JP5582685B2 - 固体燃料および固体燃料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、塩ビを含むため使用が制限される廃プラ類と、揮発分が少なく、ややもすれば燃えにくいため使用が制限される燃料とを用いて製造される、前者の廃プラ類の脱塩・炭化物に、後者の揮発分の少ない微粉燃料が分散化して一体化した、燃えやすく塩素も低減している固体燃料に関する。また、前者の廃プラ類と後者の揮発分の少ない微粉燃料とを混合しながら、３００〜３８０℃まで加熱して炭化・脱塩することで、両者を一体化させる固体燃料の製造方法に関する。また、そのような燃料において、粉砕が容易な、セメントの焼成用の燃料に適する燃料とその微粉の固体燃料の製造方法に関する。

マテリアルリサイクルが困難な廃プラ類の多くは、異物を含むため、ある程度の異物を許容したまま、サーマルリサイクルされることが多い。しかし、サーマルリサイクルで燃焼させる場合には、廃プラ類の中の塩ビ由来の塩素がネックになることが多い。
塩ビ中の塩素は水洗などの簡単な方法では除去できない。そのため、そのまま燃焼させようとすると、塩酸ガスや塩素ガスが発生し、それらのガスが炉を傷める。また、燃焼が悪いとダイオキシン類の発生源ともなり、燃焼に注意が必要となる。そのため、廃ガス中のそれらのガス処理には、かなりの手間がかかっている。

このような状況の中で、セメント製造用の燃料はある程度の異物を許容できるので、燃料代替として、そのような廃プラ類を利用した処理を要望される。
しかしながら、セメント中の塩素濃度が、鉄筋の腐蝕を防止する目的で、数百ｐｐｍ以下に制限されているため、まとまった量を使おうとすると廃プラ中の塩素は１％程度以下に制限される。また、塩素バイパスと呼ばれる塩素を製品であるセメントクリンカから除去する設備を備えていても、塩素が数％程度の物ならば、たくさん使うことができない。

他方、固定炭素分が多い石炭は、一般に高品位炭とも呼ばれているが、着火性が悪いために燃えにくく、使用できる範囲は限られている。更に、固定炭素が極めて多く、揮発分の極端に少ない、無煙炭やコークス類やスラグ類などはもっと限られている。

例えばセメントの焼成に利用される燃料では、無煙炭やオイルコークスは熱量当たりの価格が瀝青炭などより安い場合が多いにもかかわらず、キルンの燃料として、全量それらを利用できることは少なく、燃えやすくするために他の揮発分の多い燃料を混ぜて混焼されることが多い。また、仮焼炉での利用においては更に使用条件が厳しく、多くの場合ほとんど使われないか、使用量がかなり制限されている。

前者の塩ビを含む廃プラを使う方法としては、例えば特許文献１では、石炭コークスのような燃料（又は還元剤）が提案されているが、このような燃料は大塊となる上、本発明に比べて粉砕性が劣るか、逆に炭化が進み過ぎると、燃料としての収率が低く、粉化されやすくなるために、利用できる範囲が限られる。
また、後者の揮発分が少ない微粉の燃焼方法としては、例えば特許文献２では、酸素富化燃焼が提案されているが、燃焼装置本体の改造が必要である。
引用文献３では揮発分の少ない主燃料の燃焼性を向上させる補助燃料として、揮発分の多い可燃物の利用が提案されているが、燃料の塩素を除去していないため、大量に使える揮発分の多い可燃物は限られる。
特開２００６−２２３３７号公報 特開平２−２６３７４６号公報 特開２００４−２０５０６４号公報

本発明は、上記課題を解決し、塩ビを含むため使用が制限される廃プラ類と、固定炭素分が多く燃えにくいため使用が制限される燃料とを用いて、両者の所有熱量をあまり消費せずに、燃えやすく塩素の少ない燃料を提供し、単独では使いにくい両燃料の使用制限を大幅に緩和することを目的とする。

本発明者らは、元となる燃料からの収率が高く、大塊にならない燃料を製造すべく、様々な燃料を組合せて、多くの条件で加熱処理実験を行った。その中で、塩ビを含む廃プラ類を３００〜３８０℃に加熱・溶融して、炭化（本願で使用する「炭化」は広義の炭化の意味で、部分炭化、若しくは、軽度の炭化の意味も含めて使用している）・脱塩させる過程で、固定炭素分の多い燃料の微粉を攪拌しながら混合し、新たな燃料を製造した。

この燃料は、固定炭素分の多い燃料の微粉が、塩ビを含む廃プラを脱塩・炭化させた物の中に分散して一体化しており、検証の結果、この燃料は、燃えやすく塩素も少なく、更に粉砕が容易で、特に、セメントクリンカの焼成に適することを見出し、本発明の完成に至った。

即ち、本発明は以下のとおりである。
（１）塩ビを含む廃プラスチックを脱塩した炭化燃料の内部に、揮発分の少ない微粉燃料が分散して一体化した固体燃料。
（２）（１）記載の燃料に他の燃料と混合して粉砕した固体燃料。
（３）（１）または（２）に記載のセメントクリンカ焼成用固体燃料。
（４）塩ビを含む廃プラスチックを、揮発分の少ない微粉燃料と掻き上げて落下させることで混合しながら３００〜３８０℃まで加熱して炭化・脱塩し、廃プラスチックの炭化・脱塩物と微粉燃料を一体化させることを特徴とする固体燃料の製造方法。
（５）前記一体化させた固体燃料を単独若しくは他の燃料と混合して竪型ミルで粉砕する（４）記載の固体燃料の製造方法。

本発明によれば、塩ビを含むため使用が制限される廃プラ類を主成分とする燃料と、揮発分が少なく、ややもすれば燃えにくいため使用が制限される燃料とを用いて、燃えやすく塩素の少ない燃料を提供することが可能で、原料となっている元の両燃料の使用制限を大幅に緩和することができる。また、本発明の燃料は、３００〜３８０℃という汎用プラスチックのガス化があまり起きない温度までしか加熱しないので、元となる両燃料の所有熱量をガス若しくは気化したタールとして失う量も少なく、また、加熱温度も低いので少ない熱の利用で製造でき、熱利用という観点からも大変熱効率の良い燃料となる。

炭化の程度が低いプラスチックは、まだ十分に可塑変形するため、通常は粉砕が困難となりやすい。にもかかわらず、本発明の燃料は、その内部に分散した微粉燃料のおかげで、著しく変形が阻害され、竪型ミルでの粉砕も容易となる。
竪型ミルはカーターミルに比べて異物に強く、またボールミルに比べて電力源単位も低いので、大量粉砕に適するが、通常のプラスチックは塑性変形が大きいため、融着したりして使用できないことが多い。

また、発熱量も高く、製造時の熱効率も良いため、混合粉砕も含めて、概ね石炭の代替としての利用も可能である。

そのため本発明の燃料は、一般に石炭を利用している、高温で大量の熱を必要とするような産業での利用に適する。特にセメントクリンカ製造での利用においては、本発明の燃料に残存するような異物は原料成分として概ね取り込めるので、大量に効率良く安定した利用が可能となる。

本発明において用いられる塩ビを含む廃プラ類は、汎用プラスチックのポリエチレンやポリプロピレン、ポリスチレンと、塩素をほとんど含まない熱可塑性プラスチックとが主体で、熱硬化性プラスチックや紙や木屑などの可燃物が最大で２０％程度混入し、更に、石や砂、セラミックや金属といった異物が最大で１０％程度、塩ビが３〜２０％含まれるような廃棄物を想定している。
具体的には、一般廃棄物の廃プラや、容器包装リサイクル法（略称）で収集される廃プラ、更にそれらを分別した残滓や、それらを一度埋め立てて掘り起こした物を想定していて、こういった物に対しては、本発明は好適に利用できる。
もちろん、本発明は上記廃プラ類に限定されるものでなく、熱可塑性プラスチックが比較的少ない物でも、また塩ビがもっと多い物や少ない物でも、また異物がもっと多い物でも利用可能である。なお、本発明の、塩ビを含む廃プラを脱塩した炭化燃料の内部に、揮発分の少ない微粉燃料等を分散して一体化させるためには、熱可塑性プラスチックが５０％程度以上在ることが好ましい。

本発明において用いられる揮発分の少ない微粉燃料は、石炭や石油などのコークスや、未燃分の多いスラグ、若しくは、瀝青炭、無煙炭などの固定炭素分の多い燃料の微粉が利用可能である。瀝青炭よりも揮発分が増えてくると、３００〜３８０℃に加熱時にガス化（厳密には、気化であり、気化したタールが主成分）して燃料側に残る部分が減り、燃料としての歩留まりが落ちるのみならず、ガス化した部分の処理量が増えるため、ガスを後処理する設備が大きくなるという問題もある。更に、完全にガス化せずにタールとなる物も増え、設備の閉塞を引き起こす等、設備で対応すべき点が増える。そのため、揮発分が多い物も利用可能ではあるが、あまり適さない。

本発明の燃料は、熱可塑性の廃プラ類が炭化する前に、既に溶融しているので、その時に揮発分の少ない、つまり固定炭素分の多い微粉燃料を、その溶融した廃プラ類の内部に分散させるのが好ましい。

固定炭素分の多い物質は、一般に溶融プラスチックとの濡れが良くない。そのため、本発明の燃料を、固定炭素分の多い微粉燃料が脱塩・炭化した廃プラ類の内部に分散して一体化させるには、この廃プラ類が溶融している時に、この溶融物が多少変形する程度に前記微粉とを適度に混合する必要がある。
この混合は弱すぎると前記微粉が前記溶融物の中にうまく分散しないので好ましくない。逆に強すぎると前記溶融物同士が付着して一体化し、大きくなり過ぎてハンドリングが困難になるので好ましくない。１００〜５００ｍｍ程度掻き上げて落下させながら混合を行うと、大部分が概ね２０ｍｍ以下の、微粉燃料が脱塩・炭化した廃プラ類の内部に分散して一体化した本発明に関する燃料を得ることができるので好ましい。

本発明による炭化物は、塩ビを含む廃プラ類と、揮発分の少ない微粉燃料とを、１：０．１〜３、好ましくは、１：１／３〜１の割合で混合した物から好適に製造される。
前者の塩ビを含む廃プラ類が少な過ぎると、揮発分が少なくなり過ぎ、燃焼性の改善効果が期待できなくなり、また、製造コストも一般的には上昇するので好ましくない。逆に微粉燃料が少なすぎると、粉砕性の改善が不十分となり、また、廃プラとして嵩張ったりするなどのハンドリングの悪さが問題になる。

塩ビを分解して塩素を除去するには、塩ビの温度を３００℃以上にする必要がある。また、酸素を遮断した状態でも廃プラ類中のポリエチレンやポリプロピレンなどの汎用プラスチックの熱分解によるガス化が、３８０℃から活発になり、４６０℃を超えると５０％以上が分解するようになる。そのため、汎用プラスチックを主体とするような本発明での廃プラ類では、炭化温度は３００〜４６０℃、好ましくは３００〜３８０℃にする必要があり、塩素を下げたいのなら高温側の方が好ましい。
温度が３００℃より低いと、本願燃料の元から在る塩素の２０％以上が残存するようになり好ましくない。また、塩素分を更に減らして、残存率を５％以下にするには、３５０℃以上にするのが好ましい。逆に温度が３８０℃以上に高くなると回収できる燃料が急激に少なくなり、４６０℃を超えるとプラスチック部分の半分以上が回収できなくなり好ましくない。

前記３００〜３８０℃の温度で炭化した本発明に関する燃料中の塩ビ由来の塩素量は、元の塩ビの量にもよるが、３％以下、通常は０．５％以下となっており、小規模の塩素バイパスを有するセメント焼成工程ではおよそ半分を、また、大規模な塩素バイパスを有するセメント焼成工程では全量を、この炭化物を燃料として用いることができる。

本発明に関わる燃料は、揮発分が１０〜８０％で、通常３０〜６０％になる。固定炭素分は、通常１０〜７０％となる。

本発明に関わる燃料は、廃プラ類の炭化を行うことによって、３００℃以下で揮発する部分が非常に少なくなるため、揮発分が通常３０％以上あっても、元の廃プラ類や微粉燃料に比べて、爆発や酸化という面から見て、より安全に取り扱える燃料となっている。

［実施例１］
塩ビを含む廃プラ類として、プラスチックゴミとして一般の事業所などから収集されたものを分別した残滓と、揮発分の少ない微粉燃料として、平均粒子径が約５７μｍの石炭ガス化残滓の炭素が約８０％のスラグとを、１：１で混合し、多少条件が振られるが、概ね、塩素が約２％、揮発分が９０％程度、固定炭素が５％程度、発熱量が３５ＭＪ／ｋｇ程度とした混合物を得た。
この混合物を、リフタを何枚か備えた内径が２５０ｍｍ〜６００ｍｍの間接伝熱キルンを２．５ｒｐｍで回転させ、窒素をパージしながら３２０℃まで３０分程度かけて加熱して、冷却後、本発明に関わる燃料を何種類か製造した。
これらの燃料は、廃プラの炭化物がバインダとなって前記スラグが分散した構造で、大部分が２０ｍｍの球より小さく、１０ｍｍφ程度の球形に近い物が主体であった。塩素は、０．５％程度以下まで減少しており、揮発分は５０％程度、固定炭素は３５％程度、発熱量は３３ＭＪ／ｋｇ程度であった。これらの燃料は、竪型ミルで１ｍｍ以下に容易に粉砕できた。燃焼性については、通常のセメント焼成用の燃料に対して、相当径で数倍の大きさでも、同程度の燃焼性を確認できたが、爆発性や自己発熱性は低かった。

［実施例２］
塩ビを含む廃プラ類として、プラスチックゴミとして一般の事業所などから収集されたものを分別した残滓や容器リサイクルで収集された廃プラを選別した残滓と、固定炭素分が多い微粉として、瀝青炭やペトロコークスを色々な割合で混炭後、粉砕した、ほぼ全量が約１００μｍ以下の微粉とを、１：１／２〜１で様々に混合し、塩素を約１〜５％とした混合物を得た。
この混合物を、リフタを何枚か備えた内径が３００ｍｍ〜６００ｍｍの間接伝熱キルンを２．５ｒｐｍ前後で回転させ、３００〜３８０℃まで加熱して冷却後、本発明に関わる燃料を何種類か製造した。
これらの燃料は、廃プラの炭化物がバインダとなって前記微粉が分散した構造で、多くの場合５ｍｍφ程度の球形に近い物が主体で、大きく成長した場合でも、大部分が２０ｍｍφの球より小さかった。塩素は、炭化前の１〜２０％程度まで減少していた。
これらの燃料は、竪型ミルで１ｍｍ以下に容易に粉砕でき、通常のセメント焼成用の燃料と同程度の燃焼性を確認できた。

［比較例］
実施例２と同様の混合物を、掻き上げが不十分となるような、リフタが無いキルンや、廃プラ類の充填率の高い状態で、同様に３００〜３８０℃まで加熱して冷却後、燃料を何種類か製造した。
これらの燃料の全部若しくはかなりの部分が、２０ｍｍφの球より大きく、炭化されていない部分も散見された。

本発明を利用すれば廃プラ類の減容化も可能で、一度加熱して炭化されることで発火などに対して安定化も図れるので、輸送も安全で効率的に行える。従って、燃焼装置の近くのみならず、廃プラ類の収集個所で本発明の燃料を製造することもできる。

Claims (7)

1. 塩ビを含む廃プラスチックを加熱・溶融して、炭化・脱塩した、可塑変形する炭化燃料において、揮発分が瀝青炭なみかより少ない、１００μｍ以下の微粉燃料が内部に分散して一体化した固体燃料であり、
   前記塩ビを含む廃プラスチックが、汎用プラスチックのポリエチレンやポリプロピレン、ポリスチレンと、塩素をほとんど含まない熱可塑性プラスチックとが主体であって、塩ビが３〜２０％含まれる廃プラスチックである固体燃料。
2. 塩ビを含む廃プラスチックを加熱・溶融して、炭化・脱塩した、可塑変形する炭化燃料において、揮発分が瀝青炭なみかより少ない、１００μｍ以下の微粉燃料が内部に分散して一体化し、竪型ミルで粉砕可能な程度に著しく変形が阻害された固体燃料であり、
   前記塩ビを含む廃プラスチックが、汎用プラスチックのポリエチレンやポリプロピレン、ポリスチレンと、塩素をほとんど含まない熱可塑性プラスチックとが主体であって、塩ビが３〜２０％含まれる廃プラスチックである固体燃料。
3. 請求項１または２に記載の燃料に他の燃料と混合して粉砕した固体燃料。
4. 請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載のセメントクリンカ焼成用固体燃料。
5. 塩ビを含む廃プラスチックを加熱・溶融して、炭化・脱塩した、可塑変形する炭化燃料を製造する方法において、
   揮発分が瀝青炭なみかより少ない、１００μｍ以下の微粉燃料と掻き上げて落下させることで混合しながら、前記塩ビを含む廃プラスチックを３００〜３８０℃まで加熱して炭化・脱塩し、前記塩ビを含む廃プラスチックの炭化・脱塩物の内部に分散して前記微粉燃料を一体化させる固体燃料の製造方法であり、
   前記塩ビを含む廃プラスチックが、汎用プラスチックのポリエチレンやポリプロピレン、ポリスチレンと、塩素をほとんど含まない熱可塑性プラスチックとが主体であって、塩ビが３〜２０％含まれる廃プラスチックであることを特徴とする固体燃料の製造方法。
6. 塩ビを含む廃プラスチックを加熱・溶融して、炭化・脱塩した、可塑変形する炭化燃料を製造する方法において、
   揮発分が瀝青炭なみかより少ない、１００μｍ以下の微粉燃料と掻き上げて落下させることで混合しながら、前記塩ビを含む廃プラスチックを３００〜３８０℃まで加熱して炭化・脱塩し、前記塩ビを含む廃プラスチックの炭化・脱塩物の内部に分散して前記微粉燃料を一体化し、竪型ミルで粉砕可能な程度に著しく変形が阻害された固体燃料の製造方法であり、
   前記塩ビを含む廃プラスチックが、汎用プラスチックのポリエチレンやポリプロピレン、ポリスチレンと、塩素をほとんど含まない熱可塑性プラスチックとが主体であって、塩ビが３〜２０％含まれる廃プラスチックであることを特徴とする固体燃料の製造方法。
7. 前記一体化させた固体燃料を単独若しくは他の燃料と混合して竪型ミルで粉砕する請求項６記載の固体燃料の製造方法。