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課題

管型の反応器に付着する炭化物量をより高い精度で検出すること。

構成

反応器2の出口部2bから排出する分解ガス凝縮器7で冷却して生成油を得るようにした熱分解方法において、前記凝縮器7で得られる生成油の流量を測定し、その流量から反応器2の内部に付着する炭化物量を検出することを特徴とする。

概要

背景

工場家庭から排出されるプラスチック類廃プラスチック)にはポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのオレフィン系樹脂ポリスチレン(PS)やアクリルブタジエンスチレン共重合体(ABS)などのスチレン系樹脂など種々のものがある。これら廃プラスチックから有用成分を資源として回収するために酸素不存在下で熱分解し、生成したガス状分解生成物(以下、単に分解ガスという)を凝縮器で冷却し、凝縮によって得られた生成油燃料油として回収する方法が一般に採用されている。

また、凝縮器で得られた生成油をさらに蒸留装置蒸留し、高純度モノマーとして回収する方法も採用されており、このような高純度のモノマーは品質の高いプラスチック原料やその他の化学原料として利用できるので価値の高い資源回収方法といえる。特にスチレン系樹脂は廃プラスチックとして大量に排出されるので、それを熱分解してスチレンモノマーとして回収する技術は商業的な面からも重要なものである。

一般にプラスチックを熱分解するためには熱分解装置が使用され、その熱分解装置を構成する反応器としては槽型と管型がある。
槽型の反応器は底部が円錐形に形成された槽本体を有し、その上方にプラスチックの投入部と分解ガスを排出する排出部、底部に熱分解により発生する熱分解残渣を排出するための残渣排出部をそれぞれ設けて構成される。そして槽本体の周囲に断熱壁により構成した加熱部が配置される。槽型の反応器は槽本体におけるプラスチックの滞留時間を長くとれるので、ある程度の滞留時間を必要とするバッチ式運転に適しているが、場合によっては連続運転も可能である。

管型の反応器は耐熱性および高い伝熱性を有する細長ステンレス管などの金属管により構成され、その周囲に加熱部が配置される。反応器の一端に設けた入口部から供給された溶融プラスチックは、反応器の内部を通過する間に周囲から加熱されて熱分解し、生成する分解ガスが他端に設けた出口部から排出する。
管型の反応器は容積当たりの伝熱面積が大きく小型で熱分解速度が速いという利点があり、連続運転に適している。特にポリスチレンを熱分解する場合には高温且つ高速で熱分解できる管型の反応器を使用することが望ましい。

管型の反応器で熱分解すると分解残渣が発生するが、その大部分は分解ガスと共に出口部に排出される。そこで出口部に残渣トラップを設けて分解残渣を定期的もしくは随時に外部に排出できるように構成されている。管型の反応器には内部の分解残渣を排出する回転スクリューを設けたタイプと、それを設けないタイプの2種存在する。管型の反応器を長時間連続運転すると、分解残渣が炭化することにより生成したコーキングと呼ばれる炭化物が反応器の内部に次第に付着してくるが、一般的には回転スクリューを設けたタイプより設けないタイプのほうが炭化物の付着速度は速いという傾向がある。

概要

管型の反応器に付着する炭化物量をより高い精度で検出すること。 反応器2の出口部2bから排出する分解ガスを凝縮器7で冷却して生成油を得るようにした熱分解方法において、前記凝縮器7で得られる生成油の流量を測定し、その流量から反応器2の内部に付着する炭化物量を検出することを特徴とする。

目的

しかし付着する炭化物量は運転時間以外に原料プラスチックの種類や性状反応温度反応圧力等によっても左右される。したがって運転時間だけで付着する炭化物量の正確な検出は困難である。そのため安全サイドから短い運転時間の経過ごとに清掃を繰り返すことが多く、それが連続運転における装置効率の低下の原因になっていた。そこで本発明は管型の反応器に付着する炭化物量をより高い精度で検出することを課題とし、そのための新しい熱分解方法およびその装置を提供することを目的とする。

効果

実績

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請求項1

細長い管型の反応器2の入口部2aから溶融プラスチックを供給し、反応器2の周囲からの加熱により溶融プラスチックを熱分解し、反応器2の出口部2bから排出する分解ガス凝縮器7で冷却して生成油を得るようにした熱分解方法において、前記凝縮器7で得られる生成油の流量を測定し、その流量から反応器2の内部に付着する炭化物量を検出することを特徴とするプラスチックの熱分解方法。

請求項2

請求項1において、前記炭化物量が予め定めた量を超えたとき、反応器2の熱分解運転中止し、反応器2の内部に付着した炭化物を反応器2から排出することを特徴とするプラスチックの熱分解方法。

請求項3

細長い管型の反応器2と、その反応器2を周囲から加熱する加熱部3と、反応器2の入口部2aに溶融プラスチックを供給する供給装置4と、反応器2の出口部2bから排出する分解ガスを冷却する凝縮器7を備えたプラスチックの熱分解装置において、前記凝縮器7に接続された生成油の排出配管13と、その排出配管13に設けた生成油の流量検出手段9を備え、前記流量検出手段9は反応器2の内部に付着する炭化物量の検出用であることを特徴とするプラスチックの熱分解装置。

技術分野

0001

本発明は廃プラスチックなどのプラスチック類酸素不存在下に加熱して連続的に熱分解し、ガス状分解生成物凝縮器で冷却して生成油を得るようにした熱分解方法、およびその装置に関する。

背景技術

0002

工場家庭から排出されるプラスチック類(廃プラスチック)にはポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのオレフィン系樹脂ポリスチレン(PS)やアクリルブタジエンスチレン共重合体(ABS)などのスチレン系樹脂など種々のものがある。これら廃プラスチックから有用成分を資源として回収するために酸素不存在下で熱分解し、生成したガス状の分解生成物(以下、単に分解ガスという)を凝縮器で冷却し、凝縮によって得られた生成油を燃料油として回収する方法が一般に採用されている。

0003

また、凝縮器で得られた生成油をさらに蒸留装置蒸留し、高純度モノマーとして回収する方法も採用されており、このような高純度のモノマーは品質の高いプラスチック原料やその他の化学原料として利用できるので価値の高い資源回収方法といえる。特にスチレン系樹脂は廃プラスチックとして大量に排出されるので、それを熱分解してスチレンモノマーとして回収する技術は商業的な面からも重要なものである。

0004

一般にプラスチックを熱分解するためには熱分解装置が使用され、その熱分解装置を構成する反応器としては槽型と管型がある。
槽型の反応器は底部が円錐形に形成された槽本体を有し、その上方にプラスチックの投入部と分解ガスを排出する排出部、底部に熱分解により発生する熱分解残渣を排出するための残渣排出部をそれぞれ設けて構成される。そして槽本体の周囲に断熱壁により構成した加熱部が配置される。槽型の反応器は槽本体におけるプラスチックの滞留時間を長くとれるので、ある程度の滞留時間を必要とするバッチ式運転に適しているが、場合によっては連続運転も可能である。

0005

管型の反応器は耐熱性および高い伝熱性を有する細長ステンレス管などの金属管により構成され、その周囲に加熱部が配置される。反応器の一端に設けた入口部から供給された溶融プラスチックは、反応器の内部を通過する間に周囲から加熱されて熱分解し、生成する分解ガスが他端に設けた出口部から排出する。
管型の反応器は容積当たりの伝熱面積が大きく小型で熱分解速度が速いという利点があり、連続運転に適している。特にポリスチレンを熱分解する場合には高温且つ高速で熱分解できる管型の反応器を使用することが望ましい。

0006

管型の反応器で熱分解すると分解残渣が発生するが、その大部分は分解ガスと共に出口部に排出される。そこで出口部に残渣トラップを設けて分解残渣を定期的もしくは随時に外部に排出できるように構成されている。管型の反応器には内部の分解残渣を排出する回転スクリューを設けたタイプと、それを設けないタイプの2種存在する。管型の反応器を長時間連続運転すると、分解残渣が炭化することにより生成したコーキングと呼ばれる炭化物が反応器の内部に次第に付着してくるが、一般的には回転スクリューを設けたタイプより設けないタイプのほうが炭化物の付着速度は速いという傾向がある。

発明が解決しようとする課題

0007

管型の反応器の内部に付着する炭化物量が次第に多くなる(すなわち炭化物層の厚さが成長する)と、加熱部から反応器への伝熱効率が低下し、それによって熱分解効率も低下してくる。さらに炭化物量が極端に多くなると反応器が閉塞現象を起こして運転不能になる。

0008

管型の反応器の内部に付着する炭化物量は主に運転時間に比例する。そこで従来から管型の反応器を連続運転する場合には、付着する炭化物量を運転時間から予測し、所定の運転時間を経過するごとに運転を中止して内部に付着した炭化物を清掃していた。

0009

しかし付着する炭化物量は運転時間以外に原料プラスチックの種類や性状反応温度反応圧力等によっても左右される。したがって運転時間だけで付着する炭化物量の正確な検出は困難である。そのため安全サイドから短い運転時間の経過ごとに清掃を繰り返すことが多く、それが連続運転における装置効率の低下の原因になっていた。そこで本発明は管型の反応器に付着する炭化物量をより高い精度で検出することを課題とし、そのための新しい熱分解方法およびその装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

前記課題を解決する本発明に係る熱分解方法は、細長い管型の反応器の入口部から溶融プラスチックを供給し、反応器の周囲からの加熱によりその溶融プラスチックを熱分解し、反応器の出口部から排出する分解ガスを凝縮器で冷却して生成油を得るようにした熱分解方法である。そして前記凝縮器で得られる生成油の流量を測定し、その流量から反応器の内部に付着する炭化物量を検出することを特徴とする(請求項1)。

0011

上記熱分解方法において、前記炭化物量が予め定めた量を超えたとき、反応器の熱分解運転を中止し、反応器の内部に付着した炭化物を反応器から排出することができる(請求項2)。

0012

また、前記課題を解決する本発明に係る熱分解装置は、細長い管型の反応器と、その反応器を周囲から加熱する加熱部と、反応器の入口部に溶融プラスチックを供給する供給装置と、反応器の出口部から排出する分解ガスを冷却する凝縮器を備えたプラスチックの熱分解装置である。そして本熱分解装置は、前記凝縮器に接続された生成油の排出配管と、その排出配管に設けた生成油の流量検出手段を備え、流量検出手段は反応器の内部に付着する炭化物量の検出用であることを特徴とする(請求項3)。

発明の効果

0013

以上のように本発明に係る熱分解方法は、凝縮器で得られる生成油の流量を測定し、その流量から反応器の内部に付着する炭化物量を検出することを特徴とする。本発明の方法によれば、反応器の運転時間、原料プラスチックの種類や性状、反応温度や反応圧力等によって変化する反応器の内部に付着する炭化物を高い精度で効率よく、且つ連続的に検出することができる。そしてその検出値を反応器の内部清掃管理の目安として有効に利用できる。

0014

上記熱分解方法において、前記炭化物量が予め定めた量を超えたとき、反応器の熱分解運転を中止し、反応器の内部に付着した炭化物を反応器から排出することができる。

0015

また、本発明に係る熱分解装置は、細長い管型の反応器と、その反応器を周囲から加熱する加熱部と、反応器の入口部に溶融プラスチックを供給する供給装置と、反応器の出口部から排出する分解ガスを冷却する凝縮器を備えたプラスチックの熱分解装置である。そして、前記凝縮器に接続された生成油の排出配管と、その排出配管に設けた生成油の流量検出手段を備え、流量検出手段は反応器の内部に付着する炭化物量の検出用であることを特徴とする。本発明に係る熱分解装置を使用することにより、上記熱分解方法を好適に実施できる。

発明を実施するための最良の形態

0016

次に本発明の実施の形態を図面により説明する。図1は本発明に係る熱分解装置のプロセスフロー図である。図中、1は熱分解装置、2は管型の反応器、2aは入口部、2bは出口部、2cは残渣トラップ、3は加熱部、3aは加熱ガス入口部、3bは加熱ガス排出部、4は供給装置、5は溶融部、6は押出部、7は凝縮器、8は移送ポンプ、9は流量検出手段、10は溶融プラスチックの供給配管、11は分解ガスの排出配管、12は非凝縮ガスの排出配管、13は生成油の排出配管である。

0017

熱分解を行う反応器2は細長い直線状に形成された耐熱性および熱伝導性のよいステンレス系の金属管により構成され、一方の端に溶融プラスチックを供給する入口部2aが設けられ、他方の端部に分解ガスを排出する出口部2bが設けられる。そして出口部2bには分解残渣および炭化物をトラップして貯留する残渣トラップ2cが設けられる。

0018

通常、反応器2の直径は数十mm〜数百mm程度、長さは1〜数十m程度の範囲で選定されるが、それに制限されるものではなく、処理量に応じて直径と長さを適宜変更することができる。なお本実施形態の反応器2は、その内部に分解残渣を移送する回転スクリューを設けていないタイプである。

0019

反応器2の周囲に配置された加熱部3は、耐火断熱材料などでダクト状に形成した細長い熱交換室を有し、その熱交換室に沿って前記反応器2が配置される。そして加熱ガス入口部3aから導入された加熱ガスが反応器2の内部で熱交換し、温度低下したガス排ガスとして加熱ガス出口部3bから排出する。なお加熱ガスは重油やガスなどを燃焼し、高温の燃焼ガスを発生する加熱ガス発生器等から供給することができる。

0020

供給装置4は一般にプラスチックの射出成型機などに使用される押出機と同様なものを用いることができる。供給装置4はホッパ4aと、ホッパ4aに受け入れプラスチック片を内蔵する電気ヒータにより例えば150℃〜250℃の範囲に加熱して溶融する溶融部5と、溶融部5で生成する溶融プラスチックを内蔵する回転スクリューで均一に攪拌しながら加圧して供給配管10に押出す押出部6を備えている。なお供給配管10は耐熱性のステンレス管の周囲を加熱ジャケットまたは加熱ヒータ被覆して構成され、例えば運転時における配管温度を200℃程度に維持できるようになっている。

0021

反応器の出口部2bには分解ガスを排出する排出配管11が接続され、その排出配管11の先端は凝縮器7に連通する。凝縮器7の内部には冷却管が配置され、その冷却管内を流通する冷却水により導入した分解ガスを冷却するようになっている。凝縮器7には非凝縮ガスを排出する排出配管12と、凝縮した生成油を排出する排出配管13が接続され、排出配管13には移送ポンプ8および流量検出手段9が設けられる。

0022

さらに凝縮器7には内部の液面を検出する液面検出手段14が設けられ、その液面検出手段14の液面検出信号は液面制御器15に伝送される。液面制御器15は液面検出値が予め設定された値になるように移送ポンプ8の回転速度を制御する。例えば液面検出値が設定値より高くなったときは、それを設置値に戻すように移送ポンプ8の回転速度を高くし、逆に液面検出値が設置値より低くなったときは、それを設定値に戻すように移送ポンプ8の回転速度を低くする。なお液面検出手段14はフロート式ディスプレースメント式など、連続的に液面を検出できる一般的な液面発信器を用いることができる。

0023

流量検出手段9は生成油の温度、比重等により検出精度が左右されにくい質量流量計コリオリ式)等を用いることが望ましい。この流量検出手段9に流量指示部を設けることにより生成油の流量を現場で確認でき、さらに流量検出値電気的な検出信号として発信する発信部を設けることにより、その検出信号を遠隔に設けた指示計記録計、或いは流量下限警報装置等に送信することもできる。

0024

次に上記熱分解装置1によりプラスチックを熱分解する方法を説明する。以下の説明は原料プラスチックとしてポリスチレンを使用する場合であるが、他のプラスチックについても同様に適用できる。
最初に熱分解の準備を行う。先ず反応器2の入口部2a付近から窒素等の不活性ガスを導入し、熱分解系統の内部の酸素を不活性ガスで置換して酸素不存在状態とする。次に加熱部3に加熱ガスを供給し、反応器2を熱分解に適した温度まで昇温する。

0025

熱分解に適した温度は、ポリスチレンの熱分解に必要な最低温度、すなわちポリスチレンの熱分解温度より余裕のある高めの温度、例えば600℃〜800℃、好ましくは700℃〜800℃程度の温度範囲とする。なお反応器2を加熱する加熱ガスの温度はこの熱分解の温度より200℃程度高く設定することが望ましい。

0026

一方、反応器2の内部は副生物抑制の観点から減圧状態で運転することが望ましい。減圧運転を行う場合には排出配管12に真空ポンプ等の減圧装置を設ける。そして減圧装置の吸引力調整により反応器2を所望の減圧条件、例えば2kPa〜10kPa程度の減圧条件に維持することにより、副生物の生成を常圧で熱分解する場合の1/10以下にすることができる。そしてこれら操作と共に、供給装置4を運転して溶融ポリスチレンを反応器2に供給可能な状態とし、凝縮器7の冷却配管に冷却水を流して分解ガスを冷却可能な状態とすることにより熱分解の準備が整う。

0027

熱分解の準備が整ったら供給配管10に設けた開閉弁(図示せず)を開け、供給装置4で生成した溶融ポリスチレンを反応器2の入口部2aに供給する。溶融ポリスチレンは反応器2の内部を移動する間に周囲から加熱されて熱分解し、低分子の分解ガスが生成する。分解ガスは反応器2の出口部2bから排出配管11に排出し、凝縮器7に流入する。

0028

凝縮器7に流入した分解ガスはそこで冷却され、凝縮成分である生成油は内部に滞留し、非凝縮ガスは排出配管12から排出する。凝縮器7に生成油が次第に貯留されてくると内部の液面が上昇するが、その液面は液面検出手段14で検出されて液面制御器15に伝送される。そして液面制御器15は凝縮器7の液面が設定値になるように移送ポンプ8の回転速度を制御する。

0029

排出配管13を流れる生成油の流量は移送ポンプ8の回転速度に比例する。すなわち反応器2からの分解ガスの流量が増加すると、それに比例して凝縮器7で凝縮される生成油の量が増加し、結果として排出配管13の生成油の流量が増加する。そして反応器2から排出する分解ガスの流量は反応器2における熱分解効率に比例するが、その熱分解効率は反応器2の内部に付着する炭化物量の増加により低下する。

0030

そこで予め排出配管13の生成油の流量と反応器2の内部に付着する炭化物量の関係を実験により求め、その結果から検量線を作成、またはその関係をコンピュータに記憶することにより、生成油の流量検出値から反応器2の内部に付着した炭化物量を手動または自動計算して精度よく検出することができる。

0031

熱分解装置1を長時間連続運転すると反応器2の内部に付着した炭化物量も次第に増加する。付着した炭化物量の増加を前記のように流量検出手段9による生成油の流量減少により確認し、それが管理限界(上限値)に達したときに熱分解運転を中止して反応器2の内部に付着した炭化物を清掃するように管理することができる。このように本発明の方法によれば、効率よく高い精度で管型の反応器2に付着する炭化物管理を行うことができる。なお本発明の方法は、特に内部に回転スクリューを有しない管型の反応器2に有利に適用できる。

0032

次に本発明の熱分解方法の実施例を説明する。図1の熱分解装置1により廃ポリスチレンからスチレンモノマーを高濃度に含む生成油を回収した。管型の反応器2として直径100mm、長さ10mのステンレス製直管を使用し、その周囲を囲む加熱部3に加熱ガス入口部3aから約800℃の加熱ガスを供給した。反応器2を酸素不存在下、熱分解温度700℃、圧力50Torrに維持し、その入口部2aに供給装置4から溶融ポリスチレンを150Kg/hの流量で連続的に供給した。

0033

溶融ポリスチレンは反応器2を通過する間に熱分解され、その出口部2bから流出した分解ガスを凝縮器7で冷却して凝縮し、液面が一定になるように内部の生成油をタンクまたは蒸留装置等の次工程に移送ポンプ8で移送した。熱分解装置1の運転開始時には流量検出手段9による生成油の流量検出値は140Kg/h程度であったが、120時間運転後には120Kg/h程度まで低下した。そこで熱分解装置1の運転を中止し、反応器2の内部に付着した炭化物を清掃した結果、検量線で予測されたものとほぼ同じ量の炭化物が残渣トラップ2cに回収された。

図面の簡単な説明

0034

本発明の熱分解装置のプロセスフロー図。

符号の説明

0035

1熱分解装置
2反応器
2a 入口部
2b出口部
2c 残渣トラップ
3 加熱部
3a加熱ガス入口部
3b 加熱ガス排出部
4供給装置
4a ホッパ

0036

5溶融部
6押出部
7凝縮器
8移送ポンプ
9流量検出手段
10供給配管
11〜13排出配管
14液面検出手段
15液面制御器

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