JP3866894B2 - プラスチックの熱分解方法およびこの方法により得られた熱分解生成物 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック類、それらを含む廃棄物およびゴム等の高分子廃棄物を加熱により熱分解するプラスチックの熱分解方法およびこの方法により得られた熱分解生成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プラスチックを熱分解して有効利用する方法として、無酸素雰囲気下で熱分解を行い油化還元する方法が研究開発されており、一部実用化されている。この方法は、石油化学により合成された高分子であるプラスチックを熱分解により低分子化した生成油とし、この生成油を液体燃料として再利用するものである。
【０００３】
現在では、生成油の油質を有効なものとするために、合成ゼオライト触媒や金属触媒などに代表される石油改質触媒を用いて生成油を改質している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなプラスチックの熱分解方法で得られた生成油は、原料となるプラスチックの種類や原料の混合されている種類によって得られる生成油の成分または性質が異なり、一定品質を保つことが困難であった。
【０００５】
このため合成ゼオライトに代表される触媒を用いて油質の改質を行う方法がある。しかし、熱分解後に改質して生成油とした場合でも、生成油を灯油や軽油などの石油製品そのものにすることは困難であり、バーナー等の直接燃焼熱源などに使われることが多く、成分または性質などが一定品質の生成油を得られなかった。
【０００６】
また、触媒による油質の改質を行う方法では、ランニングコストや異物混入による被毒による失活等の問題があり、実用化するにはコスト高となっていた。
【０００７】
さらに、生成油は長期保存時に変質し易く、その性状から通常第４類危険物第１類石油類として危険物の取り扱いを受け、貯蔵や利用に制限があるなどの取扱い上の問題を有し、操作性が悪いなどの問題を有していた。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、一定品質の生成物を得て、かつコスト低減および操作性を向上させたプラスチックの熱分解方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、熱分解により得られた熱分解生成物に処理を施すことなく、直接再利用できる熱分解生成物を得ることを目的とする。
【００１０】
さらに、熱分解処理の安全性を向上させ、また処理効率を向上させて効率向上を図ったプラスチック熱分解処理装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題を解決するために種々研究し、油化以外の方法として、プラスチックを熱分解して石油アスファルトに相当する生成物を得て、それを舗装道路等に再利用する方法を考え出した。この方法は、プラスチックを熱分解処理するが油化のように低分子化後に蒸留して得るのとは異なり、溶融熱分解によってある程度の分子量範囲に収まるまで低分子化されたものを石油アスファルト代替品として利用するものである。本方法によれば、投入したプラスチックにある程度異物が混入していてもそれを許容でき、従来廃棄物としていた残さとなる部位を含んだ成分を有効利用可能な有価値な物として取り出すことができる。
【００１２】
また、投入プラスチック量に対して約１０〜３０ｗｔ％程得られる油化における生成油に相当する油分は、自己の燃料として装置内で消費して生成物として系外に出さず、投入したプラスチックに対して合成アスファルトのみが排出される廃棄物を生まないシステムをも考え出した。
【００１３】
このようなアスファルト化は有効な再資源化方法であるが、基本的には、熱分解により処理を行うため、生成物は分解温度または反応時間に大きく左右され、生成物の品質コントロールが難しい。このため、製品として得られる合成アスファルトの品質は用途に応じて変えたり、処理時間を短縮しながら処理量を上げるなど運転条件の変更や改善を行う必要があり困難であった。本発明者らは、このような種々の研究の結果、本発明に至ったものである。
【００１４】
すなわち、請求項１記載のプラスチックの熱分解方法は、原料としてのプラスチックと、添加剤としての不飽和脂肪酸油とを混合した混合物を３００℃から４５０の温度範囲で加熱する熱分解工程と、前記プラスチックの加熱により生成したガス成分を除去するガス成分除去工程と、を含むと共に、熱分解して得られた熱分解生成物を液体状または固体状として回収し、石油アスファルト代替品または石油アスファルト添加剤として回収することを特徴とする。
【００１５】
一般に、プラスチックの熱分解は、ポリエチレン（ＰＥ）等では主鎖の切断が任意の位置で起こるランダム分解、または、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭ）、ポリスチレン（ＰＳ）等では分子鎖末端（または弱い結合部）から重合反応の成長反応と逆の逆成長反応によって起こる解重合反応である。ランダム分解または解重合反応のいずれの場合においても、熱分解により得られた熱分解生成物である生成油の分子量分布は広範囲となっており、得られた生成油をそのまま再利用することが難しかったが、本発明によれば、分子量分布域をＭＷ２０００〜１００００の範囲と狭くした一定品質の熱分解物を得ることができる。
【００１６】
具体的には、植物油に代表される脂肪酸エステル成分を含む不飽和脂肪酸油を添加剤として添加したが、プラスチックの熱分解温度よりも低い温度領域で、添加剤に含まれる不飽和脂肪酸グリセリドが酸化してハイドロパーオキサイドが生成する。生成したハイドロパーオキサイドは、プラスチック熱分解温度に昇温された際、プラスチックから水素を奪い、この水素を奪う際にプラスチックの分子鎖を切断して低分子化する。このため、本発明は従来の加熱のみによる熱分解と比較してプラスチックの熱分解反応を促進でき、処理時間を短縮できる。
【００１７】
また、脂肪酸エステル成分を含む不飽和脂肪酸油を添加すると、熱分解反応の促進のみならずプラスチックの切断を制御することができる。このため、分子量分布が狭い一定品質の生成油を得られ、得られた生成油に処理を施すことなく再利用できる。
【００１８】
さらに、油化処理によりポリマーを低分子化させる温度で熱分解すると、得られる熱分解物はより軽質のガス分、常温で液状の油分、そしてそれらが留出した後に残留する残さであるが、本発明においては、添加剤の効果により熱分解温度をその反応よりも約５０〜１００℃程度下げることが可能となる。このため、本発明において、熱分解時の温度を３００℃〜４５０℃と規定したが、より好ましくは、３３０℃〜４００℃の範囲にすると良い。
【００１９】
なお、不飽和脂肪酸油は、特に制限がなく、廃大豆油もしくは廃天ぷら油などの食用油廃油でも利用が可能であり、さらに、食用油廃油を配合した油を主成分とした添加剤を用いても良い。なお、添加剤として不飽和脂肪酸油の投入にかえて、直接加熱酸化油等を投入しても良い。
さらにまた、プラスチック熱分解成分を溶融熱分解させ、その溶融熱分解物を液体状または固体状として回収し、石油アスファルト代替品または石油アスファルト添加剤として回収する。ハイドロパーオキサイドによって制御された熱分解反応では、従来の熱分解のみによるアスファルト代替品製造で困難だった生成物の分子量分布の制御がある程度可能であり、熱分解アスファルト化処理に、本発明の熱分解を用いることで、処理時間の短縮および生成物の品質向上が可能となる。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のプラスチックの熱分解方法において、熱分解工程の前に、熱分解工程の加熱温度よりも５０℃から１００℃低い温度で混合物を溶融する溶融工程を含むことを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載のプラスチックの熱分解方法において、熱分解工程および溶融工程において、溶融プラスチックの液相中に酸素または酸素を含む気体を吹き込むことを特徴とする。
【００２２】
本発明は、溶融混合物に対し酸素を含む気体を液中にて直接バブリングするか溶融液面に対して吹きつける等による溶融プラスチック混合物の部分酸化工程を含む熱分解方法である。
【００２３】
本発明によれば、従来ではタブーとされてきた酸素により熱分解を促進する働きを添加剤によって得られる。すなわち、ハイドロパーオキサイドの生成を促進することでそれに起因するラジカルの生成を促し、高分子分解反応を促進して熱のみによる分解よりも効率よく熱分解を行えるため、添加剤の酸化を促進して熱分解反応を促進および制御できる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１または２に記載のプラスチックの熱分解方法において、熱分解工程または溶融工程において、ナフテン酸金属塩、脂肪酸金属塩またはその他の有機酸金属塩からなる酸化促進剤を添加することを特徴とする。
【００２５】
本発明において、酸素による酸化反応時、および分解反応時に有機酸金属塩を酸化反応促進の触媒としてプラスチック熱分解反応温度よりも低い温度領域で添加剤に含まれる不飽和脂肪酸グリセリドが酸化する。このため、生成するハイドロパーオキサイドがプラスチック熱分解温度に昇温された際、プラスチックから水素を奪う形で分解し、その水素を奪う際にプラスチックの分子鎖を切断することができる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、請求項１または２に記載のプラスチックの熱分解方法において、原料であるプラスチック１００重量％に対して、添加剤である不飽和脂肪酸油を５〜１００重量％添加したことを特徴とする。
【００２７】
本発明において、添加剤の添加量が少ないと熱分解反応は起こりにくく、添加量が多いと得られる熱分解生成物の品質低下およびコスト増加などの弊害が生じるため、添加剤の添加量を本発明の範囲に規定したものである。さらに、不飽和脂肪酸油の添加量を２０〜５０重量％の範囲とすると、特に熱分解効率を向上することができる。
【００２８】
請求項６記載の発明は、請求項５記載のプラスチックの熱分解方法において、不飽和脂肪酸油は、よう素価が８０以上であることを特徴とする。
【００２９】
よう素価は油脂の不飽和度を示す指針であり、試料１００ｇに吸収されるよう素のグラム数を示す。本発明において、不飽和脂肪酸油のよう素価を８０以上と規定したが、不飽和度のより高い油である方が酸化し易いことから、熱分解反応を起こり易くして熱分解を促進できる。特に、よう素化が１００以上の乾性油とすることが望ましい。
【００３０】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載のプラスチックの熱分解方法において、ガス成分除去工程において、生成したガス成分を冷却液化して燃料油として回収することを特徴とする。
【００３１】
本発明において、低沸点のプラスチック熱分解成分を蒸発させ、冷却液化し、または燃料油として回収することで、従来の油化と同様のものを得ることも可能である。
【００３４】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載のプラスチックの熱分解方法において、原料として、プラスチック以外に、天然ゴム、合成ゴム等のゴム、またはそれら以外の有機高分子物を用いたことを特徴とする。
【００３５】
本発明において、熱分解に関して、プラスチック類のみならず、天然ゴム、ＳＢＲなどに代表される各種ゴムやそれら以外の有機高分子物の熱分解を行うことができる。従来の油化ではこれらは異物として扱われ分別が必要であったが、本発明によれば、ゴム状高分子の熱分解も促進されるためこれらを分別すること無く熱分解することが可能となった。ただし、主に、熱分解生成油を得る処理にはゴム類にそれに含有される硫黄等が悪影響を与える可能性があるため必ずしも最適な処理ではないが処理は可能である。ゴム等の従来方法が、その物性から適しているが、本発明はそれのみに限定されるものではない。
【００３６】
請求項９記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載のプラスチックの熱分解方法を用いて得られた熱分解生成物である。
【００３７】
請求項１ないし７のいずれかに記載の熱分解方法を用いて得られる熱分解生成物は、分子量分布が狭い一定品質を有することから、熱分解工程後に処理を施すことなく、例えば、アスファルト代替品等として再利用できる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のプラスチックの熱分解方法、この熱分解方法により得られた熱分解生成物およびプラスチック熱分解装置について、表１、図１ないし図７を用いて説明する。
【００４２】
第１実施形態（図１、表１）
本実施形態では、図１に示す実験装置を用いてプラスチックの熱分解を行った。
【００４３】
図１に示すように、実験装置１は、下部に加熱ヒータ２を配置した熱分解槽３を備え、この熱分解槽３上部に、攪拌装置４および添加剤投入装置５を備える。そして、熱分解槽３の上部に下方に向かう冷却管６が接続され、この冷却管６の先端部に、軽質留分回収容器７が設置される。
【００４４】
上記熱分解槽３は、溶融プラスチックの温度を計測する温度測定装置８を備え、この温度測定装置８には、測定された温度を記録する記録装置９が接続される。また、加熱ヒータ２には温度調節器１０が接続され、温度調節器からの測定値は前述した記録装置９にて記録される。
【００４５】
この実験装置１では、熱分解槽３に投入されたプラスチック類に対して添加剤を熱分解槽３外で予め混合し、攪拌装置４にて局所的な加熱を防止しながら均一に溶解混合するまで加熱した。その後、液状混合物が３５０℃以上になるまで加熱し、混合物を熱分解した。加熱により生じたガス成分は、冷却管６を通して軽質留分として軽質留分回収容器７に回収される。なお、熱分解の際、プラスチックが完全に溶解する前に温度を上げてしまうと熱分解槽３が槽内で不均一に起こるため注意が必要である。
【００４６】
次に、図１の実験装置１を用い、以下に示す実施例および従来例により得られた熱分解物を比較した。
【００４７】
実施例
プラスチックとしてアクリルニトリルブタジエンスチレンのバージンペレット２００ｇを用意し、これに不飽和脂肪酸油として食用天ぷら廃油５０ｇ加え、熱分解槽３内に投入した。そして、溶融混合を２８０〜３３０℃にて１００分行った後、３５０〜３７０℃に加熱し、その条件で約６０分保持した。この際の攪拌は、溶融時の高粘性を考慮して、攪拌装置４にて、１０〜１００ｒｐｍへと除々に回転を早め、熱分解時には３００〜１０００ｒｐｍと除々に回転速度を上げていき、温度の不均一な部位の発生を防止した。また、熱分解槽３中にエアポンプにて酸素を含む大気をバブラーにて液中に噴出し、溶融液をバブリングさせた。
【００４８】
従来例
本従来例においては、上述した実施例とほぼ同じ手順を用いたが、実施例と異なるのは、不飽和脂肪酸油としての食用天ぷら廃油を加えず、また、処理時間を１６０分とした点である。
【００４９】
実施例および従来例により得られた熱分解物の針入度および軟化点を測定し、アスファルト的性質を調査した。その結果を表１に示す。なお、針入度は、２５℃の温度で試験した結果を示し、針入度および軟化点の測定は、ＪＩＳ Ｋ２２０７に準拠した。
【００５０】
【表１】
【００５１】
表１に示すように、本発明の熱分解方法により得られた熱分解生成物は、針入度が４００以上の値となっており、従来例の６０の値と比較して針入度が大きく、得られた熱分解物が柔らかく、熱分解により低分子化されていることが判明した。
【００５２】
また、処理時間を増やした場合は針入度が大きく、また、添加物量を増加させた場合も針入度が大きくなることが判明した。これにより針入度が０〜４００以上の熱分解物を得ることが可能となった。
【００５３】
本実施形態によれば、熱分解槽３において得られた熱分解生成物は、常温で粘着性流動性に富む黒色のタール状物であり、これは石油アスファルトの代替品として用いることができる。
【００５４】
また、本実施形態においては、アクリロニトリルブタジエンスチレンを用いたが、このプラスチックに限定されるものではなく、他のプラスチック、例えば、ポリスチレンおよびポリオレフィン、ポリカーボネイト等の熱可塑性プラスチックおよびゴム等に代表される有機高分子類およびそれらが混合した状態のプラスチック廃棄物等を用いた場合においても同様の効果を得ることができる。
【００５５】
第２実施形態（図２、図３）
本実施形態は、図２および図３を用いて、第１実施形態の実験装置を実証規模まで拡大したプラスチック熱分解処理装置について説明する。
【００５６】
図２は、プラスチック熱分解処理装置の概略を示す図である。
【００５７】
図２に示すように、プラスチック熱分解処理装置１１は、密閉型の熱分解槽１２を備え、この熱分解槽１２を加熱する加熱手段１３を有する。
【００５８】
熱分解槽１２の上部には、原料である廃プラスチック類ａを熱分解槽１２内に投入する原料投入手段１４と、添加剤である不飽和脂肪酸油ｂを熱分解槽１２内に導入する添加剤導入手段１５と、熱分解槽１２での熱分解処理により副生されるガス成分ｃを排出するガス成分排出手段１６とが各々設けられる。
【００５９】
一方、熱分解槽１２の下部は漏斗状に形成され、その斜面に沿って回転する攪拌翼１７が配置されるとともに、熱分解槽１２底部には熱分解処理により生成された熱分解生成物ｄを排出する熱分解物排出手段１８を備える。また、この熱分解槽１２には、攪拌翼１７を回転させる電動機等の回転駆動装置１９が設置される。
【００６０】
原料投入手段１４は、スクリュー式のスクリューフィーダ２０と、このスクリューフィーダ２０に接続された供給装置２１と、この装置２１の上方に設けた図示しないホッパとを備える。熱分解槽１２への投入は比較的大きな開閉蓋を開放し、原料として、大きく粉砕された廃プラスチックａを入れる。
【００６１】
添加剤導入手段１５は、熱分解槽１２に接続され添加剤ｂを導入する添加剤導入配管２２と、この添加剤導入配管２２に設けられた移送ポンプ２３とを備える。
【００６２】
加熱手段１３は、重油バーナ２４（または灯油バーナ）で重油（または灯油）を燃焼する加熱炉２５と、熱分解槽１２の周囲に設けられた加熱装置２６とを備え、加熱炉２５および加熱装置２６は排ガス配管２７により接続され、加熱炉２５の燃焼により排出された排ガスｅは、これを熱源とする加熱装置２６に供給される。
【００６３】
ガス成分排出手段１６は、熱分解槽１２での熱分解により副生するガス成分ｃを熱分解槽１２から排出するガス成分排出配管２８と、この配管２８に接続された凝縮器２９とを備え、さらに、凝縮器２９には、図示しない冷却配管が接続されるとともに、油状生成物を回収する油状生成物回収タンク３０への配管３１およびガス処理設備３２への配管３３が接続される。なお、配管には真空ポンプ等の吸引ポンプ３４およびそれをバイパスするバイパス配管３５が設けられる。
【００６４】
熱分解物排出手段１８は、熱分解槽１２下部に接続された熱分解物排出配管３６と、この熱分解物排出配管３６に図示しない熱分解物の貯蔵設備等に移送する移送ポンプ３７とを備える。
【００６５】
このような構成を有する熱分解処理装置１１では、まず、供給装置２１から廃プラスチックａを熱分解槽１２に所定量供給するとともに、移送ポンプ２３により不飽和脂肪酸油である添加剤ｂを熱分解槽１２に所定量供給する。なお、廃プラスチックａと添加剤ｂとの供給順序に特に制限はなく、どちらを先にしても同時に供給しても良い。
【００６６】
熱分解槽１２に投入された廃プラスチックａおよび不飽和脂肪酸油ｂとの混合物は、酸素不存在下（または少量酸素が残存した状態）、加熱手段１３から供給される熱で加熱され、溶融および熱分解される。熱分解反応により、廃プラスチックａは低分子化、環化などの反応によりアスファルト成分である熱分解生成物ｄを得て、熱分解生成物ｄは熱分解生成物排出手段１８により排出される。一方、熱分解反応により副生される低沸点成分は、ガス成分ｃとしてガス成分排出手段１６により回収される。なお、図２では図示していないが、ガス成分排出手段１６の油状生成物回収タンク３０に回収された油状生成物を加熱手段１３の加熱炉２５に供給して、熱源とすることができる。
【００６７】
図３は、図２に示すプラスチック熱分解処理装置とほぼ同様の構成であり、異なるのは、図２に示す熱分解槽１２の内部に大気ｆを供給する大気供給手段３８を設けた点である。
【００６８】
大気供給手段３８は、大気ｆを熱分解槽１２内に導入する大気供給配管３９と、この大気供給配管３９の先端に設けられた環状のバブラー４０とを備える。溶融液中でのバブリング、または、この図には示していないが、液体表面への吹きつけなどにより酸素による酸化を促進させるものである。酸素を含む気体の吹き込みは、本実施形態に限定されるものではなく、酸素を溶融槽内に供給できれば良い。なお、酸素量を多くすると燃焼反応や爆発の恐れがあるため、その量を監視する。
【００６９】
本実施形態によれば、熱分解槽１２下部に熱分解生成物排出手段１８を設けため、熱分解生成物ｄを工業的に利用する場合に単位時間あたりの処理量を上げ、より低コストに安全に大量処理を行える。
【００７０】
また、本実施形態では、熱分解槽１２内に投入可能な量が一定であり、連続処理を行うものではないため処理量に限界があるが、熱分解を行う際に、不飽和脂肪酸油などの添加剤ｂを導入しているため分解処理時間を短縮でき、従来の方法と比較して処理量を増加でき、処理効率を向上することができる。また、本実施形態においては、原料を連続投入して処理をしていないため、配管での詰りなどの事故が生じた場合においても、プラスチック熱分解処理装置１１の操作を容易にすることができる。
【００７１】
なお、本実施形態においては、廃プラスチックａの種類を特定していないが、例えば、ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＰＶＣなどの汎用プラスチックやＡＢＳなどの共重合プラスチック、ジエン系等のゴム類の一種または複数種を使用できる。また、複数種使用する場合は、混合状態のまま供給することができる。
【００７２】
第３実施形態（図４〜図７）
本実施形態においては、連続的に熱分解生成物を製造する添加剤投入連続式プラスチック熱分解処理装置を図４および図５を用いて説明し、またその変形例を図６および図７を用いて説明する。
【００７３】
図４に示すプラスチック熱分解処理装置４１は、図２に示す熱分解槽１２の上流側に溶融混合槽４２を設け、熱分解槽１２の下流側に蒸発器４３を設けたプラスチック熱分解処理装置４１である。なお、図２と同一箇所には同一の符号を用い、その説明を省略する。
【００７４】
図４に示すように、溶融混合槽４２は図２に示す熱分解槽１２と同様の密閉型の槽構造であり、プラスチック類を加熱溶融する。溶融混合槽４２の周囲には加熱装置２６ａを有し、この加熱装置２６ａは加熱手段１３に接続されている。溶融混合槽４２の上部には、原料投入手段１４、添加剤導入手段１５およびガス成分排出手段１６を備え、溶融混合槽４２の下部に溶融物ｇを熱分解槽１２に移送するポンプ４４を備えた溶融物移送配管４５が接続される。
【００７５】
熱分解槽１２は、溶融混合槽４２と同様な槽構造であり、溶融したプラスチック類を熱分解する。熱分解槽１２の周囲には加熱装置２６ｂを有し、この加熱装置２６ｂは加熱手段１３に接続されている。熱分解槽１２の上部には、熱分解により副生したガスｃをガス成分排出手段１６に排出するガス排出配管２８ａが接続され、このガス排出配管２８ａは凝縮器２９ａに接続される。熱分解槽１２の下部には、熱分解により生じた熱分解物ｈを蒸発器４３に移送するポンプ４６を備えた熱分解物移送配管４７が接続される。
【００７６】
蒸発器４３は、溶融混合槽４２と同様な槽構造であり、熱分解槽１２からの分解反応部中の低沸点成分を加熱により蒸発させて分離する。蒸発器４３の周囲には加熱装置２６ｃを有し、この加熱装置２６ｃは加熱手段１３に接続されている。
【００７７】
蒸発器４３の上部には、加熱により副生したガス成分ｃをガス成分排出手段１６に排出するガス排出配管２８ｂが接続され、このガス排出配管２８ｂは、凝縮器２９ｂに接続される。ガス成分ｃは凝縮器２９ｂに導入された後、ポンプ５０を介してガス処理装置３２に導入される。また、蒸発器４３の下部には、蒸発によりガス成分ｃを除去した熱分解生成物ｄを排出するポンプを備えた熱分解生成物移送配管４９が接続される。
【００７８】
なお、溶融混合槽４２、熱分解槽１２および蒸発器４３は、各々下部が漏斗状に形成され、その斜面に沿って回転する攪拌翼１７ａ，１７ｂ，１７ｃが配置され、攪拌翼１７ａ，１７ｂ，１７ｃを回転させる電動機等の回転駆動装置１９ａ，１９ｂ，１９ｃが上部に設置される。
【００７９】
このような構成を有するプラスチック熱分解処理装置４１では、まず、供給装置２１から廃プラスチックａを溶融混合槽４２に所定量供給するとともに、移送ポンプ２３により不飽和脂肪酸油である添加剤ｂを熱分解槽１２に所定量供給する。溶融混合槽４２にて、投入された廃プラスチックａおよび不飽和脂肪酸油ｂとの混合物を溶融した後、溶融物は、熱分解槽１２に移送される。熱分解槽１２にて、酸素不存在下（または少量酸素が残存した状態）、加熱手段１３から供給される熱で加熱され、溶融および熱分解される。熱分解反応により、廃プラスチックａは低分子化、環化などの反応により熱分解物ｈを得て、この熱分解物ｈは蒸発器４３に導入される。導入された熱分解物ｈは蒸発器４３においてさらに加熱され、加熱により副生される低沸点成分は、ガス成分ｃとしてガス成分排出手段１３に回収される。そして、蒸発器４３下部の熱分解生成物移送配管４９からアスファルト成分である熱分解生成物ｄが排出される。
【００８０】
図５は、図４に示すプラスチック熱分解処理装置４１とほぼ同様の構成であり、図４に示す溶融混合槽４２および熱分解槽１２の内部に大気を供給する大気供給手段３８を設けた点である。
【００８１】
次に、連続処理を行うプラスチックの熱分解装置の変形例を、図６および図７に示す。
【００８２】
図６は、図４に示すプラスチックの熱分解装置の構成とほぼ同様であり、異なるのは、図４に示す熱分解槽および蒸発器に改良を加えた点である。
【００８３】
図６に示すように、熱分解槽１２内に３枚の仕切り５１ａ，５１ｂ，５１ｃをを設ける。熱分解槽１２は、上方から見ると、３枚の仕切り５１ａ，５１ｂ，５１ｃにより４つの空間に区分される。そして、各仕切り５１ａ，５１ｂ，５１ｃの一端は交互に開放され、仕切り５１ａから仕切り５１ｂへ、また、５１ｂから仕切り５１ｃへとコ字状の流路が形成される。仕切り５１ｂおよび仕切り５１ｃの間の下部位置には、ポンプ５２を備えた溶融混合槽４２に接続される配管５３が接続される。
【００８４】
また、図４の蒸発器４３に相当するストリッピング槽５４に、１枚の仕切り５５が設置される。
【００８５】
図７は、図６に示すプラスチック熱分解装置の溶融混合槽４２および熱分解槽１２の内部に大気ｆを供給する大気供給手段３８を設けた点である。
【００８６】
図７に示すように、大気供給手段３８は、大気ｆを供給する大気供給配管３９と、溶融混合槽および熱分解槽の下部位置にバブラー４０とを備える。
【００８７】
また、図７に示すプラスチック熱分解装置では、熱分解槽１２内に設けた仕切り５６ａ，５６ｂ，５６ｃが設けられている。
【００８８】
本実施形態によれば、図４および図５に示すように、熱分解槽１２の上流側に溶融混合槽４２を設けて、加熱温度を変えた異なる槽としたことから、廃プラスチックａを連続的に投入して溶融工程後に連続して熱分解工程を行えるため、廃プラスチックａの処理量を大幅に向上することができる。
【００８９】
また、図４または図６に示すように、大気供給手段３８を設置しない場合であっても、熱分解反応を促進および制御できるが、図５または図７に示すように、熱分解槽１２および溶融混合槽４２に大気ｆを供給する大気供給手段３８を設けることにより、さらに熱分解反応を促進および制御できる。
【００９０】
また、本実施形態の図６および図７に示す変形例において、熱分解槽１２およびストリツピング槽５４に仕切り５１ａ〜５１ｃ、５６ａ〜５６ｃを設けたが、３枚以上の仕切りを設けても良く、仕切りの枚数は本実施形態に限定されるものではない。
【００９１】
従って、本実施形態によれば、プラスチック、主にアクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリスチレンおよびポリオレフィン、ポリカーボネイト等の熱可塑性プラスチックおよびゴム等に代表される有機高分子類およびそれらが混合した状態のプラスチック廃棄物等を不飽和油脂、またはその加熱酸化油と混合した条件下で加熱して、効率良く熱分解を行い低分子化させその熱分解生成物を有効利用することができる。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラスチックの熱分解方法によれば、廃天ぷら油等の低品質の不飽和脂肪酸油を添加剤とした場合でも、熱分解反応を効率良く行えるため、低コスト化および操作性の向上を図れる。また、熱分解反応を促進および制御により一定品質の熱分解生成物を得られるため、アスファルト代替品等として有効に再利用でき、さらに、油のように低分子化が困難なゴム等でも熱分解物が利用可能となるため、原料である処理対象を広げて新たなリサイクルを行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における、プラスチックの熱分解を行う熱分解処理装置の構成を示す図。
【図２】本発明の第２実施形態を説明する図で、バッチ式実証装置のフローを示す図。
【図３】図２に示すプラスチック熱分解処理装置に大気供給手段を設けたプラスチックの熱分解処理装置を示す図。
【図４】本発明の第３実施形態を説明する図で、添加剤連続投入式のプラスチックの熱分解処理装置を示す図。
【図５】図４に示すプラスチック熱分解処理装置に大気供給手段を設けたプラスチック熱分解処理装置を示す図。
【図６】図４に示すプラスチック熱分解処理装置の熱分解槽および蒸発器を改良したプラスチック熱分解処理装置の変形例を示す図。
【図７】図６に示すプラスチック熱分解処理装置に大気供給手段を設けたプラスチック熱分解処理装置を示す図。
【符号の説明】
１ 実験装置
２ 加熱ヒータ
３ 熱分解槽
４ 攪拌装置
５ 添加剤投入装置
６ 冷却管
７ 軽質留分回収容器
８ 温度測定装置
９ 記録装置
１０ 温度調節器
１１ プラスチック熱分解処理装置
１２ 熱分解槽
１３ 加熱手段
１４ 原料投入手段
１５ 添加剤導入手段
１６ ガス成分排出手段
１７ 攪拌翼
１８ 熱分解生成物排出手段
１９ 回転駆動装置
２０ スクリューフィーダ
２１ 供給装置
２２ 添加剤導入配管
２３ 移送ポンプ
２４ 重油バーナ
２５ 加熱炉
２６ 加熱装置
２７ 排ガス配管
２８ ガス成分排出配管
２９ 凝縮器
３０ 油状生成物回収タンク
３１ 配管
３２ ガス処理設備
３３ 配管
３４ 吸引ポンプ
３５ バイパス配管
３６ 熱分解物排出配管
３７ 移送ポンプ
３８ 大気供給手段
３９ 大気供給配管
４０ バブラー
４１ プラスチック熱分解処理装置
４２ 溶融混合槽
４３ 蒸発器
４４ ポンプ
４５ 溶融物移送配管
４６ ポンプ
４７ 熱分解物移送配管
４８ ポンプ
４９ 熱分解物生成物移送配管
５０ ポンプ
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ 仕切り
５２ ポンプ
５３ 配管
５４ ストリピッング槽
５５ 仕切り
５６ａ，５６ｂ，５６ｃ 仕切り
ａ 廃プラスチック
ｂ 不飽和脂肪酸油
ｃ ガス成分
ｄ 熱分解生成物
ｅ 排ガス
ｆ 大気
ｇ 溶融物
ｈ 熱分解物
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック類、それらを含む廃棄物およびゴム等の高分子廃棄物を加熱により熱分解するプラスチックの熱分解方法およびこの方法により得られた熱分解生成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プラスチックを熱分解して有効利用する方法として、無酸素雰囲気下で熱分解を行い油化還元する方法が研究開発されており、一部実用化されている。この方法は、石油化学により合成された高分子であるプラスチックを熱分解により低分子化した生成油とし、この生成油を液体燃料として再利用するものである。
【０００３】
現在では、生成油の油質を有効なものとするために、合成ゼオライト触媒や金属触媒などに代表される石油改質触媒を用いて生成油を改質している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなプラスチックの熱分解方法で得られた生成油は、原料となるプラスチックの種類や原料の混合されている種類によって得られる生成油の成分または性質が異なり、一定品質を保つことが困難であった。
【０００５】
このため合成ゼオライトに代表される触媒を用いて油質の改質を行う方法がある。しかし、熱分解後に改質して生成油とした場合でも、生成油を灯油や軽油などの石油製品そのものにすることは困難であり、バーナー等の直接燃焼熱源などに使われることが多く、成分または性質などが一定品質の生成油を得られなかった。
【０００６】
また、触媒による油質の改質を行う方法では、ランニングコストや異物混入による被毒による失活等の問題があり、実用化するにはコスト高となっていた。
【０００７】
さらに、生成油は長期保存時に変質し易く、その性状から通常第４類危険物第１類石油類として危険物の取り扱いを受け、貯蔵や利用に制限があるなどの取扱い上の問題を有し、操作性が悪いなどの問題を有していた。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、一定品質の生成物を得て、かつコスト低減および操作性を向上させたプラスチックの熱分解方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、熱分解により得られた熱分解生成物に処理を施すことなく、直接再利用できる熱分解生成物を得ることを目的とする。
【００１０】
さらに、熱分解処理の安全性を向上させ、また処理効率を向上させて効率向上を図ったプラスチック熱分解処理装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題を解決するために種々研究し、油化以外の方法として、プラスチックを熱分解して石油アスファルトに相当する生成物を得て、それを舗装道路等に再利用する方法を考え出した。この方法は、プラスチックを熱分解処理するが油化のように低分子化後に蒸留して得るのとは異なり、溶融熱分解によってある程度の分子量範囲に収まるまで低分子化されたものを石油アスファルト代替品として利用するものである。本方法によれば、投入したプラスチックにある程度異物が混入していてもそれを許容でき、従来廃棄物としていた残さとなる部位を含んだ成分を有効利用可能な有価値な物として取り出すことができる。
【００１２】
また、投入プラスチック量に対して約１０〜３０ｗｔ％程得られる油化における生成油に相当する油分は、自己の燃料として装置内で消費して生成物として系外に出さず、投入したプラスチックに対して合成アスファルトのみが排出される廃棄物を生まないシステムをも考え出した。
【００１３】
このようなアスファルト化は有効な再資源化方法であるが、基本的には、熱分解により処理を行うため、生成物は分解温度または反応時間に大きく左右され、生成物の品質コントロールが難しい。このため、製品として得られる合成アスファルトの品質は用途に応じて変えたり、処理時間を短縮しながら処理量を上げるなど運転条件の変更や改善を行う必要があり困難であった。本発明者らは、このような種々の研究の結果、本発明に至ったものである。
【００１４】
すなわち、請求項１記載のプラスチックの熱分解方法は、原料としてのプラスチックと、添加剤としての不飽和脂肪酸油とを混合した混合物を３００℃から４５０の温度範囲で加熱する熱分解工程と、前記プラスチックの加熱により生成したガス成分を除去するガス成分除去工程と、を含むと共に、熱分解して得られた熱分解生成物を液体状または固体状として回収し、石油アスファルト代替品または石油アスファルト添加剤として回収することを特徴とする。
【００１５】
一般に、プラスチックの熱分解は、ポリエチレン（ＰＥ）等では主鎖の切断が任意の位置で起こるランダム分解、または、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭ）、ポリスチレン（ＰＳ）等では分子鎖末端（または弱い結合部）から重合反応の成長反応と逆の逆成長反応によって起こる解重合反応である。ランダム分解または解重合反応のいずれの場合においても、熱分解により得られた熱分解生成物である生成油の分子量分布は広範囲となっており、得られた生成油をそのまま再利用することが難しかったが、本発明によれば、分子量分布域をＭＷ２０００〜１００００の範囲と狭くした一定品質の熱分解物を得ることができる。
【００１６】
具体的には、植物油に代表される脂肪酸エステル成分を含む不飽和脂肪酸油を添加剤として添加したが、プラスチックの熱分解温度よりも低い温度領域で、添加剤に含まれる不飽和脂肪酸グリセリドが酸化してハイドロパーオキサイドが生成する。生成したハイドロパーオキサイドは、プラスチック熱分解温度に昇温された際、プラスチックから水素を奪い、この水素を奪う際にプラスチックの分子鎖を切断して低分子化する。このため、本発明は従来の加熱のみによる熱分解と比較してプラスチックの熱分解反応を促進でき、処理時間を短縮できる。
【００１７】
また、脂肪酸エステル成分を含む不飽和脂肪酸油を添加すると、熱分解反応の促進のみならずプラスチックの切断を制御することができる。このため、分子量分布が狭い一定品質の生成油を得られ、得られた生成油に処理を施すことなく再利用できる。
【００１８】
さらに、油化処理によりポリマーを低分子化させる温度で熱分解すると、得られる熱分解物はより軽質のガス分、常温で液状の油分、そしてそれらが留出した後に残留する残さであるが、本発明においては、添加剤の効果により熱分解温度をその反応よりも約５０〜１００℃程度下げることが可能となる。このため、本発明において、熱分解時の温度を３００℃〜４５０℃と規定したが、より好ましくは、３３０℃〜４００℃の範囲にすると良い。
【００１９】
なお、不飽和脂肪酸油は、特に制限がなく、廃大豆油もしくは廃天ぷら油などの食用油廃油でも利用が可能であり、さらに、食用油廃油を配合した油を主成分とした添加剤を用いても良い。なお、添加剤として不飽和脂肪酸油の投入にかえて、直接加熱酸化油等を投入しても良い。
さらにまた、プラスチック熱分解成分を溶融熱分解させ、その溶融熱分解物を液体状または固体状として回収し、石油アスファルト代替品または石油アスファルト添加剤として回収する。ハイドロパーオキサイドによって制御された熱分解反応では、従来の熱分解のみによるアスファルト代替品製造で困難だった生成物の分子量分布の制御がある程度可能であり、熱分解アスファルト化処理に、本発明の熱分解を用いることで、処理時間の短縮および生成物の品質向上が可能となる。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のプラスチックの熱分解方法において、熱分解工程の前に、熱分解工程の加熱温度よりも５０℃から１００℃低い温度で混合物を溶融する溶融工程を含むことを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載のプラスチックの熱分解方法において、熱分解工程および溶融工程において、溶融プラスチックの液相中に酸素または酸素を含む気体を吹き込むことを特徴とする。
【００２２】
本発明は、溶融混合物に対し酸素を含む気体を液中にて直接バブリングするか溶融液面に対して吹きつける等による溶融プラスチック混合物の部分酸化工程を含む熱分解方法である。
【００２３】
本発明によれば、従来ではタブーとされてきた酸素により熱分解を促進する働きを添加剤によって得られる。すなわち、ハイドロパーオキサイドの生成を促進することでそれに起因するラジカルの生成を促し、高分子分解反応を促進して熱のみによる分解よりも効率よく熱分解を行えるため、添加剤の酸化を促進して熱分解反応を促進および制御できる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１または２に記載のプラスチックの熱分解方法において、熱分解工程または溶融工程において、ナフテン酸金属塩、脂肪酸金属塩またはその他の有機酸金属塩からなる酸化促進剤を添加することを特徴とする。
【００２５】
本発明において、酸素による酸化反応時、および分解反応時に有機酸金属塩を酸化反応促進の触媒としてプラスチック熱分解反応温度よりも低い温度領域で添加剤に含まれる不飽和脂肪酸グリセリドが酸化する。このため、生成するハイドロパーオキサイドがプラスチック熱分解温度に昇温された際、プラスチックから水素を奪う形で分解し、その水素を奪う際にプラスチックの分子鎖を切断することができる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、請求項１または２に記載のプラスチックの熱分解方法において、原料であるプラスチック１００重量％に対して、添加剤である不飽和脂肪酸油を５〜１００重量％添加したことを特徴とする。
【００２７】
本発明において、添加剤の添加量が少ないと熱分解反応は起こりにくく、添加量が多いと得られる熱分解生成物の品質低下およびコスト増加などの弊害が生じるため、添加剤の添加量を本発明の範囲に規定したものである。さらに、不飽和脂肪酸油の添加量を２０〜５０重量％の範囲とすると、特に熱分解効率を向上することができる。
【００２８】
請求項６記載の発明は、請求項５記載のプラスチックの熱分解方法において、不飽和脂肪酸油は、よう素価が８０以上であることを特徴とする。
【００２９】
よう素価は油脂の不飽和度を示す指針であり、試料１００ｇに吸収されるよう素のグラム数を示す。本発明において、不飽和脂肪酸油のよう素価を８０以上と規定したが、不飽和度のより高い油である方が酸化し易いことから、熱分解反応を起こり易くして熱分解を促進できる。特に、よう素化が１００以上の乾性油とすることが望ましい。
【００３０】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載のプラスチックの熱分解方法において、ガス成分除去工程において、生成したガス成分を冷却液化して燃料油として回収することを特徴とする。
【００３１】
本発明において、低沸点のプラスチック熱分解成分を蒸発させ、冷却液化し、または燃料油として回収することで、従来の油化と同様のものを得ることも可能である。
【００３４】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載のプラスチックの熱分解方法において、原料として、プラスチック以外に、天然ゴム、合成ゴム等のゴム、またはそれら以外の有機高分子物を用いたことを特徴とする。
【００３５】
本発明において、熱分解に関して、プラスチック類のみならず、天然ゴム、ＳＢＲなどに代表される各種ゴムやそれら以外の有機高分子物の熱分解を行うことができる。従来の油化ではこれらは異物として扱われ分別が必要であったが、本発明によれば、ゴム状高分子の熱分解も促進されるためこれらを分別すること無く熱分解することが可能となった。ただし、主に、熱分解生成油を得る処理にはゴム類にそれに含有される硫黄等が悪影響を与える可能性があるため必ずしも最適な処理ではないが処理は可能である。ゴム等の従来方法が、その物性から適しているが、本発明はそれのみに限定されるものではない。
【００３６】
請求項９記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載のプラスチックの熱分解方法を用いて得られた熱分解生成物である。
【００３７】
請求項１ないし７のいずれかに記載の熱分解方法を用いて得られる熱分解生成物は、分子量分布が狭い一定品質を有することから、熱分解工程後に処理を施すことなく、例えば、アスファルト代替品等として再利用できる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のプラスチックの熱分解方法、この熱分解方法により得られた熱分解生成物およびプラスチック熱分解装置について、表１、図１ないし図７を用いて説明する。
【００４２】
第１実施形態（図１、表１）
本実施形態では、図１に示す実験装置を用いてプラスチックの熱分解を行った。
【００４３】
図１に示すように、実験装置１は、下部に加熱ヒータ２を配置した熱分解槽３を備え、この熱分解槽３上部に、攪拌装置４および添加剤投入装置５を備える。そして、熱分解槽３の上部に下方に向かう冷却管６が接続され、この冷却管６の先端部に、軽質留分回収容器７が設置される。
【００４４】
上記熱分解槽３は、溶融プラスチックの温度を計測する温度測定装置８を備え、この温度測定装置８には、測定された温度を記録する記録装置９が接続される。また、加熱ヒータ２には温度調節器１０が接続され、温度調節器からの測定値は前述した記録装置９にて記録される。
【００４５】
この実験装置１では、熱分解槽３に投入されたプラスチック類に対して添加剤を熱分解槽３外で予め混合し、攪拌装置４にて局所的な加熱を防止しながら均一に溶解混合するまで加熱した。その後、液状混合物が３５０℃以上になるまで加熱し、混合物を熱分解した。加熱により生じたガス成分は、冷却管６を通して軽質留分として軽質留分回収容器７に回収される。なお、熱分解の際、プラスチックが完全に溶解する前に温度を上げてしまうと熱分解槽３が槽内で不均一に起こるため注意が必要である。
【００４６】
次に、図１の実験装置１を用い、以下に示す実施例および従来例により得られた熱分解物を比較した。
【００４７】
実施例
プラスチックとしてアクリルニトリルブタジエンスチレンのバージンペレット２００ｇを用意し、これに不飽和脂肪酸油として食用天ぷら廃油５０ｇ加え、熱分解槽３内に投入した。そして、溶融混合を２８０〜３３０℃にて１００分行った後、３５０〜３７０℃に加熱し、その条件で約６０分保持した。この際の攪拌は、溶融時の高粘性を考慮して、攪拌装置４にて、１０〜１００ｒｐｍへと除々に回転を早め、熱分解時には３００〜１０００ｒｐｍと除々に回転速度を上げていき、温度の不均一な部位の発生を防止した。また、熱分解槽３中にエアポンプにて酸素を含む大気をバブラーにて液中に噴出し、溶融液をバブリングさせた。
【００４８】
従来例
本従来例においては、上述した実施例とほぼ同じ手順を用いたが、実施例と異なるのは、不飽和脂肪酸油としての食用天ぷら廃油を加えず、また、処理時間を１６０分とした点である。
【００４９】
実施例および従来例により得られた熱分解物の針入度および軟化点を測定し、アスファルト的性質を調査した。その結果を表１に示す。なお、針入度は、２５℃の温度で試験した結果を示し、針入度および軟化点の測定は、ＪＩＳ Ｋ２２０７に準拠した。
【００５０】
【表１】
表１に示すように、本発明の熱分解方法により得られた熱分解生成物は、針入度が４００以上の値となっており、従来例の６０の値と比較して針入度が大きく、得られた熱分解物が柔らかく、熱分解により低分子化されていることが判明した。
【００５２】
また、処理時間を増やした場合は針入度が大きく、また、添加物量を増加させた場合も針入度が大きくなることが判明した。これにより針入度が０〜４００以上の熱分解物を得ることが可能となった。
【００５３】
本実施形態によれば、熱分解槽３において得られた熱分解生成物は、常温で粘着性流動性に富む黒色のタール状物であり、これは石油アスファルトの代替品として用いることができる。
【００５４】
また、本実施形態においては、アクリロニトリルブタジエンスチレンを用いたが、このプラスチックに限定されるものではなく、他のプラスチック、例えば、ポリスチレンおよびポリオレフィン、ポリカーボネイト等の熱可塑性プラスチックおよびゴム等に代表される有機高分子類およびそれらが混合した状態のプラスチック廃棄物等を用いた場合においても同様の効果を得ることができる。
【００５５】
第２実施形態（図２、図３）
本実施形態は、図２および図３を用いて、第１実施形態の実験装置を実証規模まで拡大したプラスチック熱分解処理装置について説明する。
【００５６】
図２は、プラスチック熱分解処理装置の概略を示す図である。
【００５７】
図２に示すように、プラスチック熱分解処理装置１１は、密閉型の熱分解槽１２を備え、この熱分解槽１２を加熱する加熱手段１３を有する。
【００５８】
熱分解槽１２の上部には、原料である廃プラスチック類ａを熱分解槽１２内に投入する原料投入手段１４と、添加剤である不飽和脂肪酸油ｂを熱分解槽１２内に導入する添加剤導入手段１５と、熱分解槽１２での熱分解処理により副生されるガス成分ｃを排出するガス成分排出手段１６とが各々設けられる。
【００５９】
一方、熱分解槽１２の下部は漏斗状に形成され、その斜面に沿って回転する攪拌翼１７が配置されるとともに、熱分解槽１２底部には熱分解処理により生成された熱分解生成物ｄを排出する熱分解物排出手段１８を備える。また、この熱分解槽１２には、攪拌翼１７を回転させる電動機等の回転駆動装置１９が設置される。
【００６０】
原料投入手段１４は、スクリュー式のスクリューフィーダ２０と、このスクリューフィーダ２０に接続された供給装置２１と、この装置２１の上方に設けた図示しないホッパとを備える。熱分解槽１２への投入は比較的大きな開閉蓋を開放し、原料として、大きく粉砕された廃プラスチックａを入れる。
【００６１】
添加剤導入手段１５は、熱分解槽１２に接続され添加剤ｂを導入する添加剤導入配管２２と、この添加剤導入配管２２に設けられた移送ポンプ２３とを備える。
【００６２】
加熱手段１３は、重油バーナ２４（または灯油バーナ）で重油（または灯油）を燃焼する加熱炉２５と、熱分解槽１２の周囲に設けられた加熱装置２６とを備え、加熱炉２５および加熱装置２６は排ガス配管２７により接続され、加熱炉２５の燃焼により排出された排ガスｅは、これを熱源とする加熱装置２６に供給される。
【００６３】
ガス成分排出手段１６は、熱分解槽１２での熱分解により副生するガス成分ｃを熱分解槽１２から排出するガス成分排出配管２８と、この配管２８に接続された凝縮器２９とを備え、さらに、凝縮器２９には、図示しない冷却配管が接続されるとともに、油状生成物を回収する油状生成物回収タンク３０への配管３１およびガス処理設備３２への配管３３が接続される。なお、配管には真空ポンプ等の吸引ポンプ３４およびそれをバイパスするバイパス配管３５が設けられる。
【００６４】
熱分解物排出手段１８は、熱分解槽１２下部に接続された熱分解物排出配管３６と、この熱分解物排出配管３６に図示しない熱分解物の貯蔵設備等に移送する移送ポンプ３７とを備える。
【００６５】
このような構成を有する熱分解処理装置１１では、まず、供給装置２１から廃プラスチックａを熱分解槽１２に所定量供給するとともに、移送ポンプ２３により不飽和脂肪酸油である添加剤ｂを熱分解槽１２に所定量供給する。なお、廃プラスチックａと添加剤ｂとの供給順序に特に制限はなく、どちらを先にしても同時に供給しても良い。
【００６６】
熱分解槽１２に投入された廃プラスチックａおよび不飽和脂肪酸油ｂとの混合物は、酸素不存在下（または少量酸素が残存した状態）、加熱手段１３から供給される熱で加熱され、溶融および熱分解される。熱分解反応により、廃プラスチックａは低分子化、環化などの反応によりアスファルト成分である熱分解生成物ｄを得て、熱分解生成物ｄは熱分解生成物排出手段１８により排出される。一方、熱分解反応により副生される低沸点成分は、ガス成分ｃとしてガス成分排出手段１６により回収される。なお、図２では図示していないが、ガス成分排出手段１６の油状生成物回収タンク３０に回収された油状生成物を加熱手段１３の加熱炉２５に供給して、熱源とすることができる。
【００６７】
図３は、図２に示すプラスチック熱分解処理装置とほぼ同様の構成であり、異なるのは、図２に示す熱分解槽１２の内部に大気ｆを供給する大気供給手段３８を設けた点である。
【００６８】
大気供給手段３８は、大気ｆを熱分解槽１２内に導入する大気供給配管３９と、この大気供給配管３９の先端に設けられた環状のバブラー４０とを備える。溶融液中でのバブリング、または、この図には示していないが、液体表面への吹きつけなどにより酸素による酸化を促進させるものである。酸素を含む気体の吹き込みは、本実施形態に限定されるものではなく、酸素を溶融槽内に供給できれば良い。なお、酸素量を多くすると燃焼反応や爆発の恐れがあるため、その量を監視する。
【００６９】
本実施形態によれば、熱分解槽１２下部に熱分解生成物排出手段１８を設けため、熱分解生成物ｄを工業的に利用する場合に単位時間あたりの処理量を上げ、より低コストに安全に大量処理を行える。
【００７０】
また、本実施形態では、熱分解槽１２内に投入可能な量が一定であり、連続処理を行うものではないため処理量に限界があるが、熱分解を行う際に、不飽和脂肪酸油などの添加剤ｂを導入しているため分解処理時間を短縮でき、従来の方法と比較して処理量を増加でき、処理効率を向上することができる。また、本実施形態においては、原料を連続投入して処理をしていないため、配管での詰りなどの事故が生じた場合においても、プラスチック熱分解処理装置１１の操作を容易にすることができる。
【００７１】
なお、本実施形態においては、廃プラスチックａの種類を特定していないが、例えば、ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＰＶＣなどの汎用プラスチックやＡＢＳなどの共重合プラスチック、ジエン系等のゴム類の一種または複数種を使用できる。また、複数種使用する場合は、混合状態のまま供給することができる。
【００７２】
第３実施形態（図４〜図７）
本実施形態においては、連続的に熱分解生成物を製造する添加剤投入連続式プラスチック熱分解処理装置を図４および図５を用いて説明し、またその変形例を図６および図７を用いて説明する。
【００７３】
図４に示すプラスチック熱分解処理装置４１は、図２に示す熱分解槽１２の上流側に溶融混合槽４２を設け、熱分解槽１２の下流側に蒸発器４３を設けたプラスチック熱分解処理装置４１である。なお、図２と同一箇所には同一の符号を用い、その説明を省略する。
【００７４】
図４に示すように、溶融混合槽４２は図２に示す熱分解槽１２と同様の密閉型の槽構造であり、プラスチック類を加熱溶融する。溶融混合槽４２の周囲には加熱装置２６ａを有し、この加熱装置２６ａは加熱手段１３に接続されている。溶融混合槽４２の上部には、原料投入手段１４、添加剤導入手段１５およびガス成分排出手段１６を備え、溶融混合槽４２の下部に溶融物ｇを熱分解槽１２に移送するポンプ４４を備えた溶融物移送配管４５が接続される。
【００７５】
熱分解槽１２は、溶融混合槽４２と同様な槽構造であり、溶融したプラスチック類を熱分解する。熱分解槽１２の周囲には加熱装置２６ｂを有し、この加熱装置２６ｂは加熱手段１３に接続されている。熱分解槽１２の上部には、熱分解により副生したガスｃをガス成分排出手段１６に排出するガス排出配管２８ａが接続され、このガス排出配管２８ａは凝縮器２９ａに接続される。熱分解槽１２の下部には、熱分解により生じた熱分解物ｈを蒸発器４３に移送するポンプ４６を備えた熱分解物移送配管４７が接続される。
【００７６】
蒸発器４３は、溶融混合槽４２と同様な槽構造であり、熱分解槽１２からの分解反応部中の低沸点成分を加熱により蒸発させて分離する。蒸発器４３の周囲には加熱装置２６ｃを有し、この加熱装置２６ｃは加熱手段１３に接続されている。
【００７７】
蒸発器４３の上部には、加熱により副生したガス成分ｃをガス成分排出手段１６に排出するガス排出配管２８ｂが接続され、このガス排出配管２８ｂは、凝縮器２９ｂに接続される。ガス成分ｃは凝縮器２９ｂに導入された後、ポンプ５０を介してガス処理装置３２に導入される。また、蒸発器４３の下部には、蒸発によりガス成分ｃを除去した熱分解生成物ｄを排出するポンプを備えた熱分解生成物移送配管４９が接続される。
【００７８】
なお、溶融混合槽４２、熱分解槽１２および蒸発器４３は、各々下部が漏斗状に形成され、その斜面に沿って回転する攪拌翼１７ａ，１７ｂ，１７ｃが配置され、攪拌翼１７ａ，１７ｂ，１７ｃを回転させる電動機等の回転駆動装置１９ａ，１９ｂ，１９ｃが上部に設置される。
【００７９】
このような構成を有するプラスチック熱分解処理装置４１では、まず、供給装置２１から廃プラスチックａを溶融混合槽４２に所定量供給するとともに、移送ポンプ２３により不飽和脂肪酸油である添加剤ｂを熱分解槽１２に所定量供給する。溶融混合槽４２にて、投入された廃プラスチックａおよび不飽和脂肪酸油ｂとの混合物を溶融した後、溶融物は、熱分解槽１２に移送される。熱分解槽１２にて、酸素不存在下（または少量酸素が残存した状態）、加熱手段１３から供給される熱で加熱され、溶融および熱分解される。熱分解反応により、廃プラスチックａは低分子化、環化などの反応により熱分解物ｈを得て、この熱分解物ｈは蒸発器４３に導入される。導入された熱分解物ｈは蒸発器４３においてさらに加熱され、加熱により副生される低沸点成分は、ガス成分ｃとしてガス成分排出手段１３に回収される。そして、蒸発器４３下部の熱分解生成物移送配管４９からアスファルト成分である熱分解生成物ｄが排出される。
【００８０】
図５は、図４に示すプラスチック熱分解処理装置４１とほぼ同様の構成であり、図４に示す溶融混合槽４２および熱分解槽１２の内部に大気を供給する大気供給手段３８を設けた点である。
【００８１】
次に、連続処理を行うプラスチックの熱分解装置の変形例を、図６および図７に示す。
【００８２】
図６は、図４に示すプラスチックの熱分解装置の構成とほぼ同様であり、異なるのは、図４に示す熱分解槽および蒸発器に改良を加えた点である。
【００８３】
図６に示すように、熱分解槽１２内に３枚の仕切り５１ａ，５１ｂ，５１ｃをを設ける。熱分解槽１２は、上方から見ると、３枚の仕切り５１ａ，５１ｂ，５１ｃにより４つの空間に区分される。そして、各仕切り５１ａ，５１ｂ，５１ｃの一端は交互に開放され、仕切り５１ａから仕切り５１ｂへ、また、５１ｂから仕切り５１ｃへとコ字状の流路が形成される。仕切り５１ｂおよび仕切り５１ｃの間の下部位置には、ポンプ５２を備えた溶融混合槽４２に接続される配管５３が接続される。
【００８４】
また、図４の蒸発器４３に相当するストリッピング槽５４に、１枚の仕切り５５が設置される。
【００８５】
図７は、図６に示すプラスチック熱分解装置の溶融混合槽４２および熱分解槽１２の内部に大気ｆを供給する大気供給手段３８を設けた点である。
【００８６】
図７に示すように、大気供給手段３８は、大気ｆを供給する大気供給配管３９と、溶融混合槽および熱分解槽の下部位置にバブラー４０とを備える。
【００８７】
また、図７に示すプラスチック熱分解装置では、熱分解槽１２内に設けた仕切り５６ａ，５６ｂ，５６ｃが設けられている。
【００８８】
本実施形態によれば、図４および図５に示すように、熱分解槽１２の上流側に溶融混合槽４２を設けて、加熱温度を変えた異なる槽としたことから、廃プラスチックａを連続的に投入して溶融工程後に連続して熱分解工程を行えるため、廃プラスチックａの処理量を大幅に向上することができる。
【００８９】
また、図４または図６に示すように、大気供給手段３８を設置しない場合であっても、熱分解反応を促進および制御できるが、図５または図７に示すように、熱分解槽１２および溶融混合槽４２に大気ｆを供給する大気供給手段３８を設けることにより、さらに熱分解反応を促進および制御できる。
【００９０】
また、本実施形態の図６および図７に示す変形例において、熱分解槽１２およびストリツピング槽５４に仕切り５１ａ〜５１ｃ、５６ａ〜５６ｃを設けたが、３枚以上の仕切りを設けても良く、仕切りの枚数は本実施形態に限定されるものではない。
【００９１】
従って、本実施形態によれば、プラスチック、主にアクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリスチレンおよびポリオレフィン、ポリカーボネイト等の熱可塑性プラスチックおよびゴム等に代表される有機高分子類およびそれらが混合した状態のプラスチック廃棄物等を不飽和油脂、またはその加熱酸化油と混合した条件下で加熱して、効率良く熱分解を行い低分子化させその熱分解生成物を有効利用することができる。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラスチックの熱分解方法によれば、廃天ぷら油等の低品質の不飽和脂肪酸油を添加剤とした場合でも、熱分解反応を効率良く行えるため、低コスト化および操作性の向上を図れる。また、熱分解反応を促進および制御により一定品質の熱分解生成物を得られるため、アスファルト代替品等として有効に再利用でき、さらに、油のように低分子化が困難なゴム等でも熱分解物が利用可能となるため、原料である処理対象を広げて新たなリサイクルを行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における、プラスチックの熱分解を行う熱分解処理装置の構成を示す図。
【図２】本発明の第２実施形態を説明する図で、バッチ式実証装置のフローを示す図。
【図３】図２に示すプラスチック熱分解処理装置に大気供給手段を設けたプラスチックの熱分解処理装置を示す図。
【図４】本発明の第３実施形態を説明する図で、添加剤連続投入式のプラスチックの熱分解処理装置を示す図。
【図５】図４に示すプラスチック熱分解処理装置に大気供給手段を設けたプラスチック熱分解処理装置を示す図。
【図６】図４に示すプラスチック熱分解処理装置の熱分解槽および蒸発器を改良したプラスチック熱分解処理装置の変形例を示す図。
【図７】図６に示すプラスチック熱分解処理装置に大気供給手段を設けたプラスチック熱分解処理装置を示す図。
【符号の説明】
１ 実験装置
２ 加熱ヒータ
３ 熱分解槽
４ 攪拌装置
５ 添加剤投入装置
６ 冷却管
７ 軽質留分回収容器
８ 温度測定装置
９ 記録装置
１０ 温度調節器
１１ プラスチック熱分解処理装置
１２ 熱分解槽
１３ 加熱手段
１４ 原料投入手段
１５ 添加剤導入手段
１６ ガス成分排出手段
１７ 攪拌翼
１８ 熱分解生成物排出手段
１９ 回転駆動装置
２０ スクリューフィーダ
２１ 供給装置
２２ 添加剤導入配管
２３ 移送ポンプ
２４ 重油バーナ
２５ 加熱炉
２６ 加熱装置
２７ 排ガス配管
２８ ガス成分排出配管
２９ 凝縮器
３０ 油状生成物回収タンク
３１ 配管
３２ ガス処理設備
３３ 配管
３４ 吸引ポンプ
３５ バイパス配管
３６ 熱分解物排出配管
３７ 移送ポンプ
３８ 大気供給手段
３９ 大気供給配管
４０ バブラー
４１ プラスチック熱分解処理装置
４２ 溶融混合槽
４３ 蒸発器
４４ ポンプ
４５ 溶融物移送配管
４６ ポンプ
４７ 熱分解物移送配管
４８ ポンプ
４９ 熱分解物生成物移送配管
５０ ポンプ
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ 仕切り
５２ ポンプ
５３ 配管
５４ ストリピッング槽
５５ 仕切り
５６ａ，５６ｂ，５６ｃ 仕切り
ａ 廃プラスチック
ｂ 不飽和脂肪酸油
ｃ ガス成分
ｄ 熱分解生成物
ｅ 排ガス
ｆ 大気
ｇ 溶融物
ｈ 熱分解物
Claims (9)
- 原料としてのプラスチックと、添加剤としての不飽和脂肪酸油とを混合した混合物を３００℃から４５０℃の温度範囲で加熱する熱分解工程と、前記プラスチックの加熱により生成したガス成分を除去するガス成分除去工程と、を含むと共に、熱分解して得られた熱分解生成物を液体状または固体状として回収し、石油アスファルト代替品または石油アスファルト添加剤として回収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１記載のプラスチックの熱分解方法において、熱分解工程の前に、熱分解工程の加熱温度よりも５０℃から１００℃低い温度で混合物を溶融する溶融工程を含むことを特徴とするプラスチックの熱分解方法。
- 請求項１または２に記載のプラスチックの熱分解方法において、熱分解工程および溶融工程において、溶融プラスチックの液相中に酸素または酸素を含む気体を吹き込むことを特徴とするプラスチックの熱分解方法。
- 請求項１または２に記載のプラスチックの熱分解方法において、熱分解工程または溶融工程において、ナフテン酸金属塩、脂肪酸金属塩またはその他の有機酸金属塩からなる酸化促進剤を添加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１または２に記載のプラスチックの熱分解方法において、原料であるプラスチック１００重量％に対して、添加剤である不飽和脂肪酸油を５〜１００重量％添加したことを特徴とするプラスチックの熱分解方法。
- 請求項５記載のプラスチックの熱分解方法において、不飽和脂肪酸油は、よう素価が８０以上であることを特徴とするプラスチックの熱分解方法。
- 請求項１ないし６のいずれかに記載のプラスチックの熱分解方法において、ガス成分除去工程において、生成したガス成分を冷却液化して燃料油として回収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１ないし７のいずれかに記載のプラスチックの熱分解方法において、原料として、プラスチック以外に、天然ゴム、合成ゴム等のゴム、またはそれら以外の有機高分子物を用いたことを特徴とするプラスチックの熱分解方法。
- 請求項１ないし７のいずれかに記載のプラスチックの熱分解方法を用いて得られた熱分解生成物。
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