JP6924305B2 - 炉 - Google Patents

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Description

本発明は、炉内で実施される工業プロセス、燃料生成、及びより具体的には、燃料の生
成方法に関する。本発明はさらに、解重合プロセスによって廃プラスチックから燃料を生
成する方法及びそのための装置に関する。炉のための燃料の一部は、このようにして生成
することができ、炉からの廃熱を使用して解重合プロセスを促進することができる。炉は
、再生炉であってもよく、本発明の特定の実施形態では、炉は、ガラス炉であってもよい
燃料は、当然のことながら、高価かつ貴重な商品であり、化石燃料も有限の資源である
。その結果、燃料消費を低減するために工業プロセス及び炉をより効率的にすることに多
くの努力が向けられている。代替的な戦略は、化石燃料のような伝統的な供給源よりも安
価な燃料の代替的な供給源を模索することである。
近年、注目されている選択肢のうちの1つは、廃プラスチックからの燃料の生成である
。大量の廃プラスチックが毎年発生しており、一部はリサイクルされているが、多くは依
然として埋立地に処分されている。特定のタイプのプラスチックのみが広くリサイクルさ
れており、一部の再生プロセスは、プラスチックの形状、または許容され得るプラスチッ
クの汚染の程度に制限を課している。これは、大量の廃プラスチックが埋立地に処分され
ることを意味し、現在リサイクルすることができないこれらの廃プラスチックを、例えば
燃料の生成のために使用するように、より良好に使用することができれば、有利である。
廃プラスチックから燃料を生成する既存の方法では、生成された燃料の一部を、解重合
プロセスを促進するために、すなわち解重合プロセスのエネルギー要件を供給するために
使用する。燃料は貴重であるため、これらの方法の不利点は、それら自身がそれらの出力
の一部を消費し、他の用途に利用可能な量を低減することである。したがって、別のプロ
セスからの廃熱を使用して廃プラスチックを熱分解することが提案されている。
例えば、US6,807,916は、セメントキルンからの廃熱を利用して廃棄材料を
熱分解する方法を開示し、これを実施するためのシステムを記載している。しかしながら
、熱分解システムは、ドラム内でシステムに供給される廃棄材料に制限される。
ガス化によって廃棄材料から燃料を生成することも知られている。ガス化は、有機また
は化石燃料ベースの炭素質材料を可燃性ガスに変換するプロセスである。これは、炭素質
材料を高温または非常に高い温度で制御された量の酸素と反応させることによって達成さ
れるが、燃焼は伴わない。酸素は、空気または蒸気の形態であってもよい。得られる可燃
性ガスは、一酸化炭素、水素、及び二酸化炭素を含有し、「合成ガス(syngass)
」(「合成化ガス(synthetic gas)」の略)と称され得る。発生炉ガスは
、合成ガスの一形態である。
US2011/0107670は、バイオマス及び/または廃棄生成物のような可燃性
固体または液体材料のガス化による可燃性ガスの生成プロセスを開示している。後者には
、使用済みのタイヤ、プラスチック、自動シュレッダの残留物、スラッジ、交換可能な可
燃性材料、または家庭の廃棄物が含まれる。これらの材料は、最初に第1の熱分解操作に
よって油に変換されてもよい。廃棄生成物は、溶融ケイ酸塩浴中でガス化される。
しかしながら、ガス化にはいくつかの不利点がある。例えば、生成ガスは発熱量が低く
、ガス化プロセスはそのような高温(例えば1000℃以上)を必要とするため、排気ガ
ス中に存在する廃熱を、ガス化を促進するために使用することはできない。
したがって、排気ガス中に存在する廃熱を熱源として利用できるように、ガス化ではな
く解重合により廃プラスチックから燃料を生成することが好ましい。しかしながら、工業
プロセスが実施される多くの炉は再生炉であり、すなわち炉は、廃熱回収の手段として再
生器を備えている。これは解重合における廃熱の使用に特に問題を提起し、当然のことな
がら、これらの問題を解決することが望ましいであろう。
廃プラスチックの解重合による燃料生産を再生炉の操作と統合することにより、炉排気
ガスからの廃熱を利用して解重合を促進する方法が、今や見出されている。
本発明は、燃料を燃焼させることによって炉を焼成する方法であって、炉に燃料の供給
を提供することであって、炉に供給され、かつ炉内で燃焼された燃料の一部が、解重合プ
ロセスによって廃プラスチックから生成され、炉からの廃熱が、解重合プロセスを促進す
るために使用され、炉が、廃熱回収用の再生器を備える、提供することと、炉を第1及び
第2の対向する方向において交互に焼成させることであって、焼成方向が、第1の方向と
前記第2の方向との間で周期的に反転する、焼成させることと、焼成方向が反転している
間、炉への燃料の前記供給を一時的に中断することであって、一時的中断の間に生成され
た燃料を収容するための手段が提供される、一時的に中断することと、を含む。
好ましくは、解重合プロセスを促進するのに必要な実質的に全ての熱は、炉から供給さ
れる。
解重合プロセスのエネルギー要件を提供するために、炉からの廃熱を使用することによ
り、燃料生成プロセスの出力の一部を、そのプロセスを駆動するために使用することは、
もはや必要ない。その結果、この燃料は、炉を燃焼させるなどの他の目的のために利用可
能となる。この燃料は一般に高品位であるので、解重合プロセスにおいて燃料の代わりに
廃熱を使用することは明らかに有利であり、それによって、他の目的のために高品位燃料
を節約する。このプロセスにより、さもなければ、埋立地に処分されるような廃プラスチ
ックから、貴重な燃料を回収することができる。これにより、炉からの廃熱が解重合プロ
セスを駆動し、解重合によって生成された燃料が、炉内で消費されるループが形成される
。このループは、効率が高く、操作コストが大幅に削減される。
解重合プロセスを促進するために、比較的少量の他の用途がある炉からの廃熱を使用す
ることは、解重合プロセスによって生成された実質的に全ての燃料が、炉内で燃焼するの
に利用可能であることを意味するので特に有利である。さらに、解重合によって廃プラス
チックから燃料を生成する方法によって典型的に生成された比較的高品位の燃料は、要す
れば、高輝度火炎を生成可能な、その純度及び比較的高い炭素含量のために炉内での燃焼
に特に好適である。
「低品位」または「高品位」燃料への言及は、燃料の品質の広く受け入れられている尺
度である、その発熱量を指す。
解重合プロセスは、炭化水素、プラスチック及び石油地質学の文脈で「分解」とも呼ば
れる熱分解または破壊蒸留のプロセスであってもよい。全ての炭化水素及び他の揮発性材
料が追い出された後に残る固体材料は、チャーとして知られている。チャーの生成及び廃
棄は実際には廃プラスチックをフィードストックとして使用する必然的な結果であり、こ
れについては後で詳しく説明する。
このプロセスのフィードストックとして使用される廃プラスチックは、一般に、家庭及
び商業的供給源からの都市または地方自治体の回収サービス、及び産業廃棄物プラスチッ
クによって回収される廃プラスチックである。廃プラスチックは、ポリエチレン(高密度
及び低密度の両方)、ポリプロピレン、ポリスチレン、ナイロン、ポリ塩化ビニル(PV
C)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(
ABS)及び様々な異なる種類のゴムを含むことができる。しかしながら、PETは過剰
のチャー形成を引き起こし、好ましくはフィードストックの5重量%以下に制限される。
また、PVCは、プラントの腐食を増大させ、環境汚染を引き起こす可能性がある塩化水
素を分解で生成する。好ましくは、フィードストック中のPVCの割合は、5%以下、よ
り好ましくは1%以下に制限される。
ゴムは、許容可能なフィードストック材料であるが、一般に存在する鉄筋線のために、
使用されるタイヤは含まれないことが望ましい。このようなタイヤは、プロセスに供給さ
れる前に細断される必要があり、これは、エネルギー集約的な操作である。また、線は、
シュレッダに損傷を与え、撹拌機の周りを包み込むことがある。
廃プラスチックは、必然的に汚れ、水分、不活性材料を含有する。汚れや不活性材料は
プロセスの出力を低減し、チャーの生成を増加させる。石、レンガ、コンクリートなどの
ものは、装置を塞ぐか、または損傷させる可能性がある。同様に、水分は、解重合プロセ
スの熱効率を低減するだけでなく、生成される燃料のガス部分の発熱量も低減する。水の
存在は、全ての水が蒸発するまで加熱中100℃でフィードストックを保持するので、熱
分解が始まる前に余分なエネルギーが消費される。
したがって、フィードストック中の汚れ及び不活性材料の割合は、10重量%未満、よ
り好ましくは5重量%未満であることが好ましい。同様に、フィードストック中の水分の
割合は10重量%未満、より好ましくは5重量%未満である。しかしながら、過剰な廃熱
は炉から頻繁に得られるので、解重合プロセスに供給する前に、汚れたまたは湿った廃プ
ラスチックを清浄化するための洗浄及び乾燥段階を含むことが可能である。炉からの廃熱
を使用してプラスチックを乾燥させることができる。
フィードストックは、バイオマスを含有することができるが、好ましくは少量成分とし
て存在する。
再生炉、すなわち廃熱回収用再生器を備えた再生炉は、復熱炉のような他の廃熱回収手
段を備えた炉よりも高いレベルの熱回収を達成する。再生炉は、2つ以上の再生器を備え
ていてもよく、それぞれの再生器は耐熱煉瓦のような高サーマルマスの蓄熱媒体を含む。
いずれかの時点で、排気ガスは、一方の再生器を通過して蓄熱媒体に熱を与え、それによ
って後者を加熱し、燃焼空気が、他方の再生器を通過して蓄熱媒体から熱を吸収する。適
切な時間の後、ガス流の方向は、反転され、再生炉は2つの異なる方向、すなわち第1及
び第2の反対方向に交互に焼成される。再生器を通過した後でさえ、排気ガスは依然とし
てかなりの量の廃熱を含有する。
再生炉の異なるレイアウトが可能であり、例えば、炉は、側面ポート炉またはサイドポ
ート炉であってもよい。ポートは、再生器につながる炉壁の開口部である。サイドポート
炉は、炉の側壁に位置するポートを有し、炉が機能する生産ラインに平行な長手方向軸線
を有する略細長いインライン構成を有する。さらに、サイドポート炉が、炉のそれぞれの
側に位置する再生炉を有して、交差燃焼される。
サイドポート炉は端部で焼成され、典型的には、炉の端部壁に互いに隣接して位置する
2つのポートを有する。これにより、火炎が「馬蹄形」の構成で他のポートに向かって湾
曲し、再生器も炉の端部のポートの背後に互いに隣接して位置する。いずれの場合でも、
炉は、燃料が予熱された燃焼空気と適切に混合して所望のタイプの火炎を生成できるよう
に、ポート内に位置するバーナを備えている。
上記タイプの再生炉のいずれも本発明の恩恵を受けることができる。
両方のタイプの再生炉では、熱回収を最大にするために、焼成の方向が規則的に反転さ
れる。反転の間、バーナは遮断され、燃料の供給は一時的に中断される。したがって、反
転中に生じる一時的中断の間に解重合プロセスによって生成された燃料を収容するための
タンク、チャンバまたは容器のような手段を提供することが望ましい。
解重合廃プラスチックによって生成された燃料は、少なくとも70%の炭化水素、好ま
しくは少なくとも80%の炭化水素、より好ましくは少なくとも90%の炭化水素を含有
することができる。低密度ポリエチレンの分解は、プロパン、プロペン、ブタン及び1−
ブテンのかなりの割合を生じるが、ポリプロピレンの分解はプロペン、メチルプロペン及
びペンタンを生じる。生成される他の炭化水素は、典型的にはメタン、エタン、エタン及
び1−ペンテンを含有することができる。したがって、廃プラスチックの解重合によって
生成される燃料の組成は、そのようなプラスチックのガス化によって生成されるガスの組
成とはかなり異なる。
さらに、廃プラスチックを解重合することによって生成される燃料は、10〜100M
J/Nm、好ましくは20〜80MJ/Nm、より好ましくは25〜70MJ/Nm
、最も好ましくは30〜50MJ/Nmの範囲のより低位発熱量(LHV)を有する
ことができる。これらの値は、廃プラスチックのガス化によって生成されたガスよりも顕
著に高い。
油に凝縮すると、燃料は20〜70MJ/kg、好ましくは30〜60MJ/kg、よ
り好ましくは40〜50MJ/kgの発熱量を有することができる。
廃プラスチックの解重合は、ガス化よりも著しく低い温度で実施することもできる。典
型的には、解重合は350℃〜650℃、好ましくは400℃〜450℃で実施される。
燃料は、炉に供給される前に貯蔵されてもよく、または炉に直接、すなわち燃料を貯蔵
することなく供給されてもよい。燃料の一部または全部がガス状態であれば、燃料の蓄積
は、それを凝集することを含むことができる。
多くの炉では、燃焼が起こる前に燃料を着火温度に加熱する必要があるので、炉への燃
料の直接供給が有利である。しかしながら、解重合プロセスからの燃料は、既に炉内で使
用するのに十分な温度であり、燃料を炉に直接供給することにより、燃料の凝縮及び再加
熱が回避されるので、プロセスが単純化され、より大きな効率が達成される。
場合によっては、燃料を炉のより好適なものにするために、分留または触媒作用によっ
て燃料を改質することができる。例えば、特定の分子量を有する部分を、選択することが
できる。また、炭素対水素比の制御が望ましく、より高い比が一般的に好ましい。燃料の
炭素対水素比は、65重量%〜95重量%の範囲であり得る。脂肪族炭化水素に関して、
約85%の炭素対水素比を有する燃料の燃焼は、良好な熱伝達特性を有する高輝度の火炎
を生じる。さらに、火炎によって生成された排気ガスは、水分をほとんど含有しないので
、排気ガス中の水の潜熱の形態で失われる熱量は少なくなる。
解重合プロセスは、炉排気ガスと廃プラスチックとの間で熱交換手段を備える反応器の
ような装置で行うことができる。
炉からの廃熱を含有する排気ガスは、直接または間接的に反応器に供給することができ
る。許容される場合、及び排気ガスが反応器に悪影響を与えない程度に十分に清浄である
場合、例えば、汚染制御プラントを通過した場合には、排気ガスを反応器の熱交換器に直
接供給することができる。しかしながら、排気ガスがこれを行うのに十分に清浄でない場
合、または地元の法律がこれを禁止する場合、例えば、安全上の理由から、安全性または
実用上の考慮から、または排気ガスを反応器に直接供給しないことが推奨されるいずれの
場合にも、二次(間接)熱交換回路が含まれ得る。この場合、排気ガスは、さらなる熱交
換器に供給され、この熱交換器は、排気ガスから熱を取り出し、その熱を、二次回路を介
して反応器に供給する。例えば、二次流体が排気ガス熱交換器と反応器熱交換器との間を
循環することがある。様々な流体を、この目的のために使用することができる。好ましく
は、流体は遊離酸素を含有せず、窒素のような不活性ガスが特に好適である。
解重合プロセスの前に、廃プラスチックを圧縮することが好ましい。当初、様々な異な
る形状及びサイズのプラスチック物品を含む廃棄プラスチックは、ゆるやかに詰め込まれ
、大量の空気を含有する。したがって、廃プラスチックを一定の大きさに細断することが
望ましい。プラスチックから生成された燃料が著しい量の空気を含有する場合、その発熱
量は低減される。燃料が消費されると、トランプガスで燃料が希釈され、大気汚染も増加
する可能性がある。
したがって、廃プラスチックから、できるだけ多くの空気を排出することが望ましい。
これは、部分的には、廃プラスチックを圧縮することによって、部分的には、廃プラスチ
ックを溶融する初期段階で達成される。圧縮手段には、スクリューフィーダまたは油圧ラ
ムなどの真空または機械的手段の使用が含まれる。
好ましくは、解重合プロセスは、不活性雰囲気下で実施される。例えば、窒素パージシ
ステムを設けることができる。解重合中の酸素の存在は、解重合中に生成される炭化水素
の酸化を引き起こし、一酸化炭素または二酸化炭素及び水蒸気を生じ、それによって生成
される燃料の発熱量を低減するので、望ましくない。高レベルの酸素が存在すると、当然
のことながら爆発の危険性がある。
炉は、ガラス工業で使用されるようなガラスを生成するための炉、すなわちガラス炉で
あってもよい。ガラス産業は、コンテナウェア、例えば、テーブルウェア、ファイバーグ
ラス(断熱材と補強材の両方を含む)、照明(チューブ類を含む)、プレスガラス、フラ
ットグラスなどに分けられ得る。これらの工業プロセスのいずれも、本発明の恩恵を受け
る可能性がある。
再生炉は、1250℃以上の燃焼空気予熱温度を達成することができる。これは、約1
600℃またはそれ以上の最大炉温度に寄与する。これらの高温は、高温で少なくとも1
秒の燃焼生成物の滞留時間とともに、燃料の非常に高度の完全燃焼が達成されることを意
味する。これは、排気ガス中の不完全燃焼による汚染物質の危険性を低減するので、廃プ
ラスチックの解重合プロセスを、再生炉と統合することが特に有利である。燃焼生成物の
滞留時間は、火炎の根を形成する燃料と空気が最初に混合してから、燃焼生成物の温度が
1000℃以下に降下するまでの時間と考えられる。
ほとんどのエネルギー集約型産業プロセスでは、火炎から被加熱材料への効果的な熱伝
達が重要である。輻射による熱伝達は、最も効率的なメカニズムであり、輻射熱伝達を高
めるためには高輝度火炎が望ましい。改善された火炎の明るさは、反応器に供給される燃
料または廃プラスチックの混合物の処理を変更することによって達成され得る。例えば、
廃プラスチックは、反応器内でより長い間加熱されるか、または触媒が使用され得るか、
または廃プラスチックが反応器を複数通過するか、もしくは発生した燃料が、分留または
蒸留に供され得る。これらのアプローチの組み合わせも使用することができる。
脂肪族炭化水素は、芳香族化合物よりも大きい輝度火炎を生じさせ、上述したように、
約85重量%の脂肪族分の炭素対水素の比は、特に高輝度火炎を生成するために特に好適
である。
さらなる態様によれば、本発明はまた、燃料を燃焼させることによって焼成される炉と
、解重合プロセスによって廃プラスチックから燃料を生成するためのプラントを提供し、
プラントは燃料を炉に供給し、炉からの排熱が、解重合プロセスを促進させるように使用
され、炉が、排熱回収のための再生器を備え、焼成方向が第1の方向と第2の方向との間
で周期的に反転して、炉が第1及び第2の対向する方向に交互に焼成され、焼成方向の反
転の間に生成された燃料を収容する手段が備えられる。
好ましくは、燃料生成プラントは、分解反応器と、炉からの排熱を分解反応器に供給す
る手段とを備える。
より好ましくは、プラントは、分解反応器で生成された燃料を、分解反応器から炉に供
給する手段を備える。
再生炉からの排気ガス(煙道ガスとしても知られている)中に典型的に利用可能な大量
の廃熱により、廃熱を、最大限に活用するために多段操作を操作することが可能である。
最も熱いところでは、排気ガスを使用して廃プラスチックの解重合を促進することができ
る。しかしながら、このプロセスを終了した後、排気ガスは、相当量の廃熱を依然として
含有しており、他の目的のために、例えば、水蒸気を生成し、プロセスへの供給前または
処理中に廃プラスチックを軟化及び圧縮するために、または湿ったまたは洗浄された廃プ
ラスチックを乾燥させるために、使用することができる。
チャーは、好ましくは、準化学量論的条件下で、キュポラ炉内で加熱することによって
処理される。生成された煙は、再生炉の燃焼空気側に送られ、そこで酸化され、最終的に
炉の汚染制御プラントを通過する。チャーからの溶融金属は、キュポラ炉のタッピング孔
で解放され、例えば、道路建設用の骨材に使用することができる不活性ミネラルスラグが
残る。
本発明は、添付の図面を参照して、以下の非限定的な特定の実施形態によりさらに説明
される。
は、解重合プロセスにより廃プラスチックから燃料を生成するプラントに連結された炉を備える装置を示す概略図であり、そして は、解重合プロセスにより廃プラスチックから燃料を生成するためのプラントの別の実施形態を示す概略図である。
図1を参照すると、図面は、炉と、炉からの廃熱を使用する解重合プロセスによって廃
プラスチックから燃料を生成するプラントと、を備える装置を示す。炉は再生炉であり、
ガラス炉、より具体的にはフロートガラス炉であってもよい。
まず、廃プラスチックから燃料を生成するプラント11について説明する。より簡単に
は、熱分解プラントと称することができる。熱分解される廃プラスチックは、均一な大き
さに細断するなどの初期処理を受ける場合がある。廃プラスチックの供給源、及び燃料が
生成される熱分解反応器の汚染物質に対する感度に依存して、廃プラスチックを洗浄し、
乾燥させ、選別することもできる。しかしながら、これは必然的にコストを増加させるた
め、必要な場合や有益な場合にのみ実施される。
熱分解による解重合は、発生した燃料を希釈するために、空気のようなゼロトランプガ
スで最もよく行われる。トランプガスで燃料を希釈すると、燃料の発熱量が低減し、燃料
が炉内で燃焼したときに発生する大気汚染も増加する。酸素の場合、反応器に十分な量が
存在すると、混合物は火災の危険や爆発の危険を引き起こす可能性がある。したがって、
熱分解プラント11には、不活性ガスパージシステム13が設けられており、このシステ
ムは火災抑制システムとしても機能する。
装置10は、解重合プロセスのための原材料またはフィードストックとして機能する廃
プラスチックを受け取るロックホッパ12を備える。ロックホッパは、空気の進入を防止
するために密封され、不活性ガス(例えば、窒素)パージ13の出口は、ホッパーから、
例えば廃プラスチック内にトラップされた空気から、酸素をパージするために設けられる
。廃プラスチックは、ロックホッパ12から、この実施形態では電気モータ16によって
駆動されるスクリューフィーダ14の形態を取る加熱圧縮装置のような供給装置の入口に
供給される。スクリューフィーダの代替案は、押出フィーダーまたは油圧ラムである。
US6,807,916の開示とは異なり、廃プラスチックは、ドラムまたは他のタイ
プの容器内にある必要はない。むしろ、廃プラスチックは、例えばコンベア(図示せず)
を介して、連続的な流れまたは間欠的な流れのいずれかで、緩い材料として供給されても
よい。供給速度は、ロックホッパ12内の適切なレベルの廃プラスチックを維持するよう
に調整される。
廃プラスチック中のポリマーは、組成に応じて約65℃以上で軟化し始める。これは、
間質空気の脱気によって生じる自然な圧縮につながり、この空気はプラスチックから引き
出され、生成された燃料の発熱量を改善する。スクリューフィーダ14は、廃プラスチッ
クの断片の中から追加の間質空気を排出することによってこのプロセスを支援する。
圧縮は、ローラ、プレッシャプレート、押出機、真空コンベヤ、振動コンベヤ、油圧ラ
ム、または単に重力を介して達成することもできる。いずれの装置または方法を使用して
も、圧縮力は、細断されたプラスチックの粒子間の間質空気を低減させるために印加され
る。ポリマーが約65℃に達すると、重力下でサイズ低減が起こり、熱分解プロセスをい
くつかのステップで、理想的には経済効率のために2つ配置することは可能であるが、縦
続接続を採用することができる。
スクリューフィーダの出口は加熱乾燥脱塩素容器18に接続され、圧縮された廃プラス
チックの装荷をスクリューフィーダによってその容器に供給する。容器18内で、廃プラ
スチックは180℃〜280℃の範囲の温度に加熱され、それを溶融させる。したがって
、容器は溶融したプラスチックを含み、概念的な液体表面が図に示されている。
トラップされた空気及び水分は、廃プラスチックの種類及び汚染度に依存する様々な他
の揮発性物質と同様に、溶融プラスチックから排出される。さらに、PVCまたは他の塩
素もしくは臭素含有プラスチックは、塩素または臭素含有ガスを放して分解し始める。例
えば、塩酸は容器18の蒸気空間に形成されることがあり、したがって、腐食耐性材料で
被覆された耐腐食性高温鋼から構成されるべきである。全ての発生したガスは、オフテイ
ク20及び熱酸化装置25を介して、以下に説明する汚染制御プラントにつながる排気煙
道に管で排気される。
溶融した未溶融廃プラスチックの混合物を撹拌してプラスチック混合物への熱伝達率を
高める。また、廃プラスチックの極めて変動的で多様な品質を考慮すると、撹拌は混合物
の均質性を改善するのに役立つ。したがって、撹拌を行うために、溶融プラスチック内に
延びる撹拌機22が設けられ、混合物を十分に撹拌して乱流を達成することが好ましい。
容器18の安全な動作に関して、安全逃がし弁24が設けられており、これは、容器内
に圧力が過度に蓄積された場合に作動する。窒素パージシステムの一部であってもよい火
災抑制手段26が設けられ、デミスタ27がガス化用の出口への液体の持ち越しを防止す
る。
廃棄プラスチックの中には、金属、土、石などの固形廃棄物や、容器内の温度で溶けな
い他の材料が存在し得る。固体残留物のためのトラップ及び出口28が容器18の底部に
設けられている。
溶融プラスチックは、導管30を介して容器18から出て、加熱分解反応器32に入り
、容器18のように溶融プラスチックで部分的に満たされる。圧力指示器34を加熱導管
30内に設置することができる。分解反応器32では、溶融したプラスチックを300℃
〜650℃、好ましくは400℃〜450℃の範囲の温度に加熱し、それにより、プラス
チックは解重合して炭化水素に分解し、廃プラスチックから燃料を生成する。達成される
実際の温度は、煙道ガス温度及び廃プラスチックの処理量に依存する。
分解反応器で発生した燃料は、非凝縮性の気相と凝縮性の相からなる。非凝縮性気相は
、炭化水素及び窒素または他の汚染物のような室温で気相にある他の種を含む。理論的に
は、これらのガスは、それらの温度を、それらの沸点以下にまで低減するために十分に冷
却された場合、凝縮することができるが、多くの炭化水素及び他の種については、沸点は
0℃より十分低い。したがって、これらのガスを凝縮させることは実際的ではないと考え
られ、非凝縮性気相とみなされる。熱分解される廃プラスチックの性質に応じて、分解反
応器の出力の5%〜40%が非凝縮性気相であり得る。この割合は、必要に応じて分解触
媒を使用することによって変更することができる。例えば、亜クロム酸銅を使用してエチ
レンガスの生成を促進することができる。
反応器32にはまた、熱伝達率を増加させ、熱を装荷を通して分配し、溶融プラスチッ
クを混合するための撹拌器22が設けられている。熱分解が可能な限り完全であることを
確実にするために、かつ熱分解の速度を確実に高めるために、撹拌が望ましい。実際、熱
分解の速度を、撹拌の速度によって部分的に制御することができる。熱分解の速度は、廃
プラスチックの温度及び組成、廃プラスチックへの熱伝達率、及び触媒(使用される場合
)に依存する。分解反応器中の廃プラスチックの滞留時間は、反応器の大きさ及び充填レ
ベルに応じて、約5分〜1.5時間とすることができる。当然のことながら、滞留時間が
長くなるかまたは所望の燃料生成速度が大きいほど、より大きな分解反応器が必要とされ
る。
分解反応器には、安全逃がし弁24、消火剤26、デミスタ27、及びチャーならびに
汚染物質などの固体残留物のためのトラップ及び排出口28がさらに設けられている。安
全逃がし弁24は熱酸化装置25に通じており、これによりガスを酸化し、必要に応じて
廃棄することができる。
解重合プロセスを通して材料を移動させるための通常の駆動力は、最初のモータ式スク
リューフィーダとは別に、重力であるが、しかしながら、ポンプやスクリューは材料を移
動させる代替手段である。
主煙道36は炉から煙突38に排気ガスを運び、煙突の通風を作り出し、排気ガスを高
所で分散させる。主煙道36には、煙突の通風だけでは、汚染制御プラント(後述する)
を通って排気ガスを引き込むのに十分でない場合に使用するために、誘導通風ファン39
が設けられてもよい。したがって、誘導通風ファン39は、汚染制御プラントから生じる
圧力降下を補償する。
スクリューフィーダ14、乾燥脱塩素化容器18及び分解反応器32は全て、炉からの
排気ガスに含有される廃熱によって加熱される。スクリューフィーダ14、乾燥脱塩素化
容器18、分解反応器32のそれぞれには、排気ガスから熱を取り出すための熱交換器が
設けられている。
図に概略的に示される熱交換器は、加熱ジャケット40,42,44であり、排気ガス
は、弁付き管46によってジャケット40,42,44の周りを循環する。スクリューフ
ィーダ14、乾燥脱塩素化容器18及び分解反応器32のための管46は、主煙道36に
逆の順序で接続されているので、排気ガスは先に分解反応器32のジャケット、次に乾燥
脱塩容器18、そしてスクリューフィーダ14の周りを最後に循環する。このようにして
、排気ガスはより高温であり、したがって、それらが、乾燥脱塩素化容器18のジャケッ
トの周りを循環するときよりも、後者のジャケットの周りを循環するときに、分解反応器
32に多くの熱を与える。同様に、排気ガスは、スクリューフィーダ14のジャケットの
周りを循環するとき、比較的低温である。
より洗練された熱交換器、を使用することができ、例えば、それらは、熱が交換され得
る表面積を増加させるためにプレートまたはチューブを使用する。主煙道36及び管46
に示される矢印は、ガスの流れの方向を示す。
分解反応器32には、分解反応器32で生成された熱分解の揮発性生成物、すなわち燃
料がガス状で反応器を出る出口管48が設けられている。出口管48は、別の流量計50
を備えており、熱燃料接合部52に通じており、そこから、高温燃料が、高温燃料供給管
54に沿って炉に供給されるか、燃料を凝縮させて液体にするために凝縮器管58を介し
て凝縮器56を通過する。凝縮器管58は、補助タンク59を介し、制御弁62を介して
低温燃料貯蔵タンク60に続き、液体燃料をタンク60に運ぶ。高温燃料供給管54には
、制御及び隔離弁64を備えている。
分解反応器によって生成された高温のガス燃料は、凝縮性及び非凝縮性留分を含む。非
凝縮性留分は、炭化水素及び室温でガス相にある他の種を含む。これらの種は当然のこと
ながら、十分に冷却すれば凝縮することができるが、その多くは沸点が0℃以下であり、
凝縮は実用的ではない。その結果、非凝縮性留分は液体に凝縮することができず、低温燃
料貯蔵タンク60に貯蔵することができない。ガス貯蔵容器(図示せず)は、必要に応じ
て非凝縮性留分を貯蔵するために設けられてもよい。あるいは、高温燃料の流れを一時的
に中断している間(例えば、再生炉の反転中に)、反応器内の圧力を一時的に上昇させる
ことによって、高温の燃料を分解反応器に単に貯蔵することができる。最後の手段として
、燃料は熱酸化装置25を介して燃焼される。
安全及び公害防止の理由から、熱分解プラントは、臭気制御のための換気フード66で
覆われ、避難の際にガスを捕捉し、フードは、緊急弁67及び消火剤システム68を備え
る。
炉70に移ると、これは耐火材料で作られており、前述のようにガラス炉、特にフロー
トガラス炉であってもよい。この場合、炉は、溶融器72と、溶融器に腰部76によって
接続された作業端部74とを備える。溶融炉72で原材料を溶融させて溶融ガラスを生成
し、これを、腰部76を介して作業端74に矢印Aの方向に流入させる。溶融ガラスは、
作業端74で調整され、次いでフロートバスまたはローリング機のようなガラス形成手段
(図示せず)に通じるカナル部78によって作業端74から出る。
炉70は再生炉であり、矢印Aで示すようにガラスの流れの方向に関して左右として、
2つの再生器である左側再生器80と右側再生器82を備えている。左側再生器80は炉
の左側に位置し、右側の再生器が対応し、炉は矢印Aに平行な中心線に関して対称である
複数の再生器が存在してもよく、及び/または再生器が内部で分割または仕切られても
よい。どのような形式であっても、再生器は、ポートネック84を介して溶融器72に接
続されている。ポートネックは溶融器の上部構造のポートにつながり、「上部構造」とい
う用語は溶融ガラスのレベルより上の耐火構造の部分を指す。それぞれのポートには、燃
焼させるべき燃料、例えば、天然ガス、重油または廃プラスチックからの燃料に好適なバ
ーナ(図示せず)が設けられている。燃料が予熱された燃焼空気と合致する結果、バーナ
は、反対側、すなわち排気側に向かって焼成している炉の側面のバーナから延在する炎8
6を生成する。
再生器は、左側及び右側炉煙道88,89に接続され、それに沿って排気ガスが再生器
から出て燃焼空気がそこに入る。より具体的には、任意の所与の時間において、焼成の方
向に従って、一方の再生器が燃焼空気を予熱し、他方の再生器が排気ガスから熱を吸収し
、反転弁90が燃焼空気及び排気ガスの流れを適切に誘導する。燃焼空気ファン92は、
緊急燃焼空気入口94も設けられている燃焼空気煙道96を介して燃焼空気の供給を供給
する。
焼成の方向が反転する前に特定の炉が一方向に焼成される時間の長さは、再生器のサー
マルマス、耐火物の品質、及びそれらを通る排気ガスの温度及び流速によって決定される
。炉が一方向に長く焼成されると、排気再生器内の耐火物がより高温になり、これは一方
向の焼成時間を制限する。この時間の長さは、通常、ほとんどのガラス炉では15〜30
分である。反転の間、反転弁90が作動して燃焼空気を反対側の炉煙道88に沿って前と
は反対側の再生器に導く。反転弁90も同様に排気ガスの流れの方向を変える。
反転の間、火炎86は消滅し、燃料は燃焼しない。いわゆる「フレームアウト」時間は
、25秒と1分30秒の間、続き得る。熱分解プラントは燃料を連続的に生成するので、
炉への燃料供給が一時的に中断された「フレームアウト」時間中に生成された燃料に対処
するための手段が必要である。
例えば、燃料の生成速度を低減するために、熱分解反応器の撹拌を停止し、発生したガ
スを圧力が上昇する貯蔵容器(図示せず)にそらすことが可能である。さらに、ガス燃料
は、貯蔵容器に送られるガスの量を低減するために、「フレームアウト」期間中に凝縮器
56を通過させることによって凝縮性留分を除去することができる。凝縮した液相燃料は
、その後、熱分解反応器32に戻されてもよいし、液体燃料貯蔵タンク60に送られても
よい。
高温ガス燃料貯蔵容器は、ブロワによって増強され、再生器の反転のいずれかの側の燃
料の作動圧力を増加させ、それによりシステムの機能性を高めることができる。貯蔵容器
は、凝縮物を安全に除去して低温液体燃料貯蔵タンク60に送ることができるように、適
切な大きさで凝縮トラップを備えていなければならない。高温ガス容器内のプラントの誤
動作または高圧中に配備される最終的な手段は、過剰な燃料が安全に燃焼される処理火炎
25である。
熱分解生成物からの凝縮性留分の0〜100%の割合は、冷却され、凝縮され、液体燃
料貯蔵タンク60に送られてもよい。液体燃料貯蔵タンクを直接満たすことができるとい
う利点は、炉の必要量を超えて生成された燃料が、例えば炉の汚染制御プラントがオフラ
インになっているか、または設備の故障のために、熱分解プラントが利用できない期間、
長期間貯蔵することができることである。加えて、インペラのような撹拌手段を液体貯蔵
タンク60内に設置して、燃料を均質化し、ワックスの蓄積物が貯蔵タンクの底部に蓄積
するのを防ぐことができる。あるいは、回転タンクを用いて燃料を撹拌することができる
排気ガスは、反転弁90を通過した後、炉内の圧力を調整するための炉圧力制御弁(図
示せず)が設けられている主排気煙道98に沿って流れる。主排気煙道98は、排気ガス
が汚染制御プラントまたは汚染制御プラントバイパス煙道102に導かれる煙道接合部1
00に通じている。火炎25によって生成された燃焼ガスはまた、この煙道接合部で排気
ガスと合流する。
汚染制御プラントは、典型的には、酸性ガス集塵機104、静電沈殿器106、及び選
択的触媒反応器108を備え、排気ガスは、これらの装置のそれぞれを順次通過する。酸
性ガス集塵機104では、インジェクタ110を介してアルカリが噴射され、排気ガスが
中和される。次いで、排気ガスは静電沈殿器106に送られ、ここで電圧が印加されて塵
埃を沈殿させ、排気ガスから除去する。次に、排気ガスは触媒床112及びアンモニアス
プレー114を備えた選択的触媒反応器108に入り、窒素酸化物ガスNO及びNO
窒素及び水に還元する。
選択的触媒反応器108を出ると、清浄化された排ガスは主煙道36に流入する。汚染
制御プラントバイパス煙道102が設けられており、そのため、何らかの理由で排ガスが
汚染防止プラントを通過できない場合に、排気ガスが代わりにそれを迂回することが可能
である。
熱分解プラントと炉との一体化がどのようにして炉からの廃熱を廃プラスチックの熱分
解を促進するために使用することができるかについて既に記載されている。このような一
体化のさらなる利点は、熱分解プラントによって生成された燃料が炉を焼成させるために
使用され得ることである。好ましくは、高温燃料は、断熱されて痕跡加熱116が提供さ
れる高温燃料供給管54を介して、分解反応器32から炉バーナに直接流れる。燃料の品
質は、燃料品質分析ポイント118で監視され、燃料の流れは、燃料流量制御システム1
20によって調整される。燃料送達管122のシステムは、炉70内のバーナに燃料を送
達する。明確にするために、右側のバーナのみの燃料送達管が示されている。分解反応器
32からの高温燃料の直接使用は、燃料の冷却、貯蔵の必要性を回避し、燃料を燃焼温度
まで再加熱するために必要な顕熱を節約する。
熱分解プラントからの燃料の生成速度が炉によって燃料の消費速度を超えることがある
という事実を考慮して、燃料貯蔵システムも設けられている。これは、低温燃料貯蔵タン
ク60、低温燃料ポンプ124及び低温燃料送達管126を備える。また、低温燃料貯蔵
タンク60に貯蔵された燃料には、燃料品質分析ポイント118及び燃料流量制御システ
ム120が設けられている。貯蔵された燃料は、燃焼される前に再加熱される必要があり
得るので、燃料流量制御システム120は、燃料加熱器を組み込むことができる。炉内の
良好な霧化及び燃焼のための所望の動力学的燃料粘度は18.5センチストーク(18.
5cSt=1.85e−5/秒)であり、これを達成するために燃料温度が調節され
る。必要であれば、冷たい燃料貯蔵タンク60の出口に燃料加熱器を設けて、燃料を圧送
するのに十分な粘度を低減させることもできる。
従来の燃料の燃料送達システムとは別個の廃プラスチックからの高温燃料のための管の
燃料送達システム等を提供することが賢明であり、バックアップが可能である。
提案された本発明のさらなる側面は、生成プロセスにおける凝縮ステップを回避するこ
とによって、炉に直接的に高温燃料を送達することが可能であることである。燃焼プロセ
スの第1段階は、燃料温度を着火温度まで上昇させることであり、この顕熱は、燃料の熱
エネルギーの一部を使用して燃料を自着火温度まで上昇させることができるので、プロセ
スの熱効率を測定する際に考慮する必要がある。熱分解反応器32の最終段階が300℃
と450℃との間で動作するので、ガス状燃料を除去し、バーナのノズルに直接送達する
ことが可能であり、燃料の温度は、遅れからの損失によってのみ減少し、必要な場合は、
加熱された送達配管を追跡することが可能である。
400℃で主炉バーナへの高温燃料の送達は、約3%の正味燃料節約をもたらす可能性
がある。圧力及び温度補正された高温オリフィスプレートを使用して燃料流速を測定する
ことができ、ガスクロマトグラフを使用して燃料の品質、したがって炉に送達される単位
時間当たりのエネルギーを判定することができる。典型的な大型の再生フロートガラス炉
は、燃料の天然ガス相当量5000m/時を消費することがある。
熱分解反応器32から得られた燃料は、炉によって要求されるような分解燃料の生成を
促進するために、分留または触媒作用によって改質されてもよい。反応器から排出された
分解燃料は、液体燃料を第2パスのために反応器に戻すために還流凝縮器を備えることが
でき、それにより低分子量燃料の効率を改善する。さらに、システムは、熱分解燃料が貯
蔵庫に送られるか、または炉によって直ちに消費されるかに応じて、液体留分またはガス
留分のいずれかに適するように、流体分解触媒を備えることができる。
図2は廃プラスチックから燃料を生成するプラントの簡略版を示す。図1に示すものと
比較して、このプラント211の主な違いは、別個の乾燥/脱塩素容器も別個の分解炉も
ないことである。代わりに、乾燥、脱塩素、及び熱分解もしくは分解のステップは全て廃
プラスチック用の供給装置、すなわちスクリューフィーダ内で行われる。スクリューフィ
ーダは、これら全てのステップを実行するための時間とスペースを提供するために、計画
された処理量に対して適切な長さである必要がある。明らかに、スクリューフィーダはま
た、遭遇する可能性のある侵略的な条件、例えば、廃プラスチック中のPVCからの高温
HCl、及び熱分解ステップの間に起こり得る比較的高い温度(約650℃+安全マージ
ン)、に耐えることができる適切な材料から生成する必要がある。しかしながら、前述の
ように、これらの温度はガス化に必要な温度よりも著しく低い。
図1の実施形態の場合と同様に、廃プラスチックはロックホッパ212に供給され、そ
こからプラスチックはスクリューフィーダ214に入る。スクリューフィーダは、それが
消費する電流とその回転速度を測定する手段とを備えた電気モータ216によって動力を
与えられる。スクリューフィーダは、炉の排気ガス(図2には図示せず)、すなわち煙道
ガスによって加熱される。煙道ガスによってスクリューフィーダを加熱する最も簡単な方
法は、スクリューフィーダ214を排気ガス煙道内、例えば、主煙道236内、に位置さ
せることである。このことから、図1の実施形態とのさらなる相違点、すなわち、スクリ
ューフィーダ用の加熱ジャケット関連する配管が不要になる。
温度測定手段218は、図面において「TI」と示され、スクリューフィーダに沿って
設けられている。廃プラスチックは圧縮され、乾燥され、脱塩素され、スクリューフィー
ダで熱分解される。熱分解の揮発性生成物を含む燃料は、出口248を介してスクリュー
フィーダから出て、ノックアウトポット220に入る。出口248には、温度表示TI及
び圧力表示PIが設けられている。
燃料中の最も重い留分の初期凝縮は、ノックアウトポット220に燃料が到着した直後
に起こり、得られた液体は低温燃料貯蔵タンク260に入る。ガスのまま残っている留分
は、冷却水システム222からの冷却水によって冷却される凝縮器256及び257に上
向きに入る。凝縮した燃料は、ノックアウトポット220を通って燃料貯蔵タンク260
に下向きに流れる。燃料貯蔵タンク260及びチャー回収タンク230の両方は、226
で示される安全領域に通じている。
冷却水システム222は従来のものであり、冷却水供給部223から冷却水戻り部22
4まで延びる関連部分のみが示されている。温度インジケータTI、流量計、弁などの標
準的な制御手段が設けられている。
燃料の凝縮性留分の凝縮後、非凝縮性ガスは、貯蔵容器232に再び焼成抑制システム
233が設けられた貯蔵容器232に送られる。容器232の出口は、炉内の燃焼のため
にガスを、管234を介して炉バーナに運ぶ。容器232の出口には、酸素含有量をチェ
ックし、ガスクロマトグラフGCによってガスの組成を分析するためのサンプリング点が
設けられている。
安全上の理由から、また、生成された燃料の発熱量が望ましくない酸化によって劣化し
ないことを確実にするために、プラント211には、焼成抑制システムとしても機能する
、不活性ガスパージシステム213が設けられている。これは本質的には慣例的であるが
、完全性のために簡単に説明する。
窒素の供給源238、例えばシリンダは、適切な弁及び圧力インジケータPIを介して
マニホールド239に窒素を供給し、そこから必要な場所に窒素を運ぶ一連の管240に
分配される。これらの位置は、ロックホッパ212、スクリューフィーダ214、及びチ
ャー回収タンク230の両端を含む。管240には、従来の方法で弁及び流量インジケー
タFIが設けられている。
廃プラスチックの処理量の点でスクリューフィーダの処理能力は、主としてそのサイズ
、主にその直径によって左右される。しかしながら、煙道ガスからスクリューフィーダの
壁を通って内部の廃プラスチックの内部への熱伝達に関する重要なさらなる考慮が存在す
る。混合廃棄プラスチックは、圧縮されても熱伝導性が悪く、使用可能なスクリューフィ
ーダの直径が制限される。したがって、プラントの処理能力を高めるために、複数のスク
リューフィーダが並行して使用される。

Claims (15)

  1. 廃プラスチックの解重合による燃料生産を再生炉の操作と統合する方法であって、
    −前記再生炉に燃料の供給をガス状又は液状で提供することであって、記燃料の一部が、廃プラスチックの解重合により生成され、前記再生炉からの廃熱が、前記解重合を促進するために使用され、前記解重合が、不活性雰囲気下で実施され、
    −前記再生炉が、廃熱回収用の再生器を備える、提供することと、
    −前記再生炉を第1及び第2の対向する方向において交互に焼成させることであって、焼成方向が、前記第1の方向と前記第2の方向との間で周期的に反転する、焼成させることと、
    −前記焼成方向が反転している間、前記再生炉への燃料の前記供給を一時的に中断することであって、前記一時的中断の間に生成された前記燃料を収容するための手段が提供される、一時的に中断することと、を含む、方法。
  2. 前記解重合を促進するために必要な実質的に全ての前記熱が、前記再生炉から供給される、請求項1に記載の方法。
  3. 廃プラスチックから生成された前記燃料が、少なくとも70%、好ましくは80%、より好ましくは90%の炭化水素を含有する、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記燃料は、水素に対する炭素の比が65質量%〜95質量%の範囲である、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
  5. 廃プラスチックから生成された前記燃料が、10〜100MJ/Nm、好ましくは20〜80MJ/Nm、より好ましくは25〜70MJ/Nm、最も好ましくは30〜50MJ/Nmの低位発熱量(LHV)を有する、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記燃料が、350℃〜650℃、好ましくは400℃〜450℃の解重合により廃プラスチックから生成される、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記解重合によって生成された前記燃料が、前記再生炉に供給される前に貯蔵される、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記解重合によって生成された前記燃料が、前記再生炉に直接、すなわち前記燃料を貯蔵することなく供給される、請求項1〜のいずれかに記載の方法。
  9. 前記再生炉内で燃料を燃焼させることにより、前記廃プラスチックの解重合を促進するために使用される廃熱を含有する排気ガスを生成し、前記解重合が、前記再生炉の前記排気ガスと前記廃プラスチックとの間で廃熱を交換する手段を備える反応器で行われる、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記排気ガスが、前記反応器に直接供給される、請求項に記載の方法。
  11. 廃熱が、二次回路を介して前記反応器に供給され、前記排気ガスが、前記二次回路内の熱交換器に供給され、前記熱交換器が、前記排気ガスから熱を取り出し、前記二次回路を介して前記反応器に前記熱を供給する、請求項に記載の方法。
  12. 前記廃プラスチックが、前記解重合に先だって圧縮される、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 廃熱回収用再生器を備え、解重合によって廃プラスチックから燃料を生成するためのプラントと統合した再生炉であって、
    前記プラントは、不活性ガスパージシステムと、溶融プラスチックを含む加熱された乾燥脱塩素容器と、加熱された分解反応器と、前記溶融プラスチックが前記乾燥脱塩素容器から出て前記分解反応器に入るのに用いられる導管とを備え、
    前記プラントが、前記再生炉を焼成させるために燃料をガス状又は液状で前記再生炉に供給し、
    前記再生炉からの廃熱は前記解重合を促進するために使用され、前記再生炉が、第1及び第2の対向する方向において交互に焼成され、焼成方向が、前記第1の方向と前記第2の方向との間で周期的に反転し、前記焼成方向の反転の間に生成された前記燃料を収容するための手段が提供される、再生炉
  14. 熱を前記再生炉から前記加熱された分解反応器に供給する手段を備える、請求項13に記載の再生炉。
  15. 前記加熱された分解反応器で生成された燃料を前再生炉に供給する手段を備える、請求項14に記載の再生炉。
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