JP7067092B2

JP7067092B2 - 廃棄プラスチックの熱分解リサイクル方法

Info

Publication number: JP7067092B2
Application number: JP2018018271A
Authority: JP
Inventors: 翼原田; 克利小島; 恵治松枝; 健一八ケ代; 昭人相良
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2022-05-16
Anticipated expiration: 2038-02-05
Also published as: JP2019135281A

Description

本発明は、コークス炉を用いて廃棄プラスチックを熱分解してリサイクルする方法に関する。

従来、廃棄プラスチックは、そのまま埋め立てたり、破砕又は焼却して埋め立てる方法がとられていた。しかし、これらの廃棄処分方法には、埋め立て地不足や焼却時に発生するダイオキシンによる環境汚染といった問題がある。そのため、近年では、種々の廃棄プラスチックリサイクル技術が実用化されている。なかでも、廃棄プラスチックをコークス炉で乾留する方法は、廃棄プラスチックを大量にリサイクルでき、かつほぼ１００％利材化できることから有効なリサイクル手段として知られている。

例えば特許文献１には、１００～１６０℃で成型したプラスチック粒状化物を石炭と混合し、これをコークス炉にて乾留することにより廃棄プラスチックを再利用する方法が記載されている。しかし、この方法では、プラスチックを大量に混合するとコークス強度が低下することから、プラスチックの質量比率は石炭に対して５％以下とされている。なお、本発明者らの知見では、コークス強度の低下代を数％程度に留めるには、プラスチックの質量比率を石炭に対して１％以下とする必要があり、目標とするコークス強度のレベルによっては、再利用できる量が限られる。

一方、特許文献２には、コークス製造用装入炭をコークス炉へ装入後、前記装入炭上の炉頂空間部に装入口から廃棄プラスチックを装入することにより、コークス強度を低下させずに多量の廃棄プラスチックを処理する方法が記載されている。

特開２００１－４９２６１号公報特開平８－１５７８３４号公報

特許文献２記載の方法は、コークス強度を低下させずに多量の廃棄プラスチックを処理できるが、コークス炉の炭化室で石炭を乾留している間に原料装入蓋を開放して廃棄プラスチックを装入するため、炭化室で発生するガス量が上昇管のガス回収能力を上回らないようにする必要がある。

他方、粘結性の高い粘結炭を使用すれば高強度のコークスを得ることができるが、粘結炭は資源的に枯渇状態にあり、価格も高騰しているため、非微粘結炭を多量に使用することが求められている。そこで、本発明者らは、非微粘結炭の配合割合が高いコークス原料を使用した場合における特許文献２記載の方法の効果について検証した。その結果、特許文献２記載の方法において非微粘結炭の配合割合が高いコークス原料を使用した場合、例えば、廃棄プラスチックの成型物比表面積や装入タイミングによっては、炭化室からのガス発生量が多くなることにより炭化室内の負圧を維持できず、廃棄プラスチックを多量に装入できないという新たな課題に直面した。
これは、廃棄プラスチックが通常のコークス製造用石炭に比べて低温から多量にガスを発生することに加えて、粘結炭に比べて非微粘結炭の単位質量当たりガス発生量が多いことが起因している。また、コークス原料の装入から１時間程度は、原料水分が多量に放出されガス発生量が増加することも起因している。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、非微粘結炭の配合割合が高いコークス原料を使用するコークス炉操業において、多量の廃棄プラスチックをコークス炉に装入して熱分解リサイクルすることが可能な方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、非微粘結炭の配合割合が３０質量％以上のコークス原料をコークス炉の炭化室に装入した後、前記コークス原料上の炉頂空間部に廃棄プラスチックを装入して熱分解リサイクルする方法であって、
成型温度１６０℃以上で事前に円柱状に押出して成型した粒状物からなる廃棄プラスチックを、前記コークス原料装入後、少なくとも１時間経過してから前記炉頂空間部に装入することを特徴としている（但し、前記炉頂空間部への前記廃棄プラスチックの装入は、コークスを釜出しするまでの４時間を除く）。
なお、本発明における「成型温度」は、成型プロセスにおいて廃棄プラスチックが受けた熱履歴中の最高到達温度である。

炭化室に装入したコークス原料上の炉頂空間部に廃棄プラスチックを装入することにより、コークス強度を低下させずに多量の廃棄プラスチックを処理することができる。しかし、非微粘結炭の配合割合が高いコークス原料の場合、粘結炭に比べて非微粘結炭の単位質量当たりガス発生量が多いため、ガスが急激に発生して廃棄プラスチックのリサイクル量が限定される。

そこで、本発明では、炉頂空間部に装入する廃棄プラスチックを事前に高温成型して、廃棄プラスチックに含まれる水分を放出させることにより急激なガス発生を抑制する。具体的には、成型温度１６０℃以上で事前成型した粒状物からなる廃棄プラスチックを炉頂空間部に装入する。
加えて、コークス原料装入後１時間程度は、原料水分が多量に放出されるため、この間における廃棄プラスチックの装入を避け、コークス原料装入後、少なくとも１時間経過してから炉頂空間部に廃棄プラスチックを装入する。

また、本発明に係る廃棄プラスチックの熱分解リサイクル方法では、前記成型温度が２００℃以上であることを好適とする。
当該構成によれば、廃棄プラスチック表面が溶融して比表面積が低下し、廃棄プラスチックの単位質量当たり受熱面積が低減される。これにより、廃棄プラスチック装入時の急激な温度上昇が抑制され、急激なガス発生がさらに抑制される。

本発明に係る廃棄プラスチックの熱分解リサイクル方法では、炉頂空間部に装入する廃棄プラスチックを成型温度１６０℃以上で事前成型して、廃棄プラスチックに含まれる水分の低減を図ると共に、原料水分が多量に放出される時間帯を避けて廃棄プラスチックを装入するので、非微粘結炭の配合割合が高いコークス原料を使用するコークス炉操業において急激なガス発生が抑制され、多量の廃棄プラスチックをリサイクルすることができる。
また、廃棄プラスチックを事前成型する際、成型温度を２００℃以上にすると、廃棄プラスチックの比表面積が低下して受熱面積が低減されるので、急激なガス発生が一層抑制され、さらに多量の廃棄プラスチックをリサイクルすることができる。

本発明の一実施の形態に係る廃棄プラスチックの熱分解リサイクル方法において、コークス炉炭化室内に廃棄プラスチックを装入した状態を示した模式図である。押出し成型機の要部側断面図である。同押出し成型機を構成するダイスプレートの正面図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る廃棄プラスチックの熱分解リサイクル方法の手順について図１を用いて説明する。
本実施の形態では、非微粘結炭の配合割合が高いコークス原料Ｃをコークス炉１０の炭化室１１に装入する。非微粘結炭の配合割合は、装入する全コークス原料Ｃに対して３０質量％以上とする。非微粘結炭の配合割合の上限は特に定めないが、通常、６０質量％程度である。

コークス原料Ｃ装入後、少なくとも１時間経過してから、装入口１３からコークス原料Ｃ上の炉頂空間部１２に廃棄プラスチックＰを装入する。その際、廃棄プラスチックＰは一回で全量装入しても良いが、複数回に分けて装入しても良い。
装入した廃棄プラスチックＰの熱分解に１時間程度要するため、コークス原料Ｃの乾留時間を２０時間と想定すると、廃棄プラスチックＰ装入時期の上限は、コークス原料Ｃ装入後１９時間となる。

廃棄プラスチックＰの装入量は、炭化室１１で発生するガス量が上昇管１４のガス回収能力を上回らない量とする。廃棄プラスチックＰ装入前に、上昇管１４の曲管部１４ａにおける安水（アンモニア水）散布時の圧力を高圧化することにより炭化室１１内の負圧化操作を行っておくと良い。

廃棄プラスチックは、使用後廃棄されたプラスチック製品とその製造過程で発生した屑プラスチックであり、家庭や店舗、事務所などから出る一般系廃棄プラスチックと、プラスチック製品の製造・加工、流通過程から出る産業系廃棄プラスチックに分けられる。
本実施の形態で使用する廃棄プラスチックＰとしては、揮発分が多く多量にガスを発生する合成樹脂が該当する。具体的には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）などである。

本実施の形態では、加熱手段を備える成型機を用いて１６０℃（好ましくは２００℃）以上の成型温度で事前成型した粒状物からなる廃棄プラスチックＰを使用する。
廃棄プラスチックＰを成型温度１６０℃以上で事前成型することで、廃棄プラスチックに含まれる水分が放出されるので、コークス炉１０へ廃棄プラスチックＰを装入した際の急激なガス発生を抑制することができる。
なお、成型温度の上限は特に限定しないが、処理対象物の分解揮発を抑制して、成型機として採用可能な温度は３００℃程度である。

廃棄プラスチックＰの事前成型には、加熱手段を備える押出し成型機などを使用することができる。
図２及び図３に押出し成型機２０の一例を示す。押出し成型機２０は、平行配置された一対のスクリューフィーダ２２と、一対のスクリューフィーダ２２の前端に配置されたダイスプレート２３と、一対のスクリューフィーダ２２を覆うケーシング２１とから概略構成されている。
ダイスプレート２３には、各スクリューフィーダ２２の軸心をそれぞれ中心とする環状の押出し領域２４が形成され、各押出し領域２４は複数の貫通孔２５、２６から構成されている。●印で示された貫通孔２６には棒状ヒータ２７が埋設されて封止され、ダイスプレート２３の周縁部には棒状ヒータ２８が挿入されている。また、ダイスプレート２３に近接するケーシング２１部位はパネルヒータ２９で覆われている。

ケーシング２１の後側に設けられた開口部２１ａからケーシング２１内に廃棄プラスチックが投入されると、ケーシング２１内の廃棄プラスチックは一対のスクリューフィーダ２２によってダイスプレート２３へ圧送される。スクリューフィーダ２２の前側に圧送された廃棄プラスチックは、パネルヒータ２９及び棒状ヒータ２７、２８によって加熱溶融され、貫通孔２５から成型物となって押し出される。貫通孔２５から押し出された成型物は、図示しない切断機により所定の長さに切断される。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、成型機として押出し成型機を例に挙げたが、これらに限定されるものではなく、加熱手段を備える成型機であればよい。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
非微粘結炭は、ＪＩＳＭ８８０１「石炭類－試験方法」に規定されたギーセラープラストメーター法による流動性試験において最高流動度指数が１０ｄｄｐｍ以下であるか、ＪＩＳＭ８８１６「石炭の微細組織成分及び反射率測定方法」に規定された方法で測定したビトリニット平均反射率が１．０以下である石炭を使用した。
また、廃棄プラスチックは、容器包装リサイクル法（容器包装に係る分別収集及び再商品化の促進等に関する法律）に基づいて回収された廃棄プラスチックを使用した。

廃棄プラスチックの事前成型には前述した押出し成型機を用いた。
事前成型時の廃棄プラスチック温度は、押出し領域で最高温度となるようにヒータの出力を調整し、押し出された成型物の温度を放射温度計により測定した。

成型後の廃棄プラスチックの比表面積は、成型温度１２０℃で１０００ｍｍ^２／ｇ、１６０℃で５００ｍｍ^２／ｇ、２００℃で２００ｍｍ^２／ｇであった。
なお、事前成型された廃棄プラスチックの比表面積は以下の手順により決定した。
（１）押出し成型機で事前成型した場合、廃棄プラスチックの成型物（粒状物）は円柱状となる。ダイスプレートに形成された貫通孔の内径を成型物の外径として図面から求め、長さは成型物を実測し、成型物の表面積を算出する。
（２）図面に基づいて算出した成型物の寸法に近い、実物の成型物を５個選択し、それらの質量を測定して平均値を算出し、（１）で算出した表面積を質量の平均値で除して廃棄プラスチックの比表面積とする。

廃棄プラスチックの炭化室への装入は、通常の石炭装入に用いる装入車を使用し、全量１回で装入した。
なお、廃棄プラスチック装入前に安水散布時の圧力を高圧化することにより炭化室内の負圧化操作を行った。

成型後の廃棄プラスチックはコークス工場まで搬送し、装入車へ積み込む直前にサンプリングして廃棄プラスチックに含まれる水分を測定した。１２０℃で成型した廃棄プラスチックの水分は５～７質量％程度であったが、１６０℃以上で成型した廃棄プラスチックの水分は２質量％程度であった。
実施例では廃棄プラスチック成型後、５０℃程度まで水冷しているが、１６０℃以上で成型すると、密な成型物となるので、成型物内部まで水が浸透することなく、表面水分もすぐに乾燥する。そのため、１６０℃以上で成型した廃棄プラスチックでは、水冷時における廃棄プラスチック成型物への水の浸入が抑制され、含水率が低くなっていると考えられる。
なお、成型前の廃棄プラスチックの保有水分は５～７質量％一定とした。

試験結果の一覧を表１に示す。表中、非微粘結炭配合割合は全装入コークス量に対する割合、廃棄プラスチック成型温度は廃棄プラスチック成型時の最高温度、装入時期はコークス原料装入からの経過時間である。

廃棄プラスチックの装入可能量は１質量％刻みで設定し、上昇管の静圧が－４９．０３Ｐａ（－５ｍｍＡｑ）以下となる範囲で装入量が最も多いケースを同表に記載した。
なお、廃棄プラスチックを５質量％以上装入しても上昇管の静圧が－５ｍｍＡｑ以下となるケースも可能であったが、炭化室の幾何学条件（廃棄プラスチックを収納できる空間、発生ガスの通過できる空間の確保）などを勘案して５質量％を上限とし、同表には５質量％以上と記載した。

試験結果は、廃棄プラスチック装入可能量と非微粘結炭配合割合で評価した。具体的には、廃棄プラスチック装入可能量が２質量％未満のケースを×（不可）、廃棄プラスチック装入可能量が２質量％以上かつ非微粘結炭配合割合が３０質量％未満のケースを△（可）、廃棄プラスチック装入可能量が２質量％以上かつ非微粘結炭配合割合が３０質量％以上のケースを○（良）、廃棄プラスチック装入可能量が５質量％以上かつ非微粘結炭配合割合が３０質量％以上のケースを◎（優）とした

同表より以下のことがわかる。
・成型温度１６０℃以上で事前成型した粒状物からなる廃棄プラスチックを、コークス原料装入後、少なくとも１時間経過してから炉頂空間部に装入すれば、非微粘結炭の配合割合が３０質量％以上であっても多量に廃棄プラスチックをリサイクルすることができる（実施例１と比較例１、２の比較、実施例２と比較例３の比較）。
・成型温度１６０℃以上で事前成型した粒状物からなる廃棄プラスチックを、コークス原料装入後、少なくとも１時間経過してから炉頂空間部に装入する場合、廃棄プラスチックの成型温度が高いほど多量に廃棄プラスチックをリサイクルすることができる（実施例１と実施例３の比較、実施例２と実施例４の比較）。
・成型温度１６０℃以上で事前成型した粒状物からなる廃棄プラスチックを、コークス原料装入後、少なくとも１時間経過してから炉頂空間部に装入する場合、廃棄プラスチックの成型温度を高くすることによって、非微粘結炭の配合割合が著しく高くても廃棄プラスチックを多量にリサイクルすることができる（実施例２と実施例４の比較）。
・従来の非微粘結炭の配合割合であれば、廃棄プラスチックの成型温度、廃棄プラスチックの装入時期のいずれかが本発明の要件を満たしていなくても多量に廃棄プラスチックをリサイクルすることができる（従来例１と比較例１の比較、従来例２と比較例２の比較）。

１０：コークス炉、１１：炭化室、１２：炉頂空間部、１３：装入口、１４：上昇管、１４ａ：曲管部、２０：押出し成型機、２１：ケーシング、２１ａ：開口部、２２：スクリューフィーダ、２３：ダイスプレート、２４：押出し領域、２５、２６：貫通孔、２７、２８：棒状ヒータ、２９：パネルヒータ、Ｃ：コークス原料、Ｐ：廃棄プラスチック

Claims

非微粘結炭の配合割合が３０質量％以上のコークス原料をコークス炉の炭化室に装入した後、前記コークス原料上の炉頂空間部に廃棄プラスチックを装入して熱分解リサイクルする方法であって、
成型温度１６０℃以上で事前に円柱状に押出して成型した粒状物からなる廃棄プラスチックを、前記コークス原料装入後、少なくとも１時間経過してから前記炉頂空間部に装入することを特徴とする廃棄プラスチックの熱分解リサイクル方法（但し、前記炉頂空間部への前記廃棄プラスチックの装入は、コークスを釜出しするまでの４時間を除く）。
請求項１記載の廃棄プラスチックの熱分解リサイクル方法において、前記成型温度が２００℃以上であることを特徴とする廃棄プラスチックの熱分解リサイクル方法。