JP6706408B2 - 熱分解装置 - Google Patents

Description

本発明の対象は、プラスチック及び／またはゴム廃棄物等の、細断された廃棄材料を処理するための、請求項１のプリアンブルに示した熱分解装置である。熱分解装置は、供給デバイス、熱分解反応炉、出口部及びガス捕集器を含む。

熱分解、即ち乾留、は、酸素のプロセスへの影響を許容せずに、有機固体を加熱により分解する化学反応である。熱分解では通常、真空熱分解の場合のように真空か、または窒素等の不活性雰囲気かのいずれかが使用され、空中酸素にとって代わっている。一般に、工業上の熱分解反応は、３００〜７００℃の温度で生じる。公知の熱分解装置は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、及び特許文献５中に示されている。

熱分解装置では、炭化水素含有廃棄物、例えば、プラスチック及び／またはゴム廃棄物等、は、プロセスでオイル、カーボン及びガスを生じるように処理される。公知の方法によれば、プラスチック及び／またはゴム廃棄物が細断され、この細断された材料が熱分解炉チェンバ内に置かれる。チェンバは、ロックされてエアトラップにより気密にされるが、通常は被処理材料用の回転フィーダでもある。公知の熱分解炉チェンバは、通常はバッチ型のデバイスであるため、連続供給装置を有してはいない。一部の連続熱分解炉チェンバでは、回転フィーダが、例えば、ブレードホイール、であり、これがチェンバのエアトラップとして機能する。

米国特許第４、９８３、２７８号明細書 国際公開第２０１３０９５１６３号 英国特許出願公開第２５０２１２６号明細書 国際公開第１９９９００９９４８号 国際公開第１９９３２０３９６号

公知の熱分解装置では、エネルギー消費がかなり高いが、それは熱分解炉チェンバが通常、プロセス中に生成されたガスを燃焼させることにより加熱されるからである。この場合、必要な燃焼チェンバ及び煙突の構造により、エネルギーのかなりの部分が浪費され、結果的には全体的効率が不十分な方法及び装置となる。熱はまた、多くの場合分布が不利な状態にあり、熱分解炉チェンバのある特定の部分のみに集中している。より均一にガス炎により生成された熱の分布は、熱分解炉チェンバを連続的に回転させなければならない等の複雑な解決策に繋がり、それが今度は密封上の困難な問題にも繋がることになる。

本発明の目的は、上述の欠点を克服する、プラスチック及び／またはゴム廃棄物等の、細断された廃棄材料を処理するための熱分解装置を作成することである。本発明による熱分解装置は、請求項１の特徴部に示した事項を特徴とする。

本発明による熱分解装置は連続型であり、熱分解装置の供給デバイスは、空気が反応炉中に進入するのを防止するためのエアトラップを形成する、オイル等の、液体中に少なくとも部分的に配置された、スクリューコンベヤ用スクリュー等の、コンベヤを含む。供給デバイスから反応炉中へのオイルの移動を制限するために、熱分解装置の供給デバイスのコンベヤ、例えば、スクリューコンベヤ用スクリュー、は、供給材料と共に移送された液体の少なくとも一部がスクリューコンベヤの溝中に落下して、供給ビンに収容された液体中に還流するように、供給材料を圧縮するように配設されている。極めて好都合なことに、スクリューコンベヤ用スクリューはまた、運動の変化が、材料と共に移送された液体の少なくとも一部を、コンベヤの溝中に落下させて、供給ビンに収容された液体中に還流させるように、スクリューの回転運動等のコンベヤの前進運動を順次連続的に始動及び停止させるタイマーを備える。

熱分解装置の反応炉は、材料を移動するための、コンベヤ用スクリュー等の、コンベヤ、及び反応炉を加熱するための発熱抵抗体を含む。熱分解反応炉を形成する鋼管は、それを耐熱型工業用ＭＴまたはＨＴの断熱ウールまたはセラミックウールを用いて自身を被覆することにより断熱されている。熱分解装置の出口部はまた、排出スクリュー等の、コンベヤ、及び反応炉中に形成された蒸気を液化及び回収するように使用される凝縮捕集天蓋を含む。

熱分解装置のガス捕集器は、液体で満たされたタブ、及び該タブ内に配置された別のタブ等の捕集部材を有し、この捕集部材は、上下逆に配置され、かつ浮上デバイスを備えて、ガス捕集器に進入するガスを捕集する。極めて好都合なことに、ガス捕集器のタブは、上限及び下限スイッチを備えており、これらのスイッチは、圧縮機が、浮上デバイスを備えた他のタブ内に蓄積されたガスを、浮上デバイスを備えたタブが許容上限に到達したとき、圧力タンク中に順次吸引するように、ガス捕集器に接続されたガス出口圧縮機を制御する。

本発明による熱分解装置では、従来型のエアトラップ回転フィーダの解決策を用いた場合と同程度までの細断を要することなく、材料がプロセス中に供給され得る。加えて、この場合、繊維、例えば、自動車タイヤ中の鋼ベルト材等、は、何らの問題も生じない。このことは、連続プロセスに加えて、細断必要性の低減により、顕著な省エネルギーを可能にする。加えて、プロセスにいわゆる触媒化学物質を使用すれば、液体の使用により化学物質の投薬及び物質の拡散がかなり容易になるため、触媒は微粉及び液体の両状態であり得る。

本発明による解決策では、熱分解反応炉を加熱するために電気エネルギーを使用するが、このことは、プロセス熱を、高精度に調節でき、反応炉に対する輻射熱としてさえ集中させ得るということを意味する。このことは、炎形態のプロセス中で生成されるガスを用いて加熱する場合の解決策と比較して、プロセス中のエネルギー消費量を最小化させ得る。公知の解決策では、ガスを反応炉の加熱に使用するとき、かなりの部分のエネルギーが浪費される。この種の装置には煙突及び他の構造体が必然的に必要であるが、これらは、特定の領域に集中される炎からの強烈な熱のために適度な断熱が行われ得ず、結果的に不均一に分布した熱となる。ガスを有効利用し得る構造体は、極めて複雑になり維持も困難になるであろう。本発明による解決策では、反応炉を回転させる必要がないため、公知の回転型反応炉で常時生じていた密閉上の問題及び熱損失を軽減させる。本発明による解決策は、公知の自動車タイヤ熱分解の解決策に大きな問題を呈していた、プロセスの全体的効率及び最終製品の品質をも向上させる。全体的エネルギー経済の観点からは、ガスを回収及び加圧して、例えば、交通上の使用に好適にすることが、このため、より有益となる。

一部の熱分解蒸気はカーボンの除去との関連で搬送され得ることが、実務で示されている。排出スクリュー中で液化するとき、液体がドライカーボンと混和するので、この凝縮はカーボンの品質を劣化させる。本発明による排出スクリュー構造により、このことが防止され、蒸気が、回収される液体中に制御された仕方で凝縮され得る。

本発明による熱分解プロセスでは、極めて好都合なことに、ガス流量が非常に少ないが、これは圧力が低く、その蓄積が、供給部及びカーボン出口端部でガス排出を生じさせ得るからである。流れが停止すると、反応炉中に凝縮を生じ、それにより効率を低下させ得る。本発明による解決策で、ガスが出口管から出始めると、蒸留系統中に配置された復水器及び他のタブが、低域側の圧力であっても上昇し始めて、全時間にわたり収集を気密封止状態に保つのだが、このことはガスを利用可能にする上で不可欠である。タブ内の液体は、同時に、ガスの圧縮をより容易にする冷却剤としても機能する。液体は、プロセスの復水器系統を通って循環される。

以下に、本発明を、添付図面に関連して実施例を用いて説明する。

本発明による熱分解装置を示す。 熱分解装置の供給部を示す。 熱分解装置の出口部を示す。 熱分解装置の出口部を示す。 熱分解装置のガス捕集器を示す。 熱分解装置の供給部の横断面を示す。 熱分解装置の出口部の横断面を示す。

図１、図２、図３Ａ、図３Ｂ、図４、図５、及び図６は、本発明による熱分解装置１０を示す。図１の熱分解装置１０の供給デバイス２０では、供給材料がビン２１中に注入されるが、この供給材料は、化学反応特質の点でプロセスに最も好適な液体２２を含有している。液体２２は、極めて好都合なことに、例えば、軽質燃料油または水等の、可能な限り不活性な低粘性液体である。ビン２１内では、液体２２のレベルが高いため、液体２２は、例えば、ドレントラップと同様に、ガストラップを形成する。ビン２１と関連して配置されたスクリューコンベヤ用スクリュー２３は、ビン２１から離反する方向に材料を移送し、その材料を反応炉部３０内に生じているプロセス中に転送する。スクリューコンベヤは、長さ及び傾斜が十分で、その底部に溝２４または溝状空間を有しており、この空間に沿って材料と共にかつ／またはスクリュー２３で移送される液体２２がビン２１中に還流し得る。

熱分解装置１０の供給デバイス２０のスクリューコンベヤのスクリュー２３は、モータ２５により回転され、このモータ２５の動作は、スクリューの運動が随時停止されるように作業休止タイマーにより制御される。材料の流れはその後、スクリュー２３が一度に所望長の時間にわたってのみ回転されるように制御され得、それにより少量の材料のみが迅速に前方に移送される。この運動の間、途上の材料は揺れ動かされ、その後コンベヤは暫時停止されて、材料及び／またはスクリュー２３により移送された液体２２が溝に流入して、ビン２１中に還流するのを待つ。その後、スクリューコンベヤは再度始動し、材料移送運動が継続する。スクリューコンベヤのスクリュー２３のねじ部はその端部までは進行しないので、結果的にスクリュー２３により移送された材料は、コンベヤの端部に当たって圧縮される。この材料の圧縮により、材料中に依然混入している可能性のある任意の液体２２が、反応炉３０中に落下し得る前に除去され得る。この液体は溝２４に流入し、その溝を通ってビン２１中に還流する。熱分解装置１０の供給デバイス２０については、図２中に及び図５中のその横断面に、更に詳細に示す。

熱分解装置１０の熱分解反応炉３０は、コンベヤ用スクリュー３２が内側に配置された鋼管３１により形成される。熱分解反応炉３０を加熱する発熱抵抗体３３は、それらの発熱抵抗体３３が鋼管３１の外表面に当接して締結されるように鋼管３１の周囲に配置される。発熱抵抗体３３は、例えば、セラミック製輻射ヒータバンドであり、これらは、ステンレス鋼製の薄板筐体の内側に極めて好都合に配置される。抵抗体出力は、例えば、サイリスタ制御器または半導体リレー等の、ＰＩＤ制御型の制御デバイスにより制御される。ＰＩＤ制御器のセンサ３４、例えば、ＰＴ１００抵抗温度検出器または熱電対型センサ等、は、密封管３６中に配置され、これらの密封管３６は抵抗体間の隙間内に締結され、かつ鋼管３１の内側に配置された反応炉チェンバに接続される。反応炉チェンバを形成する鋼管３１は、例えば、耐熱型工業用ＭＴまたはＨＴの断熱ウールまたはセラミックウール等の、断熱材３５を用いた全体にわたり自身を被覆することにより断熱されている。熱分解装置１０の熱分解反応炉３０については、図３中により詳細に示す。気化した材料及び熱分解ガスは、出口管３７を通って熱分解反応炉３０から、図４中により詳細に示す、凝縮塔４８及びガス捕集器５０に導入される。凝縮塔４８内で凝縮された液体は、管４９を通って捕集タンクに導入される。

熱分解装置１０の熱分解反応炉３０は、密ピッチの排出スクリュー４２によりカーボンが熱分解反応炉３０から排出されるように、出口部４０を用いてドレン排出される。出口部４０の構造については、図３Ｂ中に及び図６のその横断面に、より詳細に示す。排出スクリューは、十分に長くその端部でピッチがより密で、かつケーシング管４３にぴったり当接しているため、この排出スクリューがプロセス中に細粒化したカーボンで充満したとき、酸素はもはや、ケーシング管４３を通って熱分解反応炉３０のチェンバ中に逆行し得ない。排出スクリュー４２はサンドイッチケーシング構造により包囲されるが、この構造は、その芯部に、末端部を除いて、ケーシング管４３を有しており、このケーシング管４３は、頂部で開放され、かつ蒸気を通す構造体４４をその上端部に有している。この排出スクリュー４２上方には、外側ケーシングの一部として、急傾斜の溝付きまたは波形の薄板状、鋼製の捕集天蓋４５が存在し、この捕集天蓋４５は、液冷外側ケーシング４６により冷却される。蒸気は、捕集天蓋４５内に凝縮されて、その内表面に沿ってケーシング管４３と、傾斜コンベヤの底端部とへ流れる。ケーシング管４３の底端部からは、オイルトラップ曲管により形成された管５１が始まり、液体はここを通って捕集系統へ流れる。本発明によれば、スクリューコンベヤ用スクリュー２３がビン２１から少量の液体２２を移送し得るので、収集された液体の一部は、管２６を通って供給デバイス２０のビン２１中に送り戻され得る。

熱分解装置１０の反応炉中に生成されたガスの除去及び捕集は、凝縮塔４８及びガス捕集器５０を用いて行われるが、これらの要素については図４中により詳細に示されている。当該系統の最端部には、塔の後方に、ガス出口管５２がガス捕集器５０中を、タブ５３を上方に全体的に貫通して延在する。タブ５３は、ガスが反応することのない、グリコール等の、液体５４で満たされる。タブ５３の上端部には、出口管が、液体中に沈むとき水トラップ効果を生じるようにＵ字形に下方に曲折し、それによりその方向への酸素のプロセス中への進入をも防止する。別の管５５もまた、タブ５３の底部を通って進入し、下方へ曲折することなく出口管５２と隣接してこれと頂部レベルに関して垂直方向同一高さで終端する。別のタブ５６は、同様の高さだがより狭小であり、タブ５３の内側に管を覆って上下逆に装着されている。このタブ５６は、その底部に、タブ５６を支持してこれが浮遊するように軽量化させる浮上リング５７を備えている。タブの組合せは、上限及び下限スイッチ５８を備えており、この上限及び下限スイッチ５８が、ガス出口圧縮機６０を制御して、他のタブが許容上限点に到達したとき上部タブ５６内に蓄積したガスを他の管５５を通して順次圧力タンク中に吸出す。この吸出が発生したときには、他のタブ５６が下降して、圧縮機が停止して、充填シーケンスは再度開始する。

図５は、図２の線Ｖ−Ｖに沿った供給デバイス２０の横断面を示し、図６は、図３Ａ及び図３Ｂの線ＶＩ−ＶＩに沿った出口部４０の横断面を同様に示す。

熱分解は多くの場合、熱伝導率が不十分な材料、例えば、細断されたゴム、ポリウレタン、干し草、またはバイオカーボン製品中のおがくず等、を処理するために使用されることから、熱伝達距離を、３０ｃｍ未満等、短く維持するのが有利である。したがって、反応炉シリンダの内径が６０ｃｍを超えることは、有利ではない。本発明によれば、数個の並列の熱分解反応炉シリンダを用いて、容量の増大が達成される。

本発明による熱分解装置の供給デバイスでは、供給デバイスを介してプロセス中に空気が進入しないように、供給材料の供給は気密に整えられている。このために、供給デバイスは、液体を収容するエアトラップを有する。最初に、液体がエアトラップに加えられる。使用時に、一部の液体が供給スクリューにより上昇するが、材料の圧縮及び順次の動作により、その液体の大部は供給デバイス中に逆流せしめられる。供給デバイスでのオイル帰還機能、出口デバイスでの凝縮捕集天蓋、及び好都合な反応炉加熱方法により、本発明による熱分解装置の効率は良好である。好都合なことに、生成されるオイル量当たり電気エネルギー必要量は、例えば、約０．５ｋＷｈ／ｌに過ぎない。

必要であれば、液体の援助によりエアトラップを作動状態に維持するために、プロセス中に収集された少量のオイル等の液体は、捕集タンクから供給デバイスに送り戻されて、スクリューと共に存在し得た任意の量の液体に取って代わり得る。エアトラップに要される補充オイル量は、プロセス中に得られるオイルの、例えば、１０％であり得る。

上述の熱分解装置では、スクリューコンベヤを使用して、プロセス中で供給材料の移送及び前進を行った。しかし、スクレーパコンベヤ等の、他の種類のコンベヤも使用し得る。この場合、供給デバイス中に、例えば、スクレーパコンベヤの一部を配置して、スクリューコンベヤを用いた場合と同様のエアトラップを作成することも可能である。

１０ 熱分解装置
２０ 供給デバイス
２１ ビン
２２ 液体
２３ スクリュー
２４ 溝
２５ モータ
２６ 管
３０ 熱分解反応炉
３１ 鋼管
３２ コンベヤ用スクリュー
３３ 発熱抵抗体
３４ センサ
３５ 絶縁
３６ 管
３７ 出口管
４０ 出口部
４２ 排出スクリュー
４３ ケーシング管
４４ ルーフ構造体
４５ 捕集天蓋
４６ ケーシング
４８ 凝縮塔
４９ 管
５０ ガス捕集器
５１ 管
５２ 出口管
５３ タブ
５４ 液体
５５ 管
５６ タブ
５７ 浮上リング
５８ 上限及び下限スイッチ
６０ ガス出口圧縮機

Claims (4)

1. 供給デバイス（２０）、熱分解反応炉（３０）、出口部（４０）及びガス捕集器（５０）を含む、プラスチック及び／またはゴム廃棄物の細断された廃棄材料を処理するための熱分解装置（１０）であって、該熱分解装置（１０）は、連続型であり、
   前記供給デバイス（２０）は、空気が前記熱分解反応炉（３０）中に進入するのを防止するためのエアトラップを形成する液体（２２）中に、少なくとも部分的に配置されたスクリューを備えるスクリューコンベヤ（２３）を含み、
   前記熱分解反応炉（３０）は、前記廃棄材料を移動させるためのスクリューコンベヤ（３２）、及び前記熱分解反応炉（３０）を加熱するための発熱抵抗体（３３）を有し、
   前記出口部（４０）は、排出スクリューを備えるスクリューコンベヤ（４２）、及びカーボンの除去との関連で搬送された蒸気を液化凝縮して回収するために使用される凝縮捕集天蓋（４５）を有し、
   前記供給デバイス（２０）のスクリューコンベヤ（２３）はタイマーを備え、前記廃棄材料と共に移送された液体の少なくとも一部が、前記スクリューコンベヤ（２３）の溝（２４）中に落下して供給ビンに収容された液体中に還流するように、該タイマーは前記スクリューコンベヤ（２３）の回転運動による前記スクリューコンベヤ（２３）の前進運動を順次連続的に始動及び停止させることにより、供給される前記廃棄材料を圧縮するように配設されることを特徴とする熱分解装置（１０）。
2. 熱分解装置（１０）の前記ガス捕集器（５０）は、液体（５４）で満たされたタブ（５３）、及び該タブ（５３）内に上下逆に配置され、且つ、浮上デバイス（５７）を備える別のタブ（５６）を含む捕集部材を有し、前記ガス捕集器（５０）に進入するガスを捕集することを特徴とする、請求項１に記載の熱分解装置（１０）。
3. 前記ガス捕集器（５０）のタブ（５３）は、上限及び下限スイッチ（５８）を備え、浮上デバイス（５７）を備えたタブ（５６）が許容上限に到達したとき、ガス出口圧縮機（６０）が前記浮上デバイス（５７）を備えたタブ（５６）内に蓄積されたガスを圧力タンク中に順次吸引するように、該上限及び下限スイッチ（５８）は、前記ガス捕集器（５０）に接続された前記ガス出口圧縮機（６０）を制御することを特徴とする、請求項２に記載の熱分解装置（１０）。
4. 前記熱分解反応炉（３０）を形成する鋼管（３１）は、断熱されていることを特徴とする、請求項１、２、または３に記載の熱分解装置（１０）。

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