JP6006151B2 - 廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置及び焼却処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、製造工程で発生する不良品や使用済みで廃棄される炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＲＰ」と言う場合もある。）のサーマルリサイクルを目的とした焼却処理装置及び焼却処理方法に関するものである。

ＣＦＲＰは、軽量であり、高強度・高弾性などの機械的強度に優れているため、テニスラケット、ゴルフクラブ用シャフト、釣竿などの小型のものから、自動車や航空機などの産業用の大型のものまで幅広く、大量に使用されている。それらの製品ばかりでなく、その製造工程で発生する不良品等も加わり、今後廃棄されるＣＦＲＰの量は増加し続けると考えられ、これらを資源として有効利用することが求められる。

リサイクル技術として、ＣＦＲＰの廃棄物から炭素を分離回収する種々の技術が検討されている。しかし、廃棄物から炭素繊維を回収しても、繊維が短くなったり、強度が低下することが多い。そのため、マテリアルリサイクルやケミカルリサイクルが難しく、最終的に埋立て処分されている量も多い。しかし、今後、埋立て処分場の確保、規制の強化などにより、埋立て処分は困難となる。

結局、ＣＦＲＰを燃料として利用するサーマルリサイクルが、リサイクルと最終処分を両立させることができるので有効な方法である。その一つの方法として、セメント製造工程等での燃料化がある。これは、処理量が増加した場合でもそれに対処することができ、しかも、処理により廃棄物が発生しないため、有効なリサイクル方法である。

特許文献１に、廃ＦＲＰの焼却処理方法として、（ａ）廃ＦＲＰを５０ｍｍ以下の塊に破砕し、この塊状破砕物をセメント製造工程のプレヒータに投入し、補助燃料として使用すること、（ｂ）廃ＦＲＰを粒径３ｍｍ以下に粗砕し、この粗砕物をセメント製造工程の仮焼炉に投入し補助燃料として使用すること、（ｃ）廃ＦＲＰを粒径９０μｍ以下に微粉砕し、セメント製造工程の微粉炭バーナに供給し、微粉炭と混焼すること、などが提案されている。
しかし、この特許文献１で提案されているように、ＦＲＰに代えてＣＦＲＰをプレヒータや仮焼炉に投入すると、炭素繊維は燃え難いことから燃え残った炭素繊維が飛散し、飛散した炭素繊維は排ガスとともに電気集塵機に達し、集塵される。ここで、飛散した燃え残り炭素繊維は電気集塵機の導電性を局所的に変え、電気集塵機が正常に機能しなくなり、電気集塵機の集塵効率を低下させ、粉塵が発生するという問題が生じる虞がある。

一方、特許文献２は、次の問題点を指摘している。廃繊維強化樹脂物品を適当な粒径に破砕してセメント焼成用固形燃料として利用するという試みがあるが（特開平６−８２４７号公報）、廃繊維強化樹脂物品の破砕粒体には、その破砕断面から強化繊維が突出して破断しやすく、この破断した微細繊維が搬送途中等において飛散し、作業環境を汚染するという問題がある。この問題に対処するために、特許文献２は、廃繊維強化樹脂物品の破砕粒体を芯とし、その表面上に、熱可塑性樹脂からなる被覆層を形成したものを利用することを提案している。
しかし、この特許文献２に記載された技術においても、やはり焼却装置内において燃え残った炭素繊維が飛散し、これが電気集塵機で捕集されるため、集塵効率が低下させると言う問題は依然発生する。

特許文献３には、炭素繊維を含む廃プラスチックをセメントキルンに供給し、燃焼処理を行うことにより生じる排気ガスを集塵装置に供給して、前記排気ガス中の煤塵を捕集するようにした炭素繊維を含む廃プラスチックの焼却処理方法において、炭素繊維を含む廃プラスチックを平均粒径が３ｍｍ以下になるように粉砕し、セメントキルンの内部温度が１２００℃以上である位置に供給することを提案している。
しかし、炭素繊維強化プラスチックは機械的強度が優れているので、粉砕機の磨耗が激しく、また大量の粉砕エネルギーが必要であるので、炭素繊維強化プラスチックを３ｍｍ以下に粉砕する方式は現実的ではない。

特許文献４は、セメント焼成装置に付設された焙焼炉と、該焙焼炉の排ガスを前記セメント焼成装置に戻す返還路とを備えることを特徴とする有価物回収装置を提案している。
しかし、特許文献４の発明は、有価物回収を目的としているので、ＣＦＲＰを完全焼却することはできない。特に、サイズの大きなＣＦＲＰの場合には燃え残りが発生しがちであるが、特許文献４の発明は、それに対処することができない。

特開平６−８２４７号公報 特開２００１−４９２７３号公報 特開２００７−１３１４６３号公報 特開２０１３−１４８０２

上述した背景技術の課題をまとめると、次のようになる。
ＣＦＲＰは有用であるが、繊維そのものを再利用することが困難であるために、埋立て処分されることが多い。しかし、これからはできるだけ資源として再利用すべきである。その際、セメント製造工程等で燃料として利用するサーマルリサイクルが考えられるが、燃焼炉の中でＣＦＲＰを燃焼させるシステムの場合、上述したように、燃え残った炭素繊維が集塵装置の機能を阻害することがある。これ故、ＣＦＲＰを細かく砕片化して燃焼させることが必要となるが、ＣＦＲＰは機械的強度が大きいため、砕片化することが困難である。

本発明は、上述した背景技術が有する課題に鑑み成されたものであって、廃棄炭素繊維強化プラスチックを細かく砕片化することなく、かつ、集塵装置の機能を阻害することなく焼却処分でき、さらに、その焼却の際に発生する熱エネルギーを有効に利用することができる、廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置及び焼却処理方法を提案することを課題とする。

上記した課題は、次の焼却処理装置及び焼却処理方法により解決された。
〔１〕燃焼炉と、上記燃焼炉の熱ガス（第１の熱ガス）を上記燃焼炉から分岐する第１の熱ガス配管と、外熱炉とを備え、上記外熱炉が、廃棄炭素繊維強化プラスチックを投入する投入口と、上記第１の熱ガス配管と接続された熱ガス導入口と、外熱炉内で廃棄炭素繊維強化プラスチックを搬送する搬送手段とを備えることと、上記第１の熱ガス配管を介して供給された熱ガスにより上記搬送手段に載置された廃棄炭素繊維強化プラスチックが焼却され、該焼却された廃棄炭素繊維強化プラスチックの灰は灰排出口から排出されることと、好ましくは、上記廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却の際に上記外熱炉内で発生した熱ガス（第２の熱ガス）を上記燃焼炉に戻す第２の熱ガス配管を備えることと、より好ましくは、燃え残りの廃棄炭素繊維強化プラスチックを上記灰排出口から上記外熱炉の投入口へ搬送する燃え残り搬送手段を備えることを特徴とする、廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置。
〔２〕燃焼炉で発生した熱を用いて、外熱炉で廃棄炭素繊維強化プラスチックを燃焼させ、該燃焼によって発生した熱ガスを上記燃焼炉に戻すことと、廃棄炭素繊維強化プラスチックの燃え残りを再び外熱炉に投入することにより再燃焼させることを特徴とする、廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理方法。

上記した本発明によれば、例えばセメントキルンのプレヒータや仮焼炉である燃焼炉の中で廃棄炭素繊維強化プラスチックを燃焼させるのではなく、該燃焼炉に付帯させた外熱炉の中で燃焼炉の熱を用いて廃棄炭素繊維強化プラスチックを燃焼させるシステムであるので、燃焼させるのに時間的な制約がなく、十分な燃焼時間を確保することができるので、廃棄炭素繊維強化プラスチックを細かく砕片化する必要がない。また、燃焼炉の中で廃棄炭素繊維強化プラスチックの燃え残りが飛散して焼却炉に付帯された集塵装置の集塵効率を低下させる等の悪影響を及ぼすこともない。すなわち、廃棄炭素繊維強化プラスチックを細かく砕片化することなく、かつ、集塵装置の機能を阻害することなく焼却処分できる。
また、上記した本発明によれば、燃え難く、機械的強度が強い廃棄炭素繊維強化プラスチックを埋立て処分することなく、量的には無制限に処理することができると共に、廃棄炭素繊維強化プラスチックを燃焼させる時に発生する熱ガスを燃焼炉に戻すシステムとした場合には、大量の廃棄炭素繊維強化プラスチックをエネルギー源として有効にサーマルリサイクルすることができる。

本発明に係る廃棄炭素繊維強化プラスチックを焼却処理する装置をセメントキルンの付帯装置として実現した実施形態を示す全体構成図である。 図１の装置の外熱炉の概念的構成図である。

以下、本発明に係る廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置及び焼却処理方法の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置の実施形態の全体を示す。この装置は、セメント焼成装置２に付帯された外熱炉１１を備える。尚、セメント焼成装置２を構成するセメントキルン３、クリンカクーラ４、プレヒータ５及び仮焼炉６については、セメント製造装置で一般的に用いられているものであり、これらについての説明は省略する。

外熱炉１１は、セメントキルン３と仮焼炉６との間に位置する窯尻の立上部７に接続され、外熱炉１１の内部は該立上部７の内部に連通し、セメント焼成装置２で発生した熱ガス（第１の熱ガス）Ｇ１が第１の熱ガス配管１０を介して外熱炉１１内に送られる。

図２に示すように、廃棄炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）がストッカー１から加熱された外熱炉１１の投入口１１ａに投入され、外熱炉１１内を搬送される。投入されるときのＣＦＲＰの大きさは、外熱炉１１に入る大きさであればよい。しかし、大きくなるほど焼却処理の時間が長くなるため、安定した処理をするためには、投入する最大の大きさを調整したほうが好ましく、ＣＦＲＰの最大の辺の長さが、外熱炉の直径の２分の１以下の長さになるように調整することが好ましく、３分の１以下の長さになるように調整することがさらに好ましい。

外熱炉１１には、燃焼炉から熱ガスが送り込まれ加熱される。この実施形態では、セメントキルン３の窯尻から熱ガス（第１の熱ガス）Ｇ１が第１の熱ガス配管１０を介して供給される。図示しないローラあるいは搬送車からなる炉床１１ｂに載置されたＣＦＲＰは、この第１の熱ガスＧ１によって焼却される。

好ましい実施形態では、外熱炉１１の内壁には耐火レンガが配設されると共に、外熱炉１１の内部の温度及び酸素濃度の調節を行うための、大気等を供給するための図示しないノズル（温度・酸素濃度調節手段）が設けられている。

次に、上記構成を有する装置の動作について、図１、図２を参照しながら説明する。

セメントキルン３の運転時に、プレヒータ５に供給されたセメント原料は、プレヒータ５で予熱され、仮焼炉６で仮焼された後、セメントキルン３にて焼成されてセメントクリンカが生成される。このセメントキルン３の運転時には、立上部７の内部は、９００℃〜１１００℃程度になるため、この温度領域に連通する外熱炉１１の内部で、該立上部７から供給される熱ガスＧ１を利用してＣＦＲＰを少なくとも６００℃〜９００℃程度の温度で燃焼させることができる。

立上部７から外熱炉１１の内部に供給されるセメントキルン３の燃焼排ガスである熱ガスＧ１は、酸素濃度が低い場合があり、その場合には上記ノズルより適宜大気を供給し、外熱炉１１の内部の酸素濃度を高めてＣＦＲＰを燃焼させることができる。また、酸素濃度の調節だけでなく、外熱炉１１の内部温度を調節する目的で種々のガスを供給することもでき、例えば、前述の大気以外に、酸素ガス、窒素ガス、水、水蒸気等を供給してもよく、これらを単独で、又は２つ以上を同時に供給することもできる。図示しない温度・酸素濃度調節手段であるノズルから、大気、酸素ガス、窒素ガス、水及び水蒸気から選択される一以上を供給し、該外熱炉１１の内部の温度及び酸素濃度等の燃焼条件の調節を行う。

外熱炉１１の温度は、熱ガスを抽気する場所、熱ガスの混合などにより、調整することもでき、また新たな熱源を使用してもよいが、上記したノズルから大気等を供給する調整方法を用いることで、新たな熱源を利用しなくてもＣＦＲＰの焼却処理が可能である。後に試験例で示すように、処理温度は６００℃以上であればよく、処理温度が高いほど処理時間を短くすることができる。処理時間は、外熱炉の温度により調整できる。外熱炉の温度と処理時間を適正にすることにより、ＣＦＲＰの完全焼却処理が可能であり、例えば、１０００℃の場合は、１時間程度で完全焼却できる。

外熱炉１１の内部でのＣＦＲＰの燃焼により発生した熱ガス（第２の熱ガス）Ｇ２は、第２の熱ガス配管１３を介してセメント焼成装置２のプレヒータ５に戻され、その熱量はプレヒータ５内を流れる燃焼排ガスと共にセメント原料の予熱に用いられる。

また、ＣＦＲＰの燃焼により発生した熱ガス（第２の熱ガス）Ｇ２を上記したようにプレヒータ５に戻すことにより、該熱ガス（第２の熱ガス）Ｇ２中に含まれるＣＯや炭化水素ガスを仮焼炉６で燃焼させたり、ＣＦＲＰ由来の塩素や硫黄分によって生じた酸性ガスをセメント原料に含まれる多量のＣａＯによって処理したり、ＤＸＮｓを高温で分解し、その後急冷してＤＸＮｓの再合成を抑制することができる。すなわち、外熱炉１１の排ガス処理装置を特別に設ける必要はなく、セメントキルン及びプレヒータの既存の排ガス焼却処理装置で共通に処理することができる。

ＣＦＲＰは、炭素繊維含有量や形状大きさなどが異なる。そのため、耐熱性の高い炭素繊維が多いもの、厚みのある板やブロックの場合、炭素繊維が燃え残ることがある。炭素繊維が燃え残っても、排ガスと分離回収するので、セメント焼成装置２には入らない。従って、セメント焼成装置２に付帯された図示しない電気集塵機の集塵効率を低下させることはない。上記ＣＦＲＰの灰は灰排出口１１ｃから排出される。燃え残りの炭素繊維は回収され、燃え残り搬送手段１４を用いて投入口１１ａに搬送し、再度外熱炉１１に投入することで完全に焼却処理することができる。

尚、上記実施形態においては、セメントキルン３と仮焼炉６との間に位置する立上部７から熱ガスを分取したが、６００℃〜１２００℃の燃焼ガスを分取することができるのであれば、セメント焼成装置２の他の場所から分取してもよく、例えば、クリンカクーラ４の排ガスを分取することもできる。また、外熱炉１１で発生した熱ガスを戻る部位についても、プレヒータ５に限らず、仮焼炉６などであってもよい。また、外熱炉１１で発生した熱ガスを乾燥炉やボイラーなどの熱源として使用してもよい。

以上、本発明に係る廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置及び焼却処理方法を図面を示して詳しく説明してきたが、本発明の適用対象は図面に例示されたものに限られず、同じ技術思想で、他の形態の装置及び方法として実施することも可能であることは言うまでもない。

試験例

以下、本発明の効果を裏付ける試験例を記載するが、本発明は、かかる試験例によって何ら限定されるものではない。

試験に使用したＣＦＲＰは、廃棄物として入手した廃ＣＦＲＰをのこぎりやグラインダーにより８〜１５ｍｍ角に切断したものである。このＣＦＲＰのＪＩＳ Ａ ６２０１ に準拠して測定した９７５℃強熱における減量率は９９．０％、残渣率は１．０％であった。
焼却試験方法は、次の通りで行った。
ＣＦＲＰ２５ｇを所定の温度に設定した外熱炉（直径：３０ｍｍ）に投入し、所定の処理時間後に外熱炉から出てきたＣＦＲＰの重量を測定し、焼却後の残渣率を求めた。
残渣率は、（焼却後重量〔ｇ〕／２５〔ｇ〕）×１００で算出したものである。

実施例１〜４、比較例１〜４の温度、処理時間、重量減量率を表１に示す。

（実施例１と２）
外熱炉温度が１０００℃の実施例１と２ともに、焼却残渣は粉末状であり、残渣率は０．０４％であった。繊維状のものがなかったこと、９７５℃強熱後の上記残渣率を考慮すると、炭素繊維と樹脂は完全に焼却処理できたといえる。
（比較例１と２）
外熱炉温度が１０００℃の比較例１と２ともに、焼却処理後の残渣に綿状の炭素繊維が確認でき、残渣率は、それぞれ１０．５％、１．６％であった。これより、比較例１と２ともに炭素繊維が燃え残っていることがわかった。

（実施例３と４）
外熱炉温度が８００℃の実施例３、外熱炉温度が６００℃の実施例４は、ともに焼却残渣は粉末状であり、残渣率は、それぞれ０．０６％、０．８％であった。繊維状のものがなかったこと、９７５℃強熱後の上記残渣率を考慮すると、両者ともに炭素繊維と樹脂は完全に焼却処理できたといえる。
（比較例３と４）
外熱炉温度が８００℃の比較例３の焼却処理後の残渣に綿状の炭素繊維が確認でき、残渣率は、８．８％であった。また、外熱炉温度が６００℃の比較例４の焼却処理後の残渣に綿状の炭素繊維が確認でき、残渣率は、３．２％であった。これより、比較例３、４は、ともに炭素繊維が燃え残っていることがわかった。

表１から分かるように、処理時間さえ確保できれば、６００℃程度の温度でも、ＣＦＲＰを完全に焼却処理することができる。

１ ストッカー
２ セメント焼成装置
３ セメントキルン
４ クリンカクーラ
５ プレヒータ
６ 仮焼炉
７ 立上部
１０ 第１の熱ガス配管
１１ 外熱炉
１１ａ 投入口
１１ｂ 熱ガス導入口
１１ｃ 灰排出口
１３ 第２の熱ガス配管
１４ 燃え残り搬送手段
Ｇ１ 熱ガス（第１の熱ガス）
Ｇ２ 熱ガス（第２の熱ガス）

Claims (6)

1. 燃焼炉と、上記燃焼炉の熱ガス（第１の熱ガス）を上記燃焼炉から分岐する第１の熱ガス配管と、外熱炉とを備え、上記外熱炉が、廃棄炭素繊維強化プラスチックを投入する投入口と、上記第１の熱ガス配管と接続された熱ガス導入口と、外熱炉内で廃棄炭素繊維強化プラスチックを搬送する搬送手段とを備えることと、上記第１の熱ガス配管を介して供給された熱ガスにより上記搬送手段に載置された廃棄炭素繊維強化プラスチックが焼却され、該焼却された廃棄炭素繊維強化プラスチックの灰が灰排出口から排出されることを特徴とする、廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置。
2. 上記燃焼炉がセメントキルンとプレヒータを含み、上記第１の熱ガス配管がセメントキルンの窯尻部の立上部から分岐するものであることを特徴とする、請求項１に記載の廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置。
3. 上記廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却の際に上記外熱炉内で発生した熱ガス（第２の熱ガス）を上記燃焼炉に戻す第２の熱ガス配管を備えることを特徴とする、請求項１に記載の廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置。
4. 燃え残りの廃棄炭素繊維強化プラスチックを上記灰排出口から上記投入口へ搬送する燃え残り搬送手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置。
5. 上記外熱炉が、大気、酸素ガス、窒素ガス、水及び水蒸気から選択される一以上を供給し、該外熱炉の内部の温度及び酸素濃度の調節を行う温度・酸素濃度調節手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理装置。
6. 燃焼炉で発生した熱を用いて、外熱炉内で廃棄炭素繊維強化プラスチックを燃焼させ、該燃焼によって発生した熱ガスを上記燃焼炉に戻すことと、廃棄炭素繊維強化プラスチックの燃え残りは再び外熱炉に投入することにより再燃焼させることを特徴とする、廃棄炭素繊維強化プラスチックの焼却処理方法。

Images