JPH1088149A - プラスチックの熱分解方法及び熱分解装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラスチックの熱分解によって、燃料や石油
化学原料として利用価値の高い軽質油を回収する。 【解決手段】 プラスチックの熱分解温度を３００〜４
００℃の範囲に１０分以上維持した後に、３〜２０℃／
分の割合で４５０〜５００℃の範囲の温度まで昇温して
４５０〜５００℃の範囲に維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般廃棄物や産業
廃棄物に大量に含まれるプラスチックの熱分解方法およ
び熱分解装置に係り、特にハロゲン化炭化水素を含有す
る発泡樹脂を含んだ廃プラスチックの分解方法および分
解装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、廃家電製品を処理する際、一般消
費者から廃棄される場合には一般廃棄物として、また事
業者等から廃棄される場合には産業廃棄物として処理さ
れてきた。このように、同じ廃家電製品の処理であっ
て、廃棄元によって対応が異なっていたが、具体的な処
理方法はどちらの場合も埋立処理が主流であった。

【０００３】廃家電製品はその大部分がプラスチックで
あり、例えば冷蔵庫にはプラスチックが約５０％構成材
料として使用されている。プラスチックはそのまま焼却
すると焼却炉を傷めるため、廃家電製品を埋め立てるこ
となく処理するには、プラスチックを分解あるいは再利
用する方法を確立する必要がある。

【０００４】プラスチックを連続油化する方法として、
４００℃に加熱した乾留炉内に投入する方法（特願平３
−８６２８８公報参照）が提案されている。しかし、こ
の方法では、プラスチックを乾留して得られる生成油
は、炭素数が２０より大きい重油成分が中心であるが、
炭素数が２０以下の引火点の低い揮発性に富む成分も含
有されているため、重油として使用することは安全面か
ら望ましくない。しかも、この方法による生成油は、保
存中に一部ワックス化してしまうため、燃料油としてそ
のまま使用することは難しい。

【０００５】また、廃家電製品には発泡ウレタン樹脂が
用いられた製品が数多く含まれており、この発泡ウレタ
ン樹脂の発泡剤として、ＣＦＣ１１やＣＦＣ１２等のハ
ロゲン化炭化水素（フロン）が主として用いられてき
た。このような特定フロンまたは代替フロンを発泡剤と
して含む発泡ウレタン樹脂は、架橋の程度によって軟質
発泡体と硬質発泡体とに分類され、軟質発泡体は自動車
部品や包装容器として、また硬質発泡体は断熱材や吸音
材として冷蔵庫等を含む多様な製品に幅広く使用されて
いる。特に冷蔵庫には発泡用の特定フロンの他に、冷媒
用としても特定フロンが用いられており、さらに冷蔵庫
構成材料量の約半分がプラスチックから成っている。

【０００６】このようなハロゲン化炭化水素を発泡剤と
して含む発泡樹脂を構成材とする廃家電製品を埋め立て
処理すると、次第にＣＦＣ１１やＣＦＣ１２等のフロン
が放出されるため、危険である。このため、このような
発泡ウレタン樹脂を構成材とする廃棄物を、あらかじめ
フロンを効率よく無害化した上で処理することが求めら
れている。

【０００７】発泡ウレタン樹脂中に含まれるハロゲン化
炭化水素の回収方法として、発泡ウレタン樹脂を数十μ
ｍサイズまで微粉砕する方法が提案されている（特願平
５−１４７０３８公報参照）。しかし、この方法では、
ハロゲン化炭化水素が破砕機から外部に漏れ出すのを防
ぐために破砕機を厳重に密閉する必要がある。そのた
め、装置が大型化し、破砕工程も多段階にする必要があ
った。

【０００８】又、冷蔵庫には構成材としてポリ塩化ビニ
ルが約２％使用されている。ポリ塩化ビニルを熱分解す
ると塩化水素が生成されるため、乾留炉および装置配管
の腐食の問題、生成油中に有機塩素化合物が混入する問
題がある。さらに廃棄物中に混入されているプリント配
線基板のハンダに含まれる鉛を塩化鉛に変え飛散させる
問題もあった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、廃家電
製品等の廃プラスチックをリサイクルする上で、フロン
の無害化や、プラスチックの分解によって得られる生成
油の品質の向上、プラスチックの分解に用いる装置や配
管などへの悪影響の軽減といった課題を解決する必要が
あった。

【００１０】本発明の目的は、上記課題を解決し、廃プ
ラスチックの熱分解によって、燃料や石油化学原料とし
て利用価値の高い軽質油を主成分とする生成物を回収す
ることである。

【００１１】又、本発明の他の目的は、フロン等のハロ
ゲン化炭化水素を含んだ発泡樹脂やポリ塩化ビニル等の
ハロゲン含有プラスチックが混入した廃プラスチックの
熱分解により安全かつ効率よく高品質の生成物を回収す
ることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために、廃プラスチックの処理について鋭意
検討した結果、プラスチックを熱分解する過程の温度を
所定の方式に従って制御することによって生成される油
の品質を向上させることができることを見出し、本発明
を成すに至った。

【００１３】本発明に係るプラスチックの熱分解方法
は、熱分解温度を３００〜４００℃の範囲に１０分以上
維持した後に、３〜２０℃／分の割合で４５０〜５００
℃の範囲の温度まで昇温して４５０〜５００℃の範囲に
維持するものである。

【００１４】上記熱分解中に、硫化水素、二臭化二硫黄
及び二硫化炭素から選ばれる硫黄含有ガスが供給され
る。

【００１５】本発明に係るプラスチックの分解装置は、
長手方向に沿って第１の領域、第２の領域及び第３の領
域を有する回転炉と、該回転炉の第１の領域の温度を３
００〜４００℃に、第３の領域の温度を４５０〜５００
℃に設定して第２の領域の温度を前記第１の領域の温度
から前記第３の領域の温度へ温度勾配が生じるように該
回転炉の温度を制御する制御装置と、該回転炉にプラス
チックを供給する供給装置と、プラスチックが該第１の
領域を通過する時間が１０分以上で該第２の領域を通過
する間にプラスチックの温度が３〜２０℃／分の割合で
変化するように供給を制御する供給制御手段とを有す
る。

【００１６】上記構成に従って、３００〜４００℃の温
度において、溶融状態のプラスチックにおいて炭素−炭
素結合の切断が進行し、４５０〜５００℃まで３〜２０
℃／分で昇温して熱分解を行うことにより、燃料や石油
化学原料として有効利用できる炭素数が２０以下の炭化
水素を主成分とする軽質油が回収される。

【００１７】

【発明の実施の形態】プラスチックは、炭素原子が数千
から数万の単位で鎖状に連結した高分子であるが、加熱
処理を施すと炭素−炭素結合がランダムに開裂して、炭
素数１〜４４の炭化水素ガスが生成し、プラスチックか
ら放出される。プラスチックをいきなり５００℃程度の
熱分解炉に投入すると、溶融状態における滞留時間が短
いため、十分に炭素−炭素結合を切断されることなくガ
ス化してしまう。そのため、熱分解によって生成する炭
化水素ガスは、炭素数が２０より大きいのガスが主成分
となるため、冷却して回収した生成油は炭素数が２０よ
り大きいの重油となる。さらに、上記の生成油には炭素
数２０以下の軽質油も一部含まれているため、引火点や
安全面から重油として使用することは難しい。

【００１８】燃料や石油化学原料として利用価値の高い
炭素数２０以下の軽質油を主成分として回収するには、
溶融状態においてプラスチックの炭素−炭素結合を十分
に切断できるように、熱分解炉の加熱温度を適切に制御
する必要がある。本発明においては、図１に範囲Ｔとし
て示すように、プラスチックの温度が３００〜４００℃
の範囲、好ましくは３５０℃に、少なくとも１０分以
上、好ましくは約２０分間維持された後、昇温速度３〜
２０℃／分、好ましくは１０℃／分で４５０〜５００℃
の範囲の温度まで昇温されるように熱分解炉の加熱温度
を制御する。このような温度制御を行うことによって、
動粘度が２０cSt 以下で炭素数が２０以下の成分が９８
％以上を占める生成油が得られる。

【００１９】プラスチックは４５０℃以上の温度で分解
ガス化が進行するため、この温度に達する前にプラスチ
ックの炭素−炭素結合を十分に切断する必要がある。炭
素−炭素結合の切断は３００℃以上で進行し、特に３０
０〜４００℃の範囲では、溶融状態のプラスチック内部
で炭素−炭素結合の切断が進行する。従って、３００〜
４００℃の範囲で温度を維持することによって、分解ガ
ス化温度に加熱した時に低分子量の炭化水素化合物が生
成し易くなる。加熱の初期温度が４００℃を越えると、
得られる熱分解生成物は炭素数２０以上の重質成分が主
となり、動粘度が５００cSt 以上のワックス状のものと
なる。この点に関して、加熱の初期温度が３００℃以下
であってもよいことは明かであり、室温から３００℃の
範囲まで昇温する工程に続いてプラスチックの温度が３
００〜４００℃の範囲に所定時間あればよい。但し、３
００℃まで昇温する時間を長く取ることは、熱分解処理
を連続処理装置を用いて行う場合に装置の長さを長くす
る必要を生じるので、使用する熱分解装置に応じて調整
すべきである。

【００２０】又、溶融状態の温度から分解ガス化の温度
への昇温は、得られる生成物の分子量分布に影響を与
え、急激な温度上昇は生成油の成分分布の幅を広くす
る。従って前述したような昇温速度で分解ガス化温度ま
で加熱温度を上げた後に、分解ガス化温度で完全に熱分
解する。分解ガス化が起こる温度はプラスチックの種類
によって異なるが、４５０℃程度の温度で大概のプラス
チックは熱分解するので、４５０〜５００℃の範囲で少
なくとも２０分程度保持すれば、熱分解は達成される。

【００２１】プラスチックに加熱処理を施す際の熱分解
炉内の雰囲気の酸素濃度は、０〜５％に抑えるのが望ま
しい。酸素濃度を０〜５％に制御することにより、昇温
時間が短縮し、かつ、排ガス中の酸化物の量を低減する
ことができる。また、残渣中の金属の酸化を防ぐことが
できるため、金属の回収リサイクルが容易となり、資源
保護の面から好ましい。

【００２２】更に、熱分解生成物の主成分を炭素数１５
前後の軟質油とするためには、熱分解を促進して軽質化
する触媒として、硫黄含有ガスを熱分解時に供給するの
が好ましい。硫黄含有ガスとしては、硫化水素（Ｈ₂
Ｓ）、二臭化二硫黄（Ｂｒ₂ Ｓ₂ ）、二硫化炭素（ＣＳ
₂ ）等が挙げられる。又、プラスチック中に含まれるポ
リ塩化ビニル（ＰＶＣ）等のハロゲン含有プラスチック
の分解によって生じるハロゲン化水素は、消石灰等のカ
ルシウム類を噴霧することによって熱分解生成物のガス
から中和除去することができる。

【００２３】プラスチックに含まれる発泡ウレタン樹脂
中のフロンガス等のハロゲン化炭化水素は、プラスチッ
クを加熱溶融する間にプラスチックから放出される。こ
れらは、分解触媒及びハロゲン吸着剤を用いて処理す
る。分解触媒としては、Ｃｒ₂Ｏ₃ ／Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｃｒ₂
Ｏ₃ ／ＺｒＯ₃ 、ＷＺｒＯ₂ −ＴｉＯ₂ 等が用いら
れ、ハロゲン吸着剤としては、ＣａＣＯ₃ 、Ｃａ（Ｏ
Ｈ）₂ 、ＣａＯ、活性炭等が挙げられる。

【００２４】上記のプラスチックの熱分解を実施する熱
分解装置を図２に示す。この熱分解装置１は、前述のプ
ラスチックの温度制御の精度を高めるために回転炉（ロ
ータリーキルン）を用いている。

【００２５】詳細には、熱分解装置１は、回転炉３、投
入ホッパー５、投入用二重ダンパ７、投入用プッシャ
９、排出用二重ダンパ１１、酸素濃度制御装置１３、硫
黄含有ガス供給装置１５、カルシウム噴霧装置１７を有
している。

【００２６】温度制御装置１９は、回転炉３の加熱温度
を前段部２１と中間部２３と後段部２５の３つに区分し
て温度制御する。前段部２１は３００〜４００℃に、後
段部２５は４５０〜５００℃に、中間部２３は前段部２
１から後段部２５へ向かって連続的に温度が上昇するよ
うに温度勾配が設けられる。

【００２７】硫黄含有ガス供給装置１５が付設されいる
回転炉３の中間部２３には、硫黄含有ガス濃度センサー
２７が並設され、常時硫黄含有ガス濃度を測定する。こ
の測定値によって硫黄含有ガス供給装置１５の供給量を
制御して中間部２３内の硫黄含有ガス濃度が所定量にな
るように構成されている。

【００２８】回転炉３内でのプラスチックの滞留時間
は、図示を省略した回転炉制御装置により回転数および
回転炉傾斜角度を可変することにより調整する。

【００２９】プラスチック廃棄物は予め破砕機で３００
mm角程度に破砕し、投入ホッパー５より投入する。回転
炉３内へのプラスチック廃棄物の投入は、まず投入用二
重ダンパ７の上段部ホッパを開いて、廃棄物をパージ室
２９に落とし込む。二重ダンパー７の上段ホッパが閉じ
た後に下段ホッパを開き、落とし込まれた廃棄物は投入
用プッシャ９により回転炉３の内部に投入される。この
二重ダンパー７は、炉内への空気の侵入を防ぐことがで
き、２段階の油圧シリンダでマテリアルシールを施す方
式に比べてトラブルが少なく、以下に記載する酸素濃度
の制御も的確に行われる。

【００３０】回転炉３内の酸素濃度は、酸素濃度制御装
置１３によりパージ室２９に供給する窒素ガス流量の調
整により制御する。回転炉３内の酸素濃度は、前段部２
１に付設された酸素濃度センサー３１により常時測定し
ている。酸素濃度が規定値を下回った場合、酸素濃度制
御装置１３により、パージ室２９へ送り込む窒素ガスの
流量が絞られる。逆に回転炉３内の酸素濃度が規定値を
上回る場合は、酸素濃度制御装置１３により供給される
窒素ガス流量は多くなる。これらの制御は、図示を省略
したシステム制御装置を用いて、酸素濃度センサー３１
のデータを基に酸素濃度制御装置１３に制御信号を送っ
て自動制御を行う。

【００３１】プラスチック廃棄物にポリ塩化ビニルが含
まれている場合、加熱処理により塩化水素が発生する。
塩化水素は、回転炉３の内壁だけでなく、ガス配管や附
属する装置を腐食させる。又、塩化水素はプラスチック
の熱分解ガスと反応して有機塩素化合物を生じるため、
生成油中に有機塩素化合物が混入され、燃料や石油化学
原料としての利用に支障をきたす。さらに、プラスチッ
ク廃棄物にプリント配線基板が含まれている場合、プリ
ント配線基板で使用されているハンダ中の鉛が塩化鉛と
なって飛散するため、環境保全の面から好ましくない。
この熱分解装置では、塩化水素濃度センサー３３が回転
炉３の後段部２５に設けられ、回転炉３内の塩化水素濃
度を常時測定し、この測定値に応じてカルシウム噴霧装
置１７から消石灰を噴霧する。回転炉３内で塩化水素を
中和することで、装置の腐食を防止できるだけでなく、
生成油中への有機塩素化合物の混入が低減され、さらに
鉛の飛散を抑えることが出来る。

【００３２】プラスチック廃棄物に混入するフロン含有
発泡樹脂は、回転炉３の前段部２１内で溶融させること
により、大半のフロンはガスとして放出される。フロン
放出後の溶融樹脂は引き続き加熱分解されて、炭化水素
ガスとして排出される。

【００３３】回転炉３の上部は、ガス排出管３５に接続
されている。ガス排出管３５は、ガス凝縮部３７に接続
されている。回転炉３で放出されたフロンガス、およ
び、プラスチックや発泡樹脂の加熱処理で生成した炭化
水素ガスは、ガス排出管３５を通ってガス凝縮部３７に
送られる。

【００３４】ガス凝縮部３７は、３段階の温度でガスを
冷却するため、冷却室Ａ、冷却室Ｂ冷却室Ｃに分かれて
おり、図示を省略したガス温度制御装置により冷却温度
が制御される。例えば、冷却室Ａのガス冷却温度を５０
℃程度、冷却室Ｂのガス冷却温度を４０℃程度、冷却室
Ｃのガス冷却温度を３０℃程度になるように制御する。
冷却室Ａ，Ｂ，Ｃで凝縮した炭化水素は、それぞれ回収
タンク３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃで回収を行う。このよう
に冷却温度を制御することにより、沸点の異なる軽質油
を分別回収することが出来る。

【００３５】フロン含有発泡樹脂から放出されたフロン
ガスは、沸点が２５℃以下のためガス凝縮部１７を通り
抜けて、フロンガスの無害化処理部に送られる。

【００３６】フロンガスの無害化処理部は、フロン分解
触媒およびハロゲン吸着剤を充填した分解触媒槽４１、
水蒸気導入装置４３、および図示を省略した触媒供給部
および触媒排出部を有している。分解触媒槽４１は、ガ
ス凝縮部３７で回収した油を燃料として加熱する加熱装
置によって外部加熱され、例えば５００℃の温度に昇
温、保持される。分解触媒および加熱作用によりフロン
ガスは効率よく分解される。水蒸気は四塩化炭素等の有
害な副生成物の発生を抑制し、なおかつフロンガスの分
解率を向上させる作用を有する。フロンガスの分解によ
り塩化水素ガスやフッ化水素ガス等のハロゲン化水素が
生じるが、触媒と混入したハロゲン吸着剤にトラップさ
せることにより、触媒被毒を防ぐことができ、触媒寿命
を長期化できる。

【００３７】フロンガスの無害化処理部から排出された
排ガス中にハロゲン吸着剤でトラップ出来なかった一部
の塩化水素ガスやフッ化水素等が含まれている場合に備
えて、排ガス処理部としてアルカリ水シャワー塔４５が
接続されており、これによって排ガス中のハロゲン化水
素量は環境基準以下に抑えられる。

【００３８】

【実施例】以下、実験結果に基づき、本発明を更に詳細
に説明する。

【００３９】（実施例１）長さが６ｍのロータリーキル
ンを回転炉３として備えた図２の熱分解装置１を用いて
以下の操作を行った。

【００４０】まず、プラスチック廃棄物（組成：ポリウ
レタン１５％、ポリスチレン５％、ＡＢＳ２０％、ポリ
プロピレン４０％、ポリ塩化ビニル２０％）を破砕機で
３００mm角程度に破砕した。

【００４１】次に、熱分解装置１の回転炉３内のプラス
チックの滞留時間が６０分となるように、回転炉３を、
傾斜角１．４３度、回転数０．７Ｎｒｐｍとなるように
設定し、回転炉３の前段部（長さ２００cm）の加熱温度
を３５０℃、中間部（長さ１５０cm）の加熱温度を４０
０℃、後段部（長さ２５０cm）の加熱温度を５００℃に
設定した。冷却室Ａのガス冷却温度は５０℃、冷却室Ｂ
のガス冷却温度は４０℃、冷却室Ｃのガス冷却温度は３
０℃に設定した。

【００４２】破砕したプラスチック廃棄物を投入ホッパ
ー５より投入して熱分解処理を行った。この間、回転炉
３内の酸素濃度を０．５％に保持するように制御し、硫
黄含有ガスとして硫黄水素を用いて回転炉３内の硫化水
素濃度が０．１％となるように供給量を制御した。又、
塩化水素濃度が５０ppm 以下になるようにカルシウム噴
霧装置１７から消石灰を噴霧した。

【００４３】上記の操作によって回収タンク３９Ａ，３
９Ｂ，３９Ｃで回収された生成物を分析したところ、各
々、回収タンク３９Ａでは炭素数１５をピークとしたＡ
重油と経由との混合物、回収タンク３９Ｂでは経由とガ
ソリンの混合物、回収タンク３９Ｃではガソリン相当の
生成油であった。

【００４４】（比較例１）回転炉の前段部２１の温度を
４００℃に、中間部２３の温度を４５０℃に設定した点
を除いては実施例と同様の操作を繰り返し、回収タンク
３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃで回収された生成物を分析した
ところ、各々、回収タンク３９Ａでは炭素数２０をピー
クとしたＡ重油相当であった。回収タンク３９Ｂ、３９
Ｃは上記と同様であったが、実施例１と比較して油量は
減少し、メタン、エタン、プロピレン等のガス量が増加
した。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、プ
ラスチック廃棄物の熱分解温度を適正に設定することに
より、燃料や石油化学原料として有効利用可能な品質の
生成油を効率よく回収することができ、フロンを発泡剤
等として含む発泡樹脂やハロゲンを含むプラスチックを
処理する際にも、フロンの無害化及びハロゲン化水素の
除去を安全且つ効率よく行える。更に、残渣からの金属
の回収や、有害な鉛化合物の飛散防止ができる。従っ
て、産業上の価値のみならず、地球環境保全の面かにお
ける利点も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラスチックの熱分解処理におけ
る温度制御を説明するための説明図。

【図２】本発明に係るプラスチックの熱分解処理を行う
熱分解装置の一例を示す概略構成図。

【符号の説明】

１ 熱分解装置 ３ 回転炉 ７ 投入用二重ダンパ １３ 酸素濃度制御装置 １５ 硫黄含有ガス供給装置 １７ カルシウム噴霧装置 １９ 温度制御装置 ３７ ガス凝縮部 ４１ 分解触媒槽 ４３ 水蒸気導入装置 ４５ アルカリ水シャワー塔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 主税 神奈川県横浜市磯子区新杉田８番地 株式 会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 手塚 史展 神奈川県横浜市磯子区新杉田８番地 株式 会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 早田 輝信 神奈川県横浜市磯子区新杉田８番地 株式 会社東芝横浜事業所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラスチックを加熱して熱分解する熱分
   解方法であって、熱分解温度を３００〜４００℃の範囲
   に１０分以上維持した後に、３〜２０℃／分の割合で４
   ５０〜５００℃の範囲の温度まで昇温して４５０〜５０
   ０℃の範囲に維持することを特徴とするプラスチックの
   熱分解方法。
2. 【請求項２】 プラスチックの熱分解中に、硫化水素、
   二臭化二硫黄及び二硫化炭素から選ばれる硫黄含有ガス
   が供給されることを特徴とする請求項１記載の熱分解方
   法。
3. 【請求項３】 長手方向に沿って第１の領域、第２の領
   域及び第３の領域を有する回転炉と、該回転炉の第１の
   領域の温度を３００〜４００℃に、第３の領域の温度を
   ４５０〜５００℃に設定して第２の領域の温度を前記第
   １の領域の温度から前記第３の領域の温度へ温度勾配が
   生じるように該回転炉の温度を制御する制御装置と、該
   回転炉にプラスチックを供給する供給装置と、プラスチ
   ックが該第１の領域を通過する時間が１０分以上で該第
   ２の領域を通過する間にプラスチックの温度が３〜２０
   ℃／分の割合で変化するように供給を制御する供給制御
   手段とを有することを特徴とするプラスチックの熱分解
   装置。