JP5737623B2

JP5737623B2 - 廃プラスチックの油化方法

Info

Publication number: JP5737623B2
Application number: JP2011164791A
Authority: JP
Inventors: 成友田巻
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: JP2013028687A

Description

本発明は、廃プラスチックの油化方法に関する。

従来、廃プラスチックの再利用法の１つとして、高温で熱分解して燃料油として使用する方法がある。

廃プラスチックを燃料油として再利用する技術として、廃プラスチックを高温で熱分解してガス化した後、生成したガスを固体酸触媒で二次的に熱分解し、さらにガス中に含まれる有機酸を遷移金属触媒により除去する廃棄プラスチックの油化処理方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開平６−２９８９９４号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、触媒を使用するため、触媒のコストおよびメンテナンスが必要とされるのに加え、該方法により得られた分解生成物である炭化水素の混合物は、分子量分布が大きく、また、炭素数が多い長鎖の炭化水素を含んでいるため、液温低下時に固化する場合があり、動粘度も高い。したがって、燃料油として使用する場合、送液ポンプや配管に負荷がかかり、工業的な使用には問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、廃プラスチックを、触媒をたとえ用いなくても、簡易な方法で分解、分離して、工業的に実用可能な燃料油を得ることができる廃プラスチックの油化方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、廃プラスチックを反応容器に導入する導入ステップと、前記反応容器内に水蒸気を導入し、前記反応容器内の材料温度を１８０℃〜３００℃の温度範囲を維持するよう加熱しながら、前記廃プラスチックを溶融する溶融ステップと、前記反応容器内に窒素ガスを導入することで前記反応容器内から水蒸気を排出し、前記反応器内の温度を３５０℃〜４５０℃の温度範囲に昇温して、溶融した前記廃プラスチックを熱分解する熱分解ステップと、前記廃プラスチックの熱分解生成物を前記反応容器から気体として排出し、冷却して液体として回収する回収ステップと、を含むことを特徴とする。
このように溶融ステップを設けることにより、設けない場合と比較して、熱分解生成物中の炭化水素の分子量をより小さくできる。

また、本発明の廃プラスチックの油化方法は、上記発明において、前記溶融ステップにおいて前記反応容器内に導入する水蒸気は、１８０℃〜３００℃の温度範囲、０．１ＭＰａ〜４ＭＰａの圧力範囲の過熱水蒸気であることを特徴とする。

また、本発明の廃プラスチックの油化方法は、上記発明において、前記溶融ステップにおいて前記反応容器内に導入する水蒸気は、１８０℃〜３００℃の温度範囲の飽和水蒸気であることを特徴とする。

また、本発明の廃プラスチックの油化方法は、上記発明において、前記溶融ステップは、前記反応容器内の温度を２００℃〜２５０℃の温度範囲に加熱保持することを特徴とする。

また、本発明の廃プラスチックの油化方法は、上記発明において、前記熱分解ステップは、前記反応容器内の温度を３８０℃〜４２０℃の温度範囲に加熱保持することを特徴とする。

前記溶融ステップは、前記反応容器内の温度を２００℃〜２５０℃の温度範囲で１〜２時間加熱保持することを特徴とする。

また、本発明の廃プラスチックの油化方法は、上記発明において、前記廃プラスチックは、塩素含有プラスチックを除去した混合廃プラスチックであることを特徴とする。

本発明の廃プラスチックの油化方法は、廃プラスチックを水蒸気存在下で加熱、溶融した後、水蒸気を排出し、昇温して廃プラスチックを熱分解することにより、工業的に実用可能な炭化水素混合物からなる燃料油を、簡易に得ることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る廃プラスチックの油化装置を示す概略図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る廃プラスチックの油化工程のフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態１に係る廃プラスチックの油化工程の時間と過熱温度の関係を示す図である。図４は、本発明の実施の形態２に係る廃プラスチックの油化装置を示す概略図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る廃プラスチックの油化方法について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る廃プラスチックの油化装置１００を示す概略図である。廃プラスチックの油化装置１００は、廃プラスチックを導入して処理を行う反応容器としてのロータリーキルン１と、ロータリーキルン１を所定温度に加熱する加熱手段であるヒータ２と、反応容器に水蒸気を供給する水蒸気供給手段としてのボイラー３と、ロータリーキルン１を回転する例えばモータである駆動部４と、を備える。

本発明の廃プラスチックの油化装置１００で処理する廃プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンなどの熱可塑性樹脂の混合物である。ポリエチレンテレフタレート等のポリエステルは、熱分解によりテレフタル酸や安息香酸などの昇華性物質を生成し、該昇華性物質は配管の腐食や詰りの原因となるため、廃プラスチックはできればポリエステルを含まないのが好ましい。また、廃プラスチックは、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等の塩素含有プラスチックをできれば含まない、または除去したものが好ましいが、塩素含有プラスチックを含む廃プラスチックを油化処理する場合は、発生した塩化水素を処理・回収する手段を別途設ければよい。なお、廃プラスチックは、少量であればポリウレタンやフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を含有してもよい。

反応容器であるロータリーキルン１は、内部にセラミックボールや、金属片、金属ボール等の粉砕補助物を内蔵するものが好ましい。ロータリーキルン１は、駆動部４により回転される。ロータリーキルン１内に導入された廃プラスチックは、後述するボイラー３により供給された水蒸気存在下で、ロータリーキルン１が回転されることにより、粉砕補助物とともに回転され、攪拌される。

ヒータ２は、ロータリーキルン１の外周部に設けられ、ロータリーキルン１を加熱することにより、導入された廃プラスチックを所定温度に加熱する。ヒータ２は、ロータリーキルン１に導入された廃プラスチックを２段階の温度で加熱する。ロータリーキルン１内の温度は、温度センサ５により測定され、ロータリーキルン１内の温度に応じてヒータ２のスイッチがオン・オフされる。水蒸気存在下で廃プラスチックを溶融する溶融ステップでの加熱温度は、１８０℃〜３００℃の範囲で行うことが好ましい。１８０℃より加熱温度が低いと、廃プラスチックに含まれる高融点のプラスチックであるポリプロピレンが溶融しにくく、３００℃より加熱温度が高いと、最も低温で分解を開始するポリスチレンが熱分解されるためである。溶融ステップは、２００℃〜２５０℃の温度範囲で加熱保持するのが特に好ましいが、廃プラスチック中に含まれるプラスチックの割合により好適な温度は変更されうる。また廃プラスチックが塩素含有プラスチックを含んでいる場合、溶融ステップで２００℃〜２５０℃に加熱することにより、塩素含有プラスチックからの塩化水素の脱離を行いうる。

溶融した廃プラスチックを熱分解する熱分解ステップでの加熱温度は、３５０℃〜４５０℃の範囲とすることが好ましい。３５０℃より加熱温度が低いと、廃プラスチックに含まれるポリエチレンが熱分解しにくく、４５０℃より加熱温度が高いと、二酸化炭素等の分子量の小さい物質まで分解するおそれがあるほか、熱効率が低下するためである。熱分解ステップでの加熱温度は、３８０℃〜４２０℃とするのが特に好ましい。廃プラスチック中に含まれるプラスチックの割合により熱分解ステップでの加熱温度の好適な範囲は変更されうる。

水蒸気供給手段としてのボイラー３は、所定温度の水蒸気をロータリーキルン１に供給する。供給する水蒸気は、溶融ステップでの廃プラスチックの加熱温度である１８０℃〜３００℃（０．５ＭＰａ〜３．６ＭＰａ）の飽和水蒸気を供給するのが好ましいが、前記温度範囲以下の飽和水蒸気を供給し、ヒータ２で所定温度にロータリーキルン１内の温度を上昇させてもよい。

本実施の形態１では、廃プラスチックを１段階で熱分解するのではなく、最初に水蒸気存在下１８０℃〜３００℃の温度範囲で加熱して廃プラスチックを溶融した後、水蒸気を排出して、加熱温度を３５０℃〜４５０℃の温度範囲まで上昇させて、廃プラスチックを分子量分布の小さい炭化水素混合物に熱分解する。このように最初に飽和水蒸気存在下で廃プラスチックを１８０℃〜３００℃の温度範囲で加熱して溶融することにより、分子量が数十万程度のプラスチックを、数万程度の大きさに分解することができる。廃プラスチックは、一旦、分子量が１／１０程度の大きさまで分解されることにより、その後のランダム分解において比較的分子量分布が小さい炭化水素混合物を得ることができる。

なお、本実施の形態１で得られる炭化水素混合物は、常温で液体の炭化水素の混合物である。たとえば、炭素数４〜１９程度の鎖状飽和炭化水素、鎖状不飽和炭化水素、環状飽和炭化水素または環状不飽和炭化水素の混合物である。芳香族化合物以外の不飽和炭化水素は、保存安定性が優れないので含有する割合が少ないほうが好ましい。常温で固体の炭化水素が含まれる場合であっても、他の炭化水素を溶媒として溶解し、炭化水素混合物として常温で流動性を示していれば、炭化水素混合物中に含まれていてもよい。

続いて、本実施の形態１に係る廃プラスチックの油化工程について、図を参照して説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る廃プラスチックの油化工程のフローチャートである。

まず、図２に示すように、廃プラスチックを、ロータリーキルン１内に導入する（ステップＳ１０１）。

ロータリーキルン１に廃プラスチックを導入した後、ボイラー３により、所定温度の飽和水蒸気をロータリーキルン１内に供給する。そして、駆動部４によりロータリーキルン１を回転しながら、ヒータ２によりロータリーキルン１を１８０℃〜３００℃に加熱して、廃プラスチックを溶融する（ステップＳ１０２）。溶融ステップは、ロータリーキルン１への廃プラスチックの導入量によっても変更しうるが、図３に示すように、１８０℃〜３００℃の温度で１〜２時間加熱保持して、廃プラスチックを溶融する。なお、図３の一点鎖線は、溶融ステップがない場合のロータリーキルン１の加熱時の時間と温度の関係を示し、実線が本実施の形態１にかかる油化方法のロータリーキルン１の加熱時の時間と温度の関係を示している。

溶融ステップ後、ロータリーキルン１の回転を停止し、蒸気排出口６を介してロータリーキルン１内の飽和水蒸気を排出する。飽和水蒸気の排出は、窒素などの不活性ガスをロータリーキルン１内に供給することにより、強制的に置換させることにより行う。廃プラスチックが塩素含有プラスチックを含んでいる場合は、排出された飽和水蒸気に塩化水素が含まれるため、回収装置により塩化水素を回収する。飽和水蒸気の排出後、ヒータ２によりロータリーキルン１を３５０℃〜４５０℃の温度範囲にさらに加熱して、溶融した廃プラスチックを熱分解する（ステップＳ１０３）。熱分解ステップは、ロータリーキルン１への廃プラスチックの導入量によっても変更しうるが、図３に示すように、３５０℃〜４５０℃の温度で２〜８時間加熱保持して、廃プラスチックを低分子量の炭化水素混合物に熱分解する。このように、廃プラスチックを容器から出すことなく、溶融及び熱分解を同一の容器（ロータリーキルン１）内で行えば、容器間の運搬が不要となる利点がある。しかし、溶融と熱分解を別々の容器で実行してもよい。

熱分解し、低分子量化した廃プラスチック（低分子量の炭化水素混合物）はロータリーキルン１内で気化する。気化した炭化水素混合物は、ガス排出口７を介して冷却装置に導入され、冷却装置で冷却されて液化する（ステップＳ１０４）。液化しない低分子量の気体成分は、オフガス炉により焼却処分されて油化工程が終了する。

本実施の形態１にかかる廃プラスチックの油化方法では、廃プラスチックの油化処理を、飽和水蒸気存在下１８０℃〜３００℃の温度範囲で加熱する溶融ステップと、３５０℃〜４５０℃の温度範囲で加熱するガス化ステップの２段階に分けて行うことにより、炭素数が４〜１９の炭化水素類を、他の高分子量の炭化水素類の混入割合を低減しながら、効率よく得ることができる。

また、本実施の形態１にかかる廃プラスチックの油化方法は、廃プラスチックの最終的な熱分解を、ガス排出口・蒸気排出口を利用して、飽和水蒸気を排出した後に行うことにより、簡易に、流動点が低く、燃料油として工業的に実用可能な炭化水素混合物を得ることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る廃プラスチックの油化装置２００を示す概略図である。本発明の実施の形態２に係る油化装置２００は、実施の形態１の油化装置１００の水蒸気供給手段であるボイラー３を過熱水蒸気供給装置８に換えた以外は、油化装置１００と同様の構成を有する。過熱水蒸気供給装置８は、１８０℃〜３００℃の温度範囲の過熱水蒸気を供給できるものであればよく、過熱器を内蔵したボイラーを使用してもよい。使用する過熱水蒸気は、１８０℃〜３００℃の温度範囲であれば常圧（約０．１ＭＰａ）の過熱水蒸気でも、高圧（０．１ＭＰａ〜４ＭＰａ程度の圧力範囲）の過熱水蒸気のいずれを使用してもよい。

実施の形態２にかかる油化装置２００は、ロータリーキルン１の内部に廃プラスチックと過熱水蒸気を導入し、ヒータ２によりロータリーキルン１を１８０℃〜３００℃に加熱しながら、駆動部４によりロータリーキルン１を回転して、廃プラスチックを加熱・攪拌する。この処理により、廃プラスチックは溶融される。廃プラスチックの溶融温度は、２００℃〜２５０℃の温度範囲とすることが好適である。

廃プラスチックを過熱水蒸気存在下で所定温度に加熱保持して溶融した後、ロータリーキルン１の回転を停止し、蒸気排出口６を介してロータリーキルン１内の過熱水蒸気を排出する。過熱水蒸気の排出は、例えば、窒素などの不活性ガスをロータリーキルン１内に供給することにより、蒸気排出口６を介して強制的に置換させることにより行う。過熱水蒸気の排出後、ヒータ２によりロータリーキルン１を３５０℃〜４５０℃にさらに加熱して、溶融した廃プラスチックを熱分解する。廃プラスチックの熱分解温度は、３８０℃〜４２０℃の温度範囲とすることが好適である。

熱分解し、低分子量化した廃プラスチック（低分子量の炭化水素混合物）はロータリーキルン１内で気化する。気化した炭化水素混合物は、ガス排出口７を介して冷却装置に導入され、冷却装置で冷却されて液化される。実施の形態２にかかる油化装置２００により、廃プラスチックは熱分解され、分子量分布の少ない炭化水素混合物を得ることができる。

本実施の形態２にかかる廃プラスチックの油化方法では、廃プラスチックの油化処理を、過熱水蒸気存在下１８０℃〜３００℃の温度範囲で加熱する溶融ステップと、３５０℃〜４５０℃の温度範囲で加熱するガス化ステップの２段階に分けて行うことにより、炭素数が４〜１９の炭化水素類を、他の高分子量の炭化水素類の混入割合を低減しながら、効率よく得ることができる。

また、本実施の形態２にかかる廃プラスチックの油化方法は、廃プラスチックの最終的な熱分解を、ガス排出口・蒸気排出口を利用して、過熱水蒸気を排出した後に行うことにより、簡易に、流動点が低く、燃料油として工業的に実用可能な炭化水素混合物を得ることができる。

（実施例１）
反応容器としてロータリーキルンを使用し、廃プラスチックを導入したロータリーキルン内に、１８０℃の飽和水蒸気を導入し、１８０℃で１時間加熱して廃プラスチックを溶融した。その後、窒素ガスをパージしてロータリーキルン内から飽和水蒸気を排出し、ロータリーキルンを４００℃で８時間加熱保持して、廃プラスチックを熱分解してガス化した。熱分解して得られたガスを冷却して、炭化水素混合物を得た。

（実施例２）
反応容器としてロータリーキルンを使用し、廃プラスチックを導入したロータリーキルン内に、常圧（０．１ＭＰａ）、１８０℃の過熱水蒸気を導入し、１８０℃で１時間加熱して廃プラスチックを溶融した。その後、窒素ガスをパージしてロータリーキルン内から過熱水蒸気を排出し、ロータリーキルンを４００℃で８時間加熱保持して、廃プラスチックを熱分解してガス化した。熱分解して得られたガスを冷却して、炭化水素混合物を得た。

（比較例１）
反応容器としてロータリーキルンを使用し、廃プラスチックを導入し、窒素ガスを封入したロータリーキルンを４００℃で８時間加熱保持して、廃プラスチックを熱分解してガス化した。熱分解して得られたガスを冷却して、炭化水素混合物を得た。

表１に、実施例１および２、ならびに比較例１で得られた炭化水素混合物について引火点および流動点を測定した結果を示す。引火点は、ＪＩＳＫ２２６５、流動点はＪＩＳＫ２２６９に従って測定した。

表１に示すように、比較例１に比べ、実施例１および実施例２では、引火点、流動点とも小さい値となった。廃プラスチック、特にポリエチレンやポリプロピレンの熱分解で生成する炭化水素混合物では、生成する炭化水素の分子量が大きくなると引火点が上がり、分子量が小さくなると引火点が下がると推測され、比較例１に対して引火点が低い実施例１および２では、平均分子量が小さい、炭化水素混合物が得られていると推測される。

また、同様に、廃プラスチック、特にポリエチレンやポリプロピレンの熱分解で生成する炭化水素混合物では、生成する炭化水素の分子量が大きくなると流動点が上がり、分子量が小さくなると流動点が下がると推測され、比較例１に対して流動点が極めて低い実施例１および２では、平均分子量が小さい、炭化水素混合物が得られていると推測される。実施例１および２と、比較例１では、流動点が３０℃以上異なるというだけでなく、実施例１および２は、流動点が常温以下であるという点で、燃料油として非常に実用的なものである。

以上のように、本発明にかかる廃プラスチックの油化方法は、廃プラスチックの再利用法として有用である。

１ロータリーキルン
２ヒータ加熱部
３ボイラー
４駆動部
５温度センサ
６蒸気排出口
７ガス排出口
８過熱水蒸気供給装置
１００、２００油化装置

Claims

廃プラスチックを反応容器に導入する導入ステップと、
前記反応容器内に水蒸気を導入し、前記反応容器内の材料温度を１８０℃〜３００℃の温度範囲を維持するよう加熱しながら、前記廃プラスチックを溶融する溶融ステップと、
前記反応容器内に窒素ガスを導入することで前記反応容器内から水蒸気を排出し、前記反応器内の温度を３５０℃〜４５０℃の温度範囲に昇温して、溶融した前記廃プラスチックを熱分解する熱分解ステップと、
前記廃プラスチックの熱分解生成物を前記反応容器から気体として排出し、冷却して液体として回収する回収ステップと、
を含むことを特徴とする廃プラスチックの油化方法。
前記溶融ステップにおいて前記反応容器内に導入する水蒸気は、１８０℃〜３００℃の温度範囲、０．１ＭＰａ〜４ＭＰａの圧力範囲の過熱水蒸気であることを特徴とする請求項１に記載の廃プラスチックの油化方法。
前記溶融ステップにおいて前記反応容器内に導入する水蒸気は、１８０℃〜３００℃の温度範囲の飽和水蒸気であることを特徴とする請求項１に記載の廃プラスチックの油化方法。
前記溶融ステップは、前記反応容器内の温度を２００℃〜２５０℃の温度範囲で加熱保持することを特徴とする請求項１に記載の廃プラスチックの油化方法。
前記熱分解ステップは、前記反応容器内の温度を３８０℃〜４２０℃の温度範囲に加熱保持することを特徴とする請求項１に記載の廃プラスチックの油化方法。
前記溶融ステップは、前記反応容器内の温度を２００℃〜２５０℃の温度範囲で１〜２時間加熱保持することを特徴とする請求項１に記載の廃プラスチックの油化方法。
前記廃プラスチックは、塩素含有プラスチックを除去した混合廃プラスチックであることを特徴とする請求項１に記載の廃プラスチックの油化方法。