樹脂類と鉄系廃棄物から回収された鉄片とをプレス成形して製造される製鋼用原燃料体であり、
   鉄片が溶融固化した樹脂類の周囲を覆い、溶融固化した樹脂類が表面から露出していないことを特徴とする製鋼用原燃料体。
5. 溶融固化した樹脂類は、その内部に配された鉄片によって複数の塊に区分けされていることを特徴とする請求項４に記載の製鋼用原燃料体。
6. 溶融固化した樹脂類は、シュレッダーダストを風力分別することによって分別された軽量の樹脂類を加熱圧縮して溶融固化したものであることを特徴とする請求項４又は５に記載の製鋼用原燃料体。

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