KR20080111499A - 폐플라스틱 성형 방법 및 폐플라스틱 열분해 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐플라스틱을 성형함으로써, 고밀도의 입상물을 제조하는 것을 목적으로 한다. 또한, 이 입상물과 석탄을 혼합하고, 코크스로에서 열분해할 때에, 고강도의 코크스를 제조하는 것도 목적으로 하는 것으로, 저온에서 연화하는 플라스틱인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌을 합계로 50% 이상의 비율로 함유하는 폐플라스틱 원료로서 사용한다. 이 폐플라스틱을 스크류식 압입기에서 노즐로부터 압출하는 성형 방법을 사용하여 성형한다. 본 발명의 방법에서는 성형 장치 내에서, 폐플라스틱을 180 내지 260℃의 온도로 하고, 당해 성형 장치 내의 가스를 흡인한다. 이 조작에 의하여, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌을 용융 상태로 하고, 또한, 플라스틱 내의 가스를 줄인다. 해당 상태로부터, 직경 15 내지 60 ㎜의 노즐로부터 압출하여 압축 성형한 후에, 이것을 절단하고, 절단 후 3초 이내에 수냉 장치에서 냉각한다.

폐플라스틱, 고강도 코크스, 고밀도 입상물

Description

폐플라스틱 성형 방법 및 폐플라스틱 열분해 방법 {METHOD OF MOLDING WASTE PLASTIC AND METHOD OF PYROLYZING WASTE PLASTIC}

본 발명은 플라스틱 가공 공정에서 발생한 플라스틱 부스러기나, 사용을 다한 용기 포장 플라스틱 등의 폐기물인 플라스틱을 고밀도의 입상물로 하는 방법에 관한 것이다. 또한, 리사이클하는 방법으로서, 코크스로에서 건류 처리하고, 연료 가스, 유화물, 코크스를 얻는 방법에 관한 것이다.

종래에는 플라스틱 가공 공정에서 발생한 플라스틱 부스러기나 사용을 다한 플라스틱(이하, 폐플라스틱이라 한다)은 소각하거나, 매립 처분하였다. 그 결과, 소각 처리의 경우에는 노 내에서 고온 연소하기 위하여 소각로가 파손되거나, 혼재하고 있는 염소와 발생한 탄화수소 등의 반응에 의하여 다이옥신을 발생시키는 문제점이 있었다. 또한, 매립 처리에 있어서도, 플라스틱은 부패하지 않고 토양이 고화하지 않기 때문에, 조성지의 이용 가치가 낮다고 하는 문제가 있었다.

그 대책으로서 여러 가지 플라스틱의 리사이클 처리가 실시되고 있다. 예를 들면, 플라스틱의 유화나 가스화가 실시되고 있는데, 그 처리 비용이 비싸다고 하는 문제가 있다. 한편, 플라스틱을 코크스로에서 건류하는 것은 대량의 리사이클이 가능한 경제적인 방법이고, 코크스로에서의 건류에서는 연료 가스, 유화물과 함께 코크스도 회수할 수 있기 때문에, 이용 용도의 다양화의 면에서도 우수한 방법이다.

그 건류 방법은 폐플라스틱을 석탄과 혼합하여, 코크스로 내에 넣고, 약 1200℃에서 건류하는 방법인데, 예를 들면, 일본 공개 특허 공보 소48-34901호에 기재되어 있는 방법이다. 사용하는 플라스틱의 종류에 따라서 다르지만, 사용한 플라스틱의 약 15 내지 20%는 코크스가 되고, 약 25 내지 40%는 유화물이 되고, 약 40%는 코크스로 가스(수소와 메탄을 주성분으로 하는 가스)가 된다. 플라스틱 기인의 코크스는 석탄 기인의 코크스와 혼합한 상태로, 코크스로로부터 배출되고, 고로나 합금철 제조 공정 등에서의 환원제나 연료로서 사용된다.

코크스로에서 플라스틱을 건류하는 방법은 경제적으로 플라스틱을 리사이클하는 방법으로서 유효한 수단이다. 그러나, 플라스틱을 사용하는 방법과 코크스 품질 사이의 관계에 관한 정확한 지식이 없었기 때문에, 제조한 코크스 품질에 문제가 발생하였다. 예를 들면, 일본 공개 특허 공보 평8-157834호에 기재되어 있는 기술을 사용하는 가스나 타르를 많이 회수하는 수단에서는 코크스 품질에 대한 배려가 없고, 플라스틱을 대량으로 혼합하면, 이 조건으로 제조된 코크스 강도가 저하되는 문제가 발생하였다. 또한, 코크스는 고로나 큐폴라 등의 대형 설비에서 사용하기 때문에, 이들 노 내에서의 하중 조건에 견딜 필요가 있어서, 강도가 높은 것이 요구되고 있고, 코크스 강도의 악화는 중요한 품질 문제가 되었다.

가정 등에서 발생하는 사용이 끝난 플라스틱을 리사이클할 때에는, 혼합하는 쓰레기를 분리함으로써 리사이클물로서 사용하지만, 이 경우에는 이물의 혼입이 많 아, 최대 10%나 회분이 혼입되는 문제가 있었다. 그 결과, 성형성이 나쁘고, 입상물의 형상이 나쁘고, 겉보기 비중이 작은 것에 의한 문제가 발생한다.

이 문제를 해결하기 위하여, 일본 공개 특허 공보 2000-372017호에 기재되어 있는 바와 같이, 소정의 크기이고, 또한, 밀도가 높은 폐플라스틱 입상물을 석탄과 혼합하여, 이 혼합물을 건류하는 것이 기재되어 있다. 밀도가 높은 플라스틱 입상물로서 겉보기 밀도가 0.4 내지 0.95 ㎏/리터의 것을 사용하면 좋은 것이 기재되어 있다. 이와 같이, 종래부터 폐플라스틱의 입상물의 밀도를 높이는 방법에 따른 개선이 이루어져 왔다.

이와 같이, 종래 기술의 코크스로에 있어서의 플라스틱의 리사이클에서는 일본 공개 특허 공보 2000-372017호에 기재되어 있는 고밀도의 폐플라스틱 입상물을 석탄과 혼합하여 코크스로에서 사용하는 방법을 사용하여 왔다. 이 방법은 폐플라스틱을 용해시키지 않고 성형하므로, 아무래도 절단면 주변에는 보풀이 일고, 이 부분의 영향으로 부피 밀도(입상물 집단이 점유하는 공간 용적으로, 입상물의 총 질량을 나눈 값)가 저하하거나, 입상물 집단의 흐름이 나쁘다는 문제가 발생하였다. 그 결과, 입상물이 브리징을 일으키고, 저장조로부터 잘라낼 수 없게 되는 문제 등이 있었다. 또한, 보풀이 인 부분이 본체로부터 분리되어, 가루가 많이 발생하는 문제가 있었다.

또한, 일반적인 방법으로 제조된 입상물의 겉보기 밀도(단독 입상물의 질량을 그 용적으로 나눈 값)는 일반적으로 0.6 내지 0.7 g/㎤이며, 최대 0.8 g/㎤ 정도이었다. 또한, 3 내지 5 ㎜의 소경의 노즐을 사용하는 등의 특수한 방법을 사용하더라도 0.95 g/㎤ 이상으로는 할 수 없었다. 이 결과, 고밀도화의 코크스 제조에 대한 양호한 효과도 한도가 있고, 더 고밀도화가 요구되고 있었다.

그 결과, 폐플라스틱 입상물을 고밀도화하는 경우의 이점은 이해되었지만, 반드시 충분한 성과가 얻어지는 것은 아니었다. 따라서, 이러한 문제를 해결하는 새로운 기술이 요구되었다. 본 발명은 상기 문제를 해결하여, 폐플라스틱으로부터 고밀도의 플라스틱 입상물을 제조하고, 이것을 코크스로에서 건류할 때에, 종래법의 결점을 극복하는 새로운 기술이다.

또한, 한편, 일부의 플라스틱 종을 용융 상태로 하여, 이것을 노즐로부터 압출함으로써, 고밀도의 플라스틱 제품을 제조하는 방법도 종래부터 실시되어 왔다. 예를 들면, 일본 공개 특허 공보 평05-77301호와 같이, 플라스틱을 금형 내에 사출 주입하는 방법이 있었다. 이 방법에서는 고밀도의 플라스틱 성형물을 제조할 수 있지만, 금형 내에 용융 플라스틱을 압입하여 제조하기 때문에, 생산 속도가 느리고 비용이 많이 드는 등의 문제가 있어서, 폐플라스틱의 입상물을 제조하는 수단으로서는 부적절하였다. 따라서, 폐플라스틱 처리에 적합한, 생산성이 높고, 또한 염가로 처리할 수 있는 방법이 요구되고 있었다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 내용은 (1) 내지 (9)에 기재되어 있는 바와 같다.

(1) 복수 종의 플라스틱의 혼합물이며, 저온에서 연화하는 플라스틱인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리스티렌으로부터 선택되는 열가소성 수지를 합계로 50% 이상의 비율로 포함하는 폐플라스틱을 원료로서 사용한다. 이 폐플라스틱을 스크류식 압입기로 노즐로부터 압출하는 성형 방법을 이용하여 성형한다. 본 발명의 방법으로는 성형 장치 내에서, 폐플라스틱을 180 내지 260℃의 온도로 한다. 이 상태에서 당해 성형 장치 내의 가스를 흡인한다. 이 조작에 의하여, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌을 용융 상태로 하고, 또한, 플라스틱 내의 가스를 줄인다. 당해 상태로부터, 직경이 15 내지 60 ㎜인 노즐로부터 압출함으로써 압축 성형한다. 이 방법으로 성형하여 입상물을 제조한 후에, 이것을 절단하고, 절단 후 3초 이내에 수냉 장치로 냉각한다. 이 방법으로 제조한 플라스틱 입상물은 내부 공극이 적은 것이고, 또한, 과대한 단일 공극이 없는 내부 공극 형상도 양호한 것이다.

(2) 복수 종의 플라스틱의 혼합물이고, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌을 합계로 50% 이상 포함하는 폐플라스틱으로써, 또한 염소 함유 플라스틱(이하, 염화수지라 한다)을 염소 질량비 환산으로 4 질량% 이하의 비율로 포함하는 폐플라스틱을 원료로서 사용할 때에는, 전술한 (1)의 방법에 있어서도 한층 상태 제어 정밀도가 더 필요하다. 이것은 염화수지로부터 발생하는 염화수소를 적정하게 제어할 필요가 있기 때문에, 감압 조건을 엄밀하게 제어할 필요가 있다. 즉, 전술한 (1)에 기재된 온도 조건에 있어서, 폐플라스틱을 담고 있는 용기 내로부터의 흡인압을 0.1 내지 0.35 기압(절대 압력)으로 감압하고 있는 상태로서, 당해 상태로부터 직경이 15 내지 60 ㎜인 노즐로부터 압출함으로써 압축 성형하여 플라스틱 입상물을 얻어, 코크스로에 적정한 상태의 입상물을 얻는다. 또한, 일반적으로 염소 함유 플라스틱 비율이 염소 환산으로 0.5% 이상 포함되는 경우에는 이 방법을 적용하는 것이 좋다.

(3) 전술한 (1) 또는 (2)에 기재되어 있는 방법에 있어서, 수냉 장치에서, 2초 이내에 표면 온도가 80℃ 이하가 되도록 냉각한다.

(4) 단일 압입 스크류를 가지고, 또한 2 내지 8개의 노즐을 배치하는 성형 장치로서, 노즐 지름의 합계(노즐 지름×개수)를 압입 스크류의 외주 길이의 1/4 이하가 되는 장치를 사용하여, 전술한 (1) 내지 (3)의 어느 하나의 방법으로 폐플라스틱을 성형한다.

(5) 한 쌍의 압입 스크류를 가지고, 또한, 2 내지 8개의 노즐을 배치하는 성형 장치로서, 노즐 지름의 합계(노즐 지름×개수)를 압입 스크류의 외주 길이 합계의 1/6 이하가 되는 장치를 사용하여, 전술한 (1) 내지 (3)의 어느 하나의 방법으로 폐플라스틱을 성형한다.

(6) 표면으로부터 내부로 뚫린 구멍 또는 균열이 없고, 또한, 겉보기 밀도가 0.85 내지 1.1 g/㎤인 플라스틱 입상물을 사용한다. 이 입상물의 용적이 6000 내지 200000 ㎣인 것이 좋다. 이 입상물을 석탄에 점결성이 있는 평균 입자 지름이 5 ㎜ 이하인 석탄에 혼합하고, 당해 혼합물을 코크스로에 공급한다. 코크스로에서 15 내지 24시간의 장시간 건류를 함으로써, 폐플라스틱을 열분해하여, 수소, 메탄을 중심으로 하는 가연성 가스, 탄화수소 화합물인 유화물을 얻는다. 건류 잔분의 탄소는 코크스로서 회수하는 방법이다.

(7) 플라스틱 입상물의 내부에 존재하는 기공의 단독 최대 길이가 그 플라스틱 입상물의 용적의 1/3 승(乘)의 값 이하이며, 또한, 상기 기공의 단독 용적이 이 플라스틱 입상물의 용적의 10% 이하인 플라스틱 입상물을 석탄에 혼합하여 코크스로에서 건류하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 방법이다.

(8) 전술한 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재되어 있는 폐플라스틱의 성형 방법에 의하여 제조한 용적이 6000 내지 200000 ㎣인 입상물을 석탄과 혼합하여, 코크스로에서 건류하는 전술한 (6) 또는 (7)에 기재되어 있는 방법이다.

(9) 전술한 (6) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재되어 있는 방법으로서, 플라스틱 입상물의 석탄에 대한 혼합 비율을 5 질량% 이하로 하는 폐플라스틱 열분해 방법이다.

도 1은 폐플라스틱을 처리하는 설비의 전체 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명을 실시하는 폐플라스틱 성형 장치의 일례를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명을 실시하기 위하여 사용하는 성형 장치로부터 압출된 유동성을 갖는 폐플라스틱의 덩어리를 냉각하는 수냉장치의 도면이다.

도 4는 본 발명에 의하여 제조된 입상물의 내부 구조를 나타내는 도면이다.

도 5는 코크스로의 탄화실의 구조와 내용물을 나타내는 도면이다.

도 6은 다양한 용적의 입상물을 석탄과 혼합한 혼합물로부터 얻은 코크스의 강도와 입상물 혼합 비율의 관계를 조사한 결과를 나타내는 도면이다.

폐플라스틱으로서는 복수 종류의 플라스틱 조각을 혼합한 것을 대상으로 한 다. 원료로서는 가정으로부터 배출되는 용기 포장이나 일용 제품의 폐플라스틱 또는 제품 라인 등에서 배출되는 잡다한 폐플라스틱이 일반적이다. 이들 폐플라스틱은 여러 가지 플라스틱 조각의 혼합물이며, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌의 열연화성 수지를 50 질량% 포함하는 것을 원료로 한다. 다만, 전량이 용융 상태가 되면, 성형시에 격렬한 융착이나 성형체에 큰 기공이 남는 문제 등이 발생하기 때문에, 최대 비율은 90 질량%로 하는 것이 좋다. 또한, 폐플라스틱은 최대 길이가 약 50 ㎜ 이하로 함으로써, 성형 처리가 용이하게 되므로, 파쇄 처리를 실시한 후에, 성형 처리를 하는 것이 좋다.

일반적으로, 폐플라스틱에는 이물이 혼입되어 있기 때문에, 파쇄 전 또는 후에 이물을 제거하는 조작을 실시하는 것이 좋다. 성형시의 밀어내기 특성이 악화되는 것을 방지하는 목적에서 무기물의 혼입량은 5 질량% 이하로 하는 것이 좋다. 다만, 무기물의 혼입량을 0.5 질량% 이하로 하는 것은 현실적으로 곤란하고, 또한, 성형시의 압출 특성에도 영향을 미치지 않기 때문에, 이 이하의 무기물 혼입 비율로 하는 것은 기술적으로 의미가 작다. 따라서, 본 발명에 있어서, 특히 바람직한 무기물의 범위는 0.5 내지 5 질량%의 범위이다.

이들 조작을 실시하는 데 적합한 폐플라스틱 처리 설비의 구성을 도 1에 나타낸다. 원료의 폐플라스틱은 진동 체(1), 자력 선별기(2)로 무기물을 제거한 후에, 파쇄기(3)에서 10 내지 50 ㎜ 이하의 사이즈로 절단된다. 이 절단된 플라스틱 편을 성형 장치(4)에 공급하여 성형한다. 이들을 냉각 장치(5)로 상온까지 냉각하여 입상물을 얻는다.

본 발명을 실시하기 위하여 적정한 성형 장치의 예를 도 2에 나타낸다. 성형 장치(4)에는 공급구(6), 케이싱(7), 압입 스크류(8), 엔드 플레이트(9), 노즐(10), 전기 발열체(11), 모터(12), 진공 펌프(13), 배기 파이프(14) 및 커터(15)로 구성된다. 또한, 압입 스크류(8)는 모터(11)의 회전력에 의하여 플라스틱을 노즐(10)로부터 압출하는 방향으로 회전한다. 폐플라스틱 조각을 공급구(6)로부터 케이싱(7)에 넣는다. 케이싱(7)의 내부에서 압입 스크류(8)에서 폐플라스틱 조각을 압입하여 압축한다. 이 때에 발생하는 마찰 열과 상기 발열체(11)를 사용하여, 폐플라스틱을 180 내지 260℃로 승온한다. 이 온도에서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 열연화성 수지를 용해한다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등이 50 질량% 이상인 것이 좋고, 이 비율 이하에서는 용융 상태의 부분이 적어져, 성형시의 밀착성이 악화되는 문제가 발생한다. 다만, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 비율이 90 질량%를 초과하면 성형 장치의 노즐 저항이 저하하여, 플라스틱을 압축하는 힘이 저하하기 때문에, 좋기로는 90 질량% 이하가 좋다.

성형 장치 내에 있어서의 폐플라스틱의 온도는 180 내지 260℃로 한다. 이 플라스틱의 온도는 플라스틱의 각 성분의 배합율에 따라서 결정하지만, 열연화성 수지의 비율이 높은 경우나, 열연화성 수지 중에서도 저융점의 폴리에틸렌의 배합율이 많은 경우, 180 내지 200℃ 정도의 저온으로 한다. 또한, 열연화성 수지의 비율이 낮은 경우나, 고융점의 폴리프로필렌 등의 배합율이 많은 경우에는 200 내지 260℃ 정도의 고온으로 한다.

상기 온도보다 저온인 경우에는 플라스틱의 점도가 높고, 성형하기 어려우 며, 압축된 플라스틱에 들어간 가스 분이 빠져나가기 힘들어져서, 성형 후의 밀도가 올라가지 않는 문제가 발생한다. 즉, 온도가 180℃ 미만인 경우에는, 예를 들면 저융점의 폴리에틸렌이 많이 존재하고 있더라도, 액상 부분이 적은 상태가 되어, 밀도가 높아지지 않는 문제가 발생한다. 또한, 상기 온도보다 고온인 260℃를 넘는 경우에는 플라스틱의 일부로부터 가스가 발생하고, 유동 상태의 플라스틱 내부에 가스가 너무 많아져, 역시 밀도가 올라가지 않는 원인이 된다. 특히, 260℃를 넘으면, 폴리염화비닐이나 폴리염화비닐렌 등의 염화 수지는 활발하게 염화수소 가스를 발생하는 문제가 있다. 이 염화수소 가스의 발생에 의하여, 입상물이 팽창하여 겉보기 밀도가 높아지지 않는 문제가 발생한다. 또한, 염화수소 가스는 부식성이 높기 때문에, 설비 보전의 관점에서도, 260℃ 이하로 처리하여, 염화수소의 발생을 억제하는 것이 좋다.

이 조건에서는 폐플라스틱은 액상 부분이 50 내지 90%이고, 고체 또는 유동성이 부족한 부분이 10 내지 50%인 상태가 되어, 플라스틱은 전체적으로 유동 상태가 된다. 이 상태에서는 혼재하는 공기가 갇히고, 성형 전의 폐플라스틱에 부착되어 있던 수분이 증발하고, 일부의 플라스틱의 성분이 기화함으로써, 압입 스크류(8)로 반죽한 폐플라스틱 중에 가스가 혼재된다. 이것을 그대로 두면, 절단, 냉각 후의 입상물 중에 내부 기공이 존재하는 결과가 된다. 이 결과, 냉각 후의 입상물의 겉보기 밀도가 저하하는 문제가 발생한다. 이것을 방지하기 위하여, 진공 펌프(13)로 연결된 배기 파이프(14)를 경유하여, 유동 상태의 플라스틱으로부터 가스를 뽑는다. 케이싱(7)의 흡인 압력은 대기압보다 감압한 상태로 하는 것이 좋다. 통상의 처리에 있어서는 이 때의 흡인 압력(절대압)을 0.1 내지 0.5 기압으로 한다. 특히, 염화 비닐 등이 들어가 있는 플라스틱을 처리하는 경우나, 성형 장치 1대당 생산성이 1톤/시 이상의 높은 생산성의 조건에서는 압력을 비교적 낮게 유지할 필요가 있다. 특히, 염소 환산으로 4 질량% 이하의 비율로 염화 수지가 혼합되는 경우에는 0.1 내지 0.35 기압으로 하는 것이 좋다. 유동 상태의 플라스틱은 점도가 높기 때문에, 예를 들면 고온이고 점도가 낮은 경우에도 0.5 기압 이하로 되어 있지 않은 경우에는 가스 누설에 시간이 너무 걸려서, 유동 상태의 플라스틱이 성형 장치 내에 있는 동안에, 가스가 다 빠져나가지 않는다. 그러나, 흡인 압력이 너무 낮아도, 감압에 따른 과잉 가스 발생을 유발하는 문제가 일어나는 경우도 있기 때문에, 흡인 압력은 0.1 기압 이상으로 제어하는 것이 가장 좋다. 또한, 생산성이 높은 조건에서는 온도가 낮은 조건인 180 내지 200℃의 경우에는 플라스틱의 점도가 높기 때문에, 흡인 압력은 0.1 내지 0.2 기압의 범위가 좋다. 또한, 200 내지 260℃에서는 플라스틱의 점도가 비교적 낮기 때문에, 흡인 압력은 0.12 내지 0.35 기압의 범위가 특히 좋다. 온도 변화가 있더라도 겉보기 밀도가 0.9 ㎏/리터 정도 이상의 고밀도의 입상물을 제조하기 위하여 통일하여 압력 관리하는 경우에는 0.1 내지 0.2 기압의 범위가 좋다. 또한, 이 조건은 염화 수지가 염소 환산으로 0.5 질량% 이상인 경우에는 특히 유효하다.

유동 상태의 플라스틱을 노즐(10)로부터 압출한다. 노즐 지름은 15 내지 60 ㎜가 좋다. 15 ㎜ 미만의 노즐 지름의 경우에는 유동 상태의 플라스틱 중의 고체 또는 유동성이 부족한 부분이 노즐과 마찰을 크게 하는 현상이 발생하기 쉽다. 그 결과, 노즐 막힘이 일어나기 쉽다. 또한, 60 ㎜를 초과하는 노즐 지름의 경우에는 유동 상태의 플라스틱의 노즐 내 통과 속도가 너무 커지고, 케이싱 내부에서의 플라스틱의 밀도가 오르지 않는 문제가 생긴다. 이 결과, 겉보기 밀도가 올라가지 않는 문제가 발생한다. 또한, 이 유동 상태의 플라스틱은 점도의 불균일이 크기 때문에, 복수의 노즐로부터 압출되는 경우에는 각 노즐로부터 균등하게 플라스틱을 압출하는데 특수한 조작이 필요하다. 커터(15)는 예각(30도 이하의 것이 좋다)의 날을 갖는 것이 회전하는 형식의 것이 최적이다. 이것은 유동성이 있는 플라스틱을 절단하려면 예리한 날이 필요하기 때문이다.

이에 본 발명자들은 15 내지 60 ㎜의 지름의 노즐을 사용하여 실험을 실시하여, 이하의 결과를 얻었다. 유동 상태의 플라스틱의 분배를 적절히 실시하려면 노즐을 떨어지게 설치하는데, 그 간격은 압입 스크류(8)의 지름에 영향을 받는다. 이 관계를 정량적으로 평가하면, 압입 스크류(8)의 지름과 노즐 지름, 노즐 수에는 적정한 범위가 존재하는 것이 판명되고, 압입 스크류(8)의 지름과 노즐 지름의 노즐 수의 곱과의 비를 갖는 값 이하이면 잘 성형할 수 있다. 또한, 한편 본 발명에 있어서는 유동 상태의 플라스틱의 분배를 균일하게 하기 위하여 8개 이하의 노즐을 설치하는 것이 좋다. 이에 복수, 즉, 2 내지 8개의 노즐을 배치하는 경우에는 노즐 지름의 합계(노즐 지름×개수)는 압입 스크류(8)의 외주 길이의 1/4 이하로 설계하는 것이 유효하다. 또한, 압입 스크류(8)가 한 쌍(2식)으로 구성되는 경우에는 노즐 지름의 합계는 스크류 원주 합계의 1/6 이하인 것이 좋다.

노즐로부터 압출된 플라스틱은 커터(15)에 의하여 절단되고, 길이가 노 즐(10)의 지름의 1 내지 3배인 플라스틱 덩어리를 제조한다. 이 덩어리를 절단한 후 즉시 냉각하여, 상온의 플라스틱 입상물을 제조한다. 냉각 개시가 늦은 경우나 냉각 속도가 낮은 경우에는 덩어리 중에 잔류하는 가스의 팽창에 의하여 입상물이 팽창하는 현상이 발생한다. 이 결과, 본 발명의 목적인 고밀도의 입상물을 제조할 수 없게 된다. 절단 직후의 플라스틱은 아직 유동 상태에 있고, 또한, 내부에 가스가 잔존하고 있는 것이 원인이다. 이에 유동 상태의 플라스틱을 급속히 고체화시킬 필요가 있다. 이 때문에, 절단 후 즉시 냉각을 개시한다. 또한, 냉각 방법도 고냉각 속도를 얻을 수 있는 수냉 방법을 채용한다.

본 발명자들이 절단 후의 유동 상태인 플라스틱의 덩어리를 관찰하였더니, 잔존 가스에 의한 팽창은 2초 이내에 표면으로부터 관찰되는 정도가 되고, 또한, 6 내지 8초가 경과한 시점에서 현저하게 된다. 이것은 이 덩어리는 점도가 높기 때문에, 내부 가스에 의한 팽창 현상에 시간 지연이 있는 것이 이유이다. 적절한 조건이면, 2초 이내에 표면으로부터 2 ㎜의 플라스틱을 충분히 고체화시키는 것이 가능하였다. 조기에 표면에 2 ㎜ 이상의 고화층이 형성되는 경우에는 팽창 현상을 억제할 수 있는 것을 밝혀내고, 절단 후, 3초 이내에 수냉을 개시함으로써, 절단으로부터 6초 이내에 표면으로부터 2 ㎜에 고화층을 만들면 좋다. 이 방법에 의하여, 팽창이 없는 고밀도의 입상물을 제조할 수 있다. 한편, 예를 들면, 50℃ 정도 이하의 물을 유동 상태인 플라스틱 덩어리에 끼얹고, 본 발명자들은 여러 가지 실험을 반복하여, 입상물의 표면 온도를 3초 이내에 80℃ 이하로 할 수 있으면, 이 조건을 달성할 수 있다는 것을 밝혀내었다.

수냉의 구체적 방법으로서는, 덩어리를 수중에 침지시키는 방법, 대량의 유수에 씻는 방법이나, 스프레이수를 스프레이 하는 방법이 좋다. 또한, 상기 조건을 달성하려면 수냉 강도로서 전단면 온도 평균으로 매분 10 내지 60℃의 냉각 속도이면, 충분한 표면 고체화층을 본 발명이 요구하는 시간 내에 형성시킬 수 있다. 이를 위하여 유동 상태의 플라스틱에 대하여, 50℃ 이하의 수중에 침지시키는 50℃ 이하의 물을 살수한다, 또는 65℃ 이하의 매초 1 m 이상의 유수에 침지시키는 등의 방법이 좋다. 예를 들면, 도 3에 나타내는 방법이 있다. 수조(16) 내에 물(17)을 채우고, 그 안에 입상물(18)을 투입한다. 물(17)의 온도는 순환 냉각 방식이나 냉수 보급 등의 방법으로 제어된다. 냉각된 입상물(18)을 컨베이어(19)로 끌어올리고, 이것을 탈수하여 제품으로 한다.

이상의 방법으로 제조한 입상물의 내부 구조를 도 4에 나타낸다. 용융 상태로부터 냉각되었기 때문에 표면(20)은 평활하다. 내부에는 층상의 기공(21)이 존재하지만, 기공의 공간 점유율은 5 내지 15% 정도이다. 또한, 용적의 1/3 승으로 정의되는 값인, 대표 길이가 50 ㎜인 입상물의 경우에는, 기공의 두께는 2 내지 5 ㎜ 정도이다. 이 조건의 입상물이면, 반송 중에 분해하거나 변형되는 경우는 없다. 본 발명자들이 제조 실험에서 얻은 입상물의 겉보기 밀도는 0.85 내지 1.1이었다. 본 발명에 의하면, 정상적으로 이 정도의 겉보기 밀도의 입상물을 제조할 수 있다. 종래법과 비교하면 1.2 내지 1.5배의 고밀도로 되어 있다.

이 입상물을 석탄과 혼합한다. 혼합하는 비율은 석탄에 대해서 5 질량% 이하로 한다. 5 질량%를 넘어 혼합하면, 건류 후에 형성되는 코크스 덩어리에 균열이 많이 발생하고, 고로나 큐폴라에 사용하는 더 고가의 괴상 코크스의 수율이 저하되기 때문이다. 이 현상은 저밀도의 입상물에서도 일어나지만, 이 경우에는 5 질량% 이하에서도 동일한 현상이 일어난다. 본 발명의 방법에 의하여, 제조된 입상물은 고밀도화되기 때문에, 이 현상은 더 일어나기 어려워지는 이점이 있다.

석탄은 5 ㎜ 이하로 분쇄된 점결탄과 일반탄의 혼합물을 사용한다. 혼합 방법으로서는, 소정량의 입상물과 석탄을 가능한 한 균일하게 되도록 혼합한다. 혼합물을 도 5에 나타내는 코크스로에 공급한다. 탄화실(22)에 공급된 혼합물(25)은 양측의 가열실(23)의 열에 의하여, 서서히 고온이 된다. 탄화실 벽(24)의 주위로부터 건류된다. 플라스틱 입상물이 250℃ 이상 정도가 된 시점에서, 열분해 반응이 시작되어, 플라스틱은 수소, 일산화탄소, 메탄, 에탄, 벤젠, 기타 탄화수소의 휘발분이 되어 탄화실(20)의 위로 올라가서 회수관(26)에 의하여 회수된다. 이 후, 이 휘발분은 냉각 후에 탈염소, 탈황 및 기액 분리되고, 가연성 가스와 유화물이 된다. 또한, 탄화실(22)의 내부에 잔류한 탄소분은 최고 1100 내지 1200℃로 가열되어, 석탄 기인의 코크스를 합체된다. 최적의 건류 시간은 18 내지 24시간이다. 또한, 플라스틱 기인의 탄소는 점결성이 없기 때문에, 플라스틱 입상물과 석탄의 계면 부분의 코크스 강도는 낮다. 따라서, 입상물의 혼합 비율이나 성상이 코크스 품질에 영향을 준다.

본 발명자들의 실험에서는 본 발명의 입상물은 이하의 세 가지 점에 특징이 있다. 첫째, 고밀도이기 때문에 동일 질량이어도 석탄 중에서 대석탄의 용적율이 낮은데서 오는 이점이 있다. 둘째, 표면으로부터 내부로 연결되는 기공이나 균열이 없기 때문에, 비축 중이나 석탄에 혼합되었을 때에 내부에 물이 스며들지 않는다. 또한, 셋째, 코크스로의 노 내에 공급되었을 경우에, 온도 상승에 따른 팽창이 적은 이점이 있다. 이들 물성은 코크스 제조 조건을 양호하게 하는 것에 도움이 된다.

먼저, 본 발명의 입상물은 고밀도이기 때문에, 종래법으로 제조된 저밀도의 플라스틱 입상물과 동량의 폐플라스틱을 석탄과 혼합한 경우에도, 계면적이 작은 이점이 있다. 이 때문에, 제조된 코크스의 저강도 부분이 적어도 된다. 도 6에, 다양한 용적의 입상물을 석탄과 혼합한 혼합물로부터 얻은 코크스의 강도와 입상물 혼합 비율의 관계를 조사한 결과를 기재하였다. 또한, 플라스틱 입상물의 밀도는 0.9 내지 1.05 ㎏/리터이었다. 용적이 60OO ㎣ 미만인 경우에는 고밀도 입상물이어도, 폐플라스틱과 석탄의 계면적이 커지는 문제가 있어서, 본 발명의 효과가 작아진다. 한편, 용적이 200000 ㎣를 초과하는 경우에는 폐플라스틱이 열분해되고, 휘발분(가연 가스분과 유화물)이 빠진 후의 공극이 커진다. 이 공극이 큰 경우에는 역시 제조된 코크스의 강도가 낮아지는 문제가 발생한다. 이 임계값이 용적이 200000 ㎣이다. 즉, 입상물의 용적이 6000 내지 200000 ㎣(노즐 지름으로 15 내지 60 ㎜정도)이면, 코크스 강도 저하에 대한 영향은 특히 적다. 또한, 도 6에 기재되어 있는 강도 지수의 의미는 통상 조업으로 제조된 코크스보다 강도 지수가 1% 이상 저하된 경우에는, 고로에서의 사용시에 선철 생산성 저하 등의 영향이 발생한다는 것이다.

입상물의 표면과 내부가 공간에서 연결되지 않은 것, 즉, 표면으로부터 내부 에 관통하는 구멍이나 균열이 없는 것도 중요한 조건이다. 내부의 공극이 외부로 연결되어 있는 경우에는 석탄과 혼합하였을 때에, 석탄 중의 수분이 입상물의 내부로 들어간다. 이 결과, 입상물이 노 내의 고온부에 공급되었을 때에, 입상물 내부의 물이 급속히 증발하고, 입상물 주변의 석탄의 충전 상태가 흐트러지므로, 입상물의 내부에 물이 들어가지 않는 것이, 고강도의 코크스를 제조하는 중요한 조건이다. 이와 같은 현상은 석탄 수분이 4 질량% 이상인 경우에 일어난다.

또한, 입상물이 노 내로 공급되고, 100 내지 200℃로 된 조건에서는 플라스틱이 연화하고, 내부의 공기가 팽창한다. 그 결과, 이 온도에서의 입상물의 용적이 커지고, 실효상의 입상물의 밀도가 저하된다. 이것에 의하여, 본 발명의 취지인 고밀도화한 입상물을 제조하는 것의 효과가 작아지는 문제가 있기 때문에, 내부의 기공(폐기공)의 크기도 제약하면 코크스 제조에 좋은 결과가 나타난다. 그 조건으로서는 폐기공 단독의 최대 길이가 입상물의 대표 길이(용적의 1/3승으로 정의하는 값) 이하이며, 한편, 단독의 용적이 입상물의 10% 이하인 것이 좋다.

실시예 1

표 1에 기재되어 있는 배합의 폐플라스틱(원료 1)을 사용하여, 본 발명의 방법으로, 폐플라스틱 입상물을 제조하고, 이것을 코크스로에서 열분해하였다. 원료 1은 플라스틱 가공 공장의 제조 공정으로부터 회수된 폐플라스틱이고, 폴리에틸렌이 56 질량%, 폴리프로필렌이 13 질량% 포함되는 것이었다. 따라서, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 합계가 69 질량%이었다. 이 폐플라스틱에는 염화비닐 등의 염화수지는 혼입하지 않았다. 또한, 표 1 중의 PE는 폴리에틸렌, PP는 폴리프로필렌, PS 는 폴리스티렌을 의미한다.

이 혼합 플라스틱을 최대 길이 25 ㎜의 조각으로 파쇄하고, 도 2에 기재되는 형식의 단일 압입 스크류이며, 지름 25 ㎜의 노즐 1개가 설치되어 있는 성형 장치에서 처리하였다. 처리 속도는 10톤/시이고, 처리 온도를 180 내지 260℃의 사이를 10℃ 증분으로 설정하였다. 180℃에서는 플라스틱의 유동성이 낮았기 때문에, 흡인 압력(절대 압력)을 0.115 기압으로 하였다. 또한, 흡인 압력은 190℃인 경우에 0.14 기압, 200℃인 경우에 0.155 기압, 210℃인 경우에 0.165 기압, 260℃인 경우에 0.18 기압으로 하였다. 성형 장치 노즐로부터 나온 유동 상태의 플라스틱은 1.5 내지 2.8초에 45 내지 55℃의 유수의 수중에 투입되었다. 이 수류의 홈 폭 250 ㎜에서, 또한, 깊이 150 ㎜이며, 유속은 1.5 m/초이었다. 이 처리에 의하여 얻은 제품(입상물)은 용적이 16000 내지 25000 ㎣이고, 겉보기 밀도는 0.91 내지 1.02 ㎏/리터이었다. 또한, 상세 데이터는 표 2에 나타낸다. 이와 같이, 본 발명의 조업 방법으로 처리하여 얻은 입상물은 고밀도이었다.

본 발명에서 얻은 입상물(제품 1 내지 5)을 코크스로에서 리사이클 처리하였다. 또한, 입상물은 표면이 원활한 상정이며, 또한, 내부에 도달하는 균열이나 기공은 없었다. 폐기공의 최대 길이는 모두 2 내지 10 ㎜이며, 대표 길이의 1/2를 초과하는 것은 없었다. 또한, 단독의 폐기공의 용적도 입상물 용적의 3 내지 7% 이었다. 코크스로에서의 처리 조건으로서는, 입상물의 석탄에 대한 혼합비는 2.3 질량%로서 거의 균일하게 혼합하여 코크스로 탄화실에 공급하였다. 처리 시간 20시간, 처리 온도가 최고 온도시에서 1160℃이었다. 이 결과, 얻은 가연 가스와 유화물의 양은 플라스틱 1톤당 각각 440 ㎏과 350 ㎏이었다. 코크스에는 약 190 ㎏ 전화되어 석탄 기인의 코크스와 혼합하고, 일체화하였다. 이 코크스의 강도 지수는(무첨가 조건) -0.52 내지 -0.78%이었다. 이와 같이, 2.3%로 비교적 대량의 혼합비이더라도, 코크스 강도 저하가 적었다. 또한, 강도 지수란 회전 마모 장치에서, 매분 15 회전의 속도로 150회 회전한 후의 15 ㎜ 이하의 발생율로 나타내고, 폐플라스틱 입상물 무첨가의 값과 비교하였다.

한편, 종래법으로 제조된 입상물은 겉보기 비중이 0.61 g/㎤이었다. 용적이 3OOOO ㎣인 이 입상물을 역시 2.3%의 혼합비로 석탄과 혼합하여 리사이클 처리하였다. 이 입상물에서도 얻은 가연 가스와 유화물의 양은 실시예 1과 동등하였다. 한편, 얻은 코크스의 강도 지수는(무첨가 조건) -1.25%이었다. 이와 같이, 동혼합비에서도 저비중의 입상물에서는 코크스 강도 지수의 저하가 컸다.

실시예 2

표 1에 기재되어 있는 배합의 폐플라스틱(원료 2)을 사용하여, 본 발명의 방법으로, 폐플라스틱 입상물을 제조하고, 이것을 코크스로에서 열분해하였다. 원료 2는 가정으로부터 회수된 용기 포장이나 일용품의 폐플라스틱이고, 폴리에틸렌이 31 질량%, 폴리프로필렌은 18 질량%, 폴리스티렌이 4 질량% 포함되는 것이었다. 따라서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 폴리스티렌의 합계가 53 질량%이었다. 또한, 폴리염화비닐 등의 염화 수지에 포함되는 염소는 2.2 질량%이었다.

이 혼합 플라스틱을 최대 길이 25 ㎜의 조각으로 파쇄하고, 도 2에 기재되는 형식의 단일 압입 스크류이며, 지름 40 ㎜의 노즐 2개가 설치되어 있는 성형 장치에서 처리를 실시하였다. 압입 스크류(8)의 지름은 160 ㎜이며, (노즐 지름)×(노즐 수)=80 ㎜이며, 압입 스크류(8)의 둘레 1/4보다 작은 값이었다. 처리 속도는 1.2톤/시이며, 처리 온도를 200℃이었다. 흡인 압력을 0.21 기압으로 하였다. 성형 장치 노즐로부터 나온 유동 상태의 플라스틱은 1 내지 1.2초에 40℃의 정수의 수중에 투입되었다. 여기의 처리에 의하여 얻은 제품(입상물)은 용적은 140000 ㎣이며, 겉보기 밀도는 0.97이었다.

본 발명으로 얻은, 용적이 140000 ㎣인 입상물을 코크스로에서 리사이클 처리하였다. 처리 조건은 실시예 1과 같다. 석탄과의 혼합비는 2.8 질량%이고, 거의 균일하게 혼합하여 코크스로 탄화실에 공급하였다. 이 처리에서 얻은 코크스 강도 지수는(무첨가 조건) -0.68이고, 코크스 강도 저하가 적었다.

실시예 3

표 1에 기재되어 있는 배합의 폐플라스틱(원료 3)을 사용하여, 본 발명의 방법으로 폐플라스틱 입상물을 제조하여 이를 코크스로에서 열분해하였다. 원료 3은 가정으로부터 회수된 용기 포장이나 일용품의 폐플라스틱이고, 폴리에틸렌이 51 질량%, 폴리프로필렌은 19 질량%, 폴리스티렌이 8 질량% 포함되는 것이었다. 따라서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 폴리스티렌의 합계가 78 질량%이었다.

이 혼합 플라스틱을 최대 길이 50 ㎜의 조각으로 파쇄하고, 도 2에 기재되는 형식이지만, 각각의 직경이 196 ㎜인 한 쌍의 압입 스크류이며, 지름 38 ㎜의 노즐 4개가 설치되어 있는 성형 장치에서 처리를 실시하였다.(노즐 지름)×(노즐 수)=152 ㎜이며, 압입 스크류(8)의 처리 합계의 것 1/6보다 작은 값이었다. 처리 속도는 2.4톤/시이며, 처리 온도는 185℃이었다. 흡인 압력을 마이너스 0.11 기압으로 하였다. 성형 장치 노즐로부터 나온 유동 상태의 플라스틱은 1초에 40℃의 정수의 수중에 투입되었다. 이 때의 처리에 의하여 얻은 제품(입상물)은 용적은 76000 ㎣이며, 겉보기 밀도는 0.99이었다.

본 처리에서 얻은, 용적이 76000 ㎣인 입상물을 코크스로에서 리사이클 처리하였다. 처리 조건은 실시예 1과 같다. 석탄과의 혼합비는 2.8 질량%이며, 거의 균일하게 혼합하여 코크스로 탄화실에 공급하였다. 이 리사이클 처리에서 얻은 코크스의 강도 지수는(무첨가 조건) -0.38%이며, 입자 지름이 큰 경우도 있어서, 특히 코크스 강도 저하가 적었다.

본 발명에 의하면, 고밀도로 분화가 적은 플라스틱 입상물을 경제적으로 제조할 수 있다. 또한, 이상에서 설명한 방법으로 제조한 입상물은 밀도가 종래 기술에 의한 것도 1.2 내지 1.5배 정도 높은 것이므로, 동일한 조건의 리사이클 처리이어도 코크스로에의 첨가 비율을 1.2 내지 1.5배로 하더라도, 코크스로의 제조성을 악화시키지 않고, 코크스로에 있어서의 플라스틱의 리사이클에 유용하다.

Claims (10)

1. 복수 종류의 플라스틱의 혼합물이며, 또한, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌으로부터 선택되는 열가소성 수지를 합계 50 질량% 이상 포함하는 폐플라스틱을 노즐로부터 압출하는 성형 장치 내에서 180 내지 260℃의 온도로 하고, 또한, 장치 내의 가스를 흡인한 상태로부터, 노즐로부터 압출함으로써 압축 성형한 후에, 이를 절단하여 수냉 장치에 넣어서 냉각하여 제조하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 성형 방법.
2. 복수 종류의 플라스틱의 혼합물이며, 또한 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌으로부터 선택되는 열가소성 수지를 합계 50% 이상 포함하는 폐플라스틱을 노즐로부터 압출하는 성형 장치 내에서 180 내지 260℃의 온도로 하고, 또한, 장치 내의 가스를 흡인한 상태로부터 직경이 15 내지 60 ㎜의 노즐로부터 압출함으로써 압축 성형한 후에, 이를 절단하여 3초 이내에 수냉 장치에 넣어 냉각하여 제조하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 성형 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수 종류의 플라스틱이며, 또한, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌으로부터 선택되는 열가소성 수지를 합계로 50% 이상 포함하는 폐플라스틱으로서, 또한 함유 염소 질량으로 5% 이하의 비율로 염소 함유 플라스틱을 포함하고 있는 폐플라스틱을 0.1 내지 0.35 기압으로 감압하고 있는 배 기 장치로 가스 흡인하고, 당해 상태로부터 폐플라스틱을 노즐로부터 압출함으로써 압축 성형하고, 이를 냉각 장치에 넣어 냉각하여 제조하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 성형 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 노즐로부터 압출된 전부 또는 일부가 용융되어 있는 폐플라스틱 덩어리를 수냉 장치에서, 수냉을 개시하고 나서 2초 이내에 표면 온도를 80℃ 이하로 냉각하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 성형 방법.
5. 단일의 압입 스크류를 구비하고, 또한 2 내지 8개의 노즐을 배치하는 성형 장치로서, 노즐 지름의 합계(노즐 지름×개수)를 압입 스크류의 외주 길이의 1/4 이하가 되는 장치를 사용하여, 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 기재된 방법으로 폐플라스틱을 성형하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 성형 방법.
6. 한 쌍의 압입 스크류를 구비하고, 또한 2 내지 8개의 노즐을 배치하는 성형 장치로서, 노즐 지름의 합계(노즐 지름×개수)를 압입 스크류의 외주 길이 합계의 1/6 이하가 되는 장치를 사용하여, 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 기재된 방법으로 폐플라스틱을 성형하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 성형 방법.
7. 표면으로부터 내부로 뚫린 구멍 또는 균열이 없고, 또한, 겉보기 밀도가 0.85 내지 1.1 g/㎤이며, 체적이 6000 내지 20OOOO ㎣인 플라스틱 입상물을 석탄에 혼합하여 코크스로에서 건류하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 열분해 방법.
8. 제7항에 있어서, 플라스틱 입상물의 내부에 존재하는 기공의 단독의 최대 길이가 이 플라스틱 입상물의 용적의 1/3승의 값 이하이며, 또한, 이 기공의 단독 용적이 이 플라스틱 입상물의 용적의 10% 이하인, 플라스틱 입상물을 석탄에 혼합하여 코크스로에서 건류하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 열분해 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 기재된 성형 방법으로 제조된 플라스틱 입상물을 석탄에 혼합하여 코크스로에서 건류하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 열분해 방법.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 플라스틱 입상물의 석탄에 대한 혼합 비율을 5 질량% 이하로 하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 방법.

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