(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチックを熱分解する熱分解手段５と、熱分解による生成物を蒸留する蒸留手段９と、熱分解手段５の加熱部７に熱源としての燃焼ガスを供給する燃焼ガス発生手段１８を備え、前記熱分解手段５の加熱部７からの排ガスを排ガス供給路２１に排出し、その排ガス供給路２１中に蒸留手段９の加熱部１２が配置されて排ガスを供給するようにした熱分解装置において、
前記蒸留手段９の加熱部１２に並列に排ガスのバイパス路２２を設け、前記蒸留手段の加熱部１２への排ガス供給路とバイパス路２２にそれぞれ流量調整手段２３、２４を設け、前記加熱部１２への排ガス供給路の流量調整手段２３には前記蒸留手段９の加熱部１２の温度が予め定めた値になるように制御する温度制御部２５が接続されており、前記バイパス路２２に設けられた流量調整手段２４には前記加熱部７から排出する排ガスが供給される排ガス供給路２１の圧力が予め設定された値になるように制御する圧力制御部２８が接続されていることを特徴とするプラスチックの熱分解装置。
【請求項２】
燃焼ガスでプラスチックを加熱する加熱部７を有する熱分解手段５でプラスチックを熱分解し、その生成物を蒸留手段９で蒸留し、前記熱分解手段５の加熱部７からの燃焼ガスの排ガスを排ガス供給路２１に排出し、その排ガス供給路２１中に蒸留手段９の加熱部１２が配置されて排ガスを供給するようにした熱分解方法において、
前記蒸留手段９の加熱部１２に並列に排ガスのバイパス路２２を設け、前記蒸留手段９の加熱部１２の温度が予め設定された値になるように排ガス供給路２１から蒸留手段９の加熱部１２に供給される排ガス流量を調整し、前記排ガス供給路２１の排ガスの圧力が予め設定された値になるように前記バイパス路２２の排ガス流量を調整し余剰の排ガスをバイパス路２２に分岐することを特徴とするプラスチックの熱分解方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラスチックを熱分解し、その生成物を蒸留する熱分解装置及び熱分解方法に関し、詳しくは熱分解手段の加熱部からの排ガスを蒸留手段の加熱部に供給するようにした熱分解装置および熱分解方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工場設備や家庭からは多量のプラスチック類が排出される。廃プラスチックをそのまま外部に排出すると環境を汚染するため、再利用できる形態にすることが望ましい。そのため従来から廃プラスチックを熱分解手段により熱分解して燃料油として回収する方法が広く採用されている。
【０００３】
熱分解手段として槽形の熱分解槽方式や管形の反応管方式があるが、連続運転を行う場合は後者の反応管方式が望ましい。熱分解手段には電気ヒータ加熱方式もしくは高温ガス加熱方式による加熱部が設けられるが、燃焼ガス発生手段で発生した燃焼ガスを用いる高温ガス加熱方式が数多く採用されている。熱分解温度は、例えばポリスチレンでは５００℃〜８００℃の範囲の高温であるため、高温ガス加熱方式を採用する場合、その燃焼ガスの温度はそれより若干高めに設定される。
【０００４】
しかしながら、廃プラスチックを燃料油に変換するだけでは付加価値がそれ程大きくないので、最近では熱分解による生成物、即ち廃プラスチック由来のモノマー成分を含む生成物をさらに蒸留塔などの蒸留手段で蒸留し、高純度のモノマーを回収する方法も採用されつつある。
【０００５】
熱分解手段と蒸留手段を組み合わせた熱分解装置として、特開２００１−１２３００７号公報に開示されたものがある。同公報に開示された熱分解装置は、廃プラスチックとしてのスチレン共重合体を連続的に溶融して熱分解手段に供給する供給手段と、供給された溶融プラスチックを酸素不存在下で熱分解する熱分解手段と、熱分解手段を加熱するための加熱部と、熱分解の生成物を蒸留する蒸留手段と、蒸留手段を加熱するためのリボイラなどの加熱部を備えている。そして熱分解手段の加熱部から排出される排ガスを蒸留手段の加熱部に熱源として供給して熱回収を図っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記公報では熱分解手段と蒸留手段の熱エネルギーバランス、または加熱部から排出する排ガスの流量調整等については何ら言及されていない。本発明者らの研究によれば、熱分解装置は熱分解手段と蒸留手段の有機的な連携操作により効率よく運転されるが、熱分解手段からの排ガスの熱量と蒸留手段で必要とする最適な熱量は必ずしも一致せず、直列に接続された排ガス路を有するシステムでは総合的で且つ安定した運転管理もしくは運転制御がしばしば困難になることが分かった。
そこで本発明はこのような問題を解決することを課題とし、そのための新しい熱分解装置および熱分解方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明に係るプラスチックの熱分解装置は、プラスチックを熱分解する熱分解手段５と、熱分解による生成物を蒸留する蒸留手段９と、熱分解手段５の加熱部７に熱源としての燃焼ガスを供給する燃焼ガス発生手段１８を備え、前記熱分解手段５の加熱部７からの排ガスを排ガス供給路２１に排出し、その排ガス供給路２１中に蒸留手段９の加熱部１２が配置されて排ガスを供給するようにした熱分解装置において、前記蒸留手段９の加熱部１２に並列に排ガスのバイパス路２２を設け、前記蒸留手段の加熱部１２への排ガス供給路とバイパス路２２にそれぞれ流量調整手段２３、２４を設け、前記加熱部１２への排ガス供給路の流量調整手段２３には前記蒸留手段９の加熱部１２の温度が予め定めた値になるように制御する温度制御部２５が接続されており、前記バイパス路２２に設けられた流量調整手段２４には前記加熱部７から排出する排ガスが供給される排ガス供給路２１の圧力が予め設定された値になるように制御する圧力制御部２８が接続されていることを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
また、前記課題を解決するための本発明に係るプラスチックの熱分解方法は、燃焼ガスでプラスチックを加熱する加熱部７を有する熱分解手段５でプラスチックを熱分解し、その生成物を蒸留手段９で蒸留し、前記熱分解手段５の加熱部７からの燃焼ガスの排ガスを排ガス供給路２１に排出し、その排ガス供給路２１中に蒸留手段９の加熱部１２が配置されて排ガスを供給するようにした熱分解方法において、
前記蒸留手段９の加熱部１２に並列に排ガスのバイパス路２２を設け、前記蒸留手段９の加熱部１２の温度が予め設定された値になるように排ガス供給路２１から蒸留手段９の加熱部１２に供給される排ガス流量を調整し、前記排ガス供給路２１の排ガスの圧力が予め設定された値になるように前記バイパス路２２の排ガス流量を調整し余剰の排ガスをバイパス路２２に分岐することを特徴とする（請求項２）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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は供給手段、２はホッパ、３は溶融部、４は押出部、５は熱分解手段、６は反応管、７は加熱部、８は凝縮器、９は蒸留手段、１０は第１の蒸留塔、１１は第２の蒸留塔、１２は加熱部、１３、１４は凝縮器、１５は減圧手段、１６はモノマー回収タンク、１７は重質成分回収タンク、１８は燃焼ガス発生手段、１９はバーナ、２０は燃焼ガス供給路、２１は排ガス供給路、２２はバイパス路、２３，２４は流量調整手段、２５は温度制御部、２６は温度検出器、２７は温度制御器、２８は圧力制御部、２９は圧力検出器、３０は圧力制御器、３１は排気ファン、３２〜３４はポンプ、ａ〜ｋは配管である。
【００１３】
供給手段１は一般にプラスチックの射出成形に用いられる押出機、またはそれに類する構造の押出機を使用することができる。図示の供給手段１はそのような押出機であり、廃プラスチックを一時的に貯留するホッパ２と、ホッパ２から供給されたプラスチックを加熱混連して溶融する溶融部３と、溶融プラスチックを回転スクリューで押し出す押出部４を備えている。なお廃プラスチック等の熱分解に適するプラスチックは粉砕機で１０ｍｍ程度以下に細かく粉砕され、空気搬送器などによりホッパ２に適宜供給される。
【００１４】
熱分解手段５は管形の反応管方式であり、耐火断熱材料で作られた本体内に反応管６が配置され、その周囲が加熱部７を構成する空間とされる。なお本発明の熱分解装置には槽形の熱分解槽方式を採用することもできる。
加熱部７の一方の端部はダクト等からなる燃焼ガス供給路２０を介して燃焼ガス発生手段１８に接続され、他方の端部はダクト等からなる排ガス供給路２１、蒸留手段９の加熱部１２および、その加熱部１２に並列するバイパス路２２と連通し、さらにそれらの出口側は排気ファン３１に接続される。なお燃焼ガス発生手段１８は耐火材料で作られた燃焼室と重油燃焼用のバーナ１９等を備えたものが好適に使用される。
【００１５】
反応管６の一方の端部は配管ａを介して前記供給手段１に接続され、他方の端部は配管ｂを介して凝縮器８に接続される。なお熱分解による副生物の生成をできるだけ抑制し、目的とするモノマー成分を高い収率で得るためには減圧下（例えば圧力２０Ｔｏｏｒ〜１００Ｔｏｏｒ程度の範囲）で熱分解することが望ましい。
凝縮器８は熱分解手段５の生成物である分解ガスを冷却水で冷却することにより凝縮して液化するものであり、得られた凝縮液は蒸留手段９を構成する第１の蒸留塔１０の中段に供給される。
【００１６】
蒸留手段９は第１の蒸留塔１０と第２の蒸留塔１１により構成される。しかし場合によっては目的とするモノマー純度がそれ程高くなくてもよい場合などは、蒸留手段９を第１の蒸留塔１０のみで構成してもよい。蒸留塔１０，１１の下部にリボイラからなる加熱部１２が設けられる。塔型の蒸留部はトレイ式、またはラッシリングやポーリング，その他高性能な規則充填物などを充填した充填式があるが、低い温度で蒸留可能な減圧蒸留（例えば２０Ｔｏｏｒ〜１００Ｔｏｏｒ）を行う場合には後者の充填式が望ましい。
【００１７】
第１の蒸留塔１０の塔頂には留出成分を冷却して凝縮する凝縮器１３が接続され、該凝縮器１３には配管ｅを介して真空ポンプなどにより構成される減圧手段１５が接続される。凝縮器１３で得られた凝縮液はポンプ３２を設けた還流用の配管ｄにより塔頂に還流され、凝縮しない僅かな量（通常、投入プラスチック量の１％程度）のガス成分は配管ｅを経て減圧手段１５の出口側から排出する。なお、この排出成分は悪臭物質を含むので焼却炉で焼却するか、燃焼ガス発生手段１８で燃焼することが望ましい。
【００１８】
第１の蒸留塔１０の下部（この例では加熱部１２を構成するリボイラ部分）には蒸留により分離された高沸点成分を排出する配管ｆが接続され、その配管ｆは第２の蒸留塔１１の中段に接続される。
第２の蒸留塔１１も第１の蒸留塔１０と同様に構成される。すなわち、第２の蒸留塔１１の塔頂には留出成分を冷却して凝縮する凝縮器１４が接続され、得られた凝縮液はポンプ３３を設けた還流用の配管ｉにより塔頂に還流される。さらに凝縮器１４には配管ｅを介して前記減圧手段１５が接続され、僅かな未凝縮成分が減圧手段１５の出口側から排出する。
【００１９】
さらに、凝縮器１４には配管ｈを介してモノマー回収タンク１６が接続され、凝縮器１４で得られた凝縮液である高純度のモノマー成分がモノマー回収タンク１６に回収される。一方、第２の蒸留塔１１の塔底には配管ｊを介して重質成分タンク１７が接続され、蒸留によって分離した重質成分が重質成分タンク１７に貯蔵される。
【００２０】
第１の蒸留塔１０および第２の蒸留塔１１の各加熱部１２には排ガス供給路２１がそれぞれ接続され、それら排ガス供給路２１に遠隔操作可能な調整弁または調整ダンパなどからなる流量調整手段２３が設けられる。
各流量調整手段２３はそれぞれ独立した温度制御部２５で制御される。各温度制御部２５は加熱部１２の温度を検出する温度検出器２６と、その温度検出値が予め設定された値になるように流量調整手段２３を駆動制御する温度制御器２７により構成される。なお温度制御器２７はＰＩＤ（比例・積分・微分）制御モードを有するものを使用することが望ましい。
【００２１】
排ガス供給路２１の加熱部１２にはバイパス路２２が並列接続され、そのバイパス路２２に流量調整手段２４が設けられ、該流量調整手段２４は圧力制御部２８で制御される。圧力制御部２８は排ガス供給路２１の圧力を検出する圧力検出器２９と、その圧力検出値が予め設定された値になるように流量調整手段２４を駆動制御する圧力制御器３０により構成される。なお圧力制御器３０もＰＩＤ制御モードを有するものを使用することが望ましい。
【００２２】
次に上記熱分解装置を用いてプラスチックを熱分解する方法について説明する。なお、以下の条件等はプラスチックとしてポリスチレンを対象とした場合であるが、他の熱分解可能なプラスチックについても、これに準じて実施できることは言うまでもない。
【００２３】
先ず、減圧手段１５を運転して熱分解手段５の反応菅６、第１の蒸留塔１０および第２の蒸留塔１１の各内部空気、およびそれらを接続する配管類の内部を窒素などの不活性ガスで置換して酸素不存在状態にすると共に、それらの内部圧が例えば２０Ｔｏｏｒ〜１００Ｔｏｏｒになるように減圧手段１５に設けた圧力調整弁などを調整する。それと共に、燃焼ガス発生手段１８を運転して熱分解手段５の加熱部７に燃焼ガスを供給し、反応菅６の温度を例えば５００℃〜８００℃に昇温する。
【００２４】
さらに、加熱部７から排ガス供給路２１に排出する排ガスを第１の蒸留塔１０および第２の蒸留塔１１の各加熱部１２に供給し、それらを所定温度に昇温する。なお各加熱部１２の温度は温度制御部２５で駆動制御される流量調整手段２３により７０〜１５０℃程度の範囲に調整される。
【００２５】
排気ファン３１を一定の吸引力で運転しているとき、流量調整手段２３の調整により排ガス供給路２１の排ガス流量が変化する。排ガス流量が変化すると、それに応じて熱分解手段５の加熱部７に供給される燃焼ガス流量も変化するので好ましくない。すなわち熱分解手段５で消費される熱エネルギーは、プラスチックの熱分解に必要な熱量により一義的に決める必要があり、他の要因で変動することは好ましくない。
【００２６】
そこで本発明の熱分解装置では、バイパス路２２の流量調整手段２４を前記流量調整手段２３と逆比例して開度調整することにより、燃焼ガス流量を一定に維持することができる。この逆比例制御は手動で行うこともある程度可能であるが、自動的に行うことが望ましい。本実施の形態では排ガス供給路２１の圧力を自動制御することにより、燃焼ガス流量を所定値に維持するようにしている。即ち、排ガス供給路２１の圧力を所定値に自動制御することにより、それより上流側の圧力、特に燃焼ガス発生手段１８の炉内圧を安定化させることができる。
【００２７】
燃焼ガス発生手段１８の炉内圧が変動すると、燃焼ガス発生手段１８のバーナの燃焼も不安定になり、特に加熱部１２の流量調整手段２３が全閉になったときに炉内圧もそれに応じて変動し、燃焼不安定性はより大きくなる。なお本実施の形態で採用した燃焼ガス発生手段１８におけるバーナ１９の最適燃焼雰囲気は、炉内圧力が数十ｍｍ水頭の負圧領域である。
【００２８】
本実施の形態では排ガス供給路２１の圧力が予め設定された値になるように、圧力制御部２８でバイパス路２２に設けた流量調整手段２４を調整している。例えば加熱部１２の排ガス流量調整手段２３が閉じる方向に調整されると、排ガス供給路２１の圧力は予め設定された値より上昇する。すると圧力検出器２９からの圧力上昇信号を受けた圧力制御器３０は、その圧力を予め設定された値に戻すように、流量調整手段２４を開ける方向に調整する。逆に排ガス供給流量が増加して排ガス供給路２１の圧力が低下したときは、バイパス路２２のバイパス流量がそれに応じて減少するように、流量調整手段２４を閉じる方向に調整する。
【００２９】
次に、熱分解すべきプラスチックはホッパ２から溶融部３に連続的に供給され、そこで２００℃程度に加熱されて溶融し、押出部４から配管ａに吐出する。配管ａに流入した溶融プラスチックは熱分解手段５における反応管６の一方の端部に連続的に供給され、反応管６を通過する間に加熱部７より加熱され熱分解する。
【００３０】
熱分解により生成して蒸発する生成物は、配管ｂから排出して凝縮器８で冷却され凝縮する。例えばポリスチレンを５００℃〜８００℃、圧力５０Ｔｏｏｒで熱分解した場合、蒸発する生成物の約７０％程度がスチレンモノマーとなり、他にスチレンダイマー、スチレントリマー、トルエン、その他の高沸点成分などが副生物として生成する。
【００３１】
凝縮液は前記の圧力範囲に調整された第１の蒸留塔１０の中段に供給され、減圧蒸留によりトルエンなどの低沸点成分とスチレンを含むそれより高沸点の成分に分離される。蒸留温度はその下部に設けた加熱部１２の温度により制御することができ、通常５０〜６０℃程度の範囲で運転する。
低沸点成分は熱分解手段５に供給するプラスチックの３〜５％程度であり、その大部分は凝縮器１３で凝縮されてポンプ３２により第１の蒸留塔１０の塔頂に還流する。なお還流比は通常２０〜５０程度とする。
【００３２】
第１の蒸留塔１０の下部から蒸留操作により分離された高沸点成分が排出する。排出時の高沸点成分の温度はかなり高いので、図示しない冷却器などで適宜冷却することが望ましい。高沸点成分は次に前記の圧力範囲に調整された第２の蒸留塔１１の中段に供給され、そこでさらに減圧蒸留される。第２の蒸留塔１１の温度もその下部に設けた加熱部１２の温度により調整でき、通常６０〜７０℃程度の範囲に設定する。
【００３３】
第２の蒸留塔１１では塔頂から留出する低沸点成分であるスチレンモノマーは凝縮器１４で冷却されて凝縮し、その凝縮液は配管ｈからモノマー回収タンク１６に回収され、一部がポンプ３３により塔頂に還流する。なお還流比は通常２〜３程度とする。
【００３４】
第２の蒸留塔１１で分離されるスチレンダイマー、スチレントリマー、およびその他重質成分は、供給された成分の２０〜３０％程度であり、それらは第２の蒸留塔１１の下部から配管ｊを経て重質成分回収タンク１７に回収される。重質成分回収タンクに貯留された重質成分はポンプ３４により燃焼ガス発生手段１８のバーナ１９に供給され、そこで燃料として燃焼される。このような操作により純度９９％のスチレンモノマーがポリマー供給量の７０％程度回収される。
【００３５】
前記熱分解手段５の加熱部７に供給する燃焼ガスの温度が８００℃程度の場合、加熱部７から排出する排ガスの温度は６００度程度になり、かかる高温の排ガスが排ガス供給路２１を経て第１の蒸留塔１０および第２の蒸留塔１１の加熱部１２にそれぞれ供給される。
【００３６】
そして各加熱部１２の温度は前記のように温度調整部２５で制御される流量調整手段２３により調整され、さらにその排ガス供給路２１の圧力は圧力制御部２８で制御されるバイパス路２２の流量調整手段２４で調整される。そして流量調整手段２３と流量調整手段２４の協調的な調整操作により、熱分解手段５に消費される熱エネルギーと第１の蒸留塔１０および第２の蒸留塔１１で構成される蒸留手段９に消費される熱エネルギーの不一致が解消され、システム全体の熱バランスが安定化する。また、燃焼ガス発生手段１８におけるバーナ１９の燃焼不安定性も解消する。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る熱分解装置は、熱分解手段の加熱部からの排ガスを排ガス供給路に排出し、その排ガス供給路中に蒸留手段の加熱部が配置されて排ガスを供給するように構成したので、熱エネルギーの回収率が向上する。さらに蒸留手段の加熱部に並列にバイパス路を設け、その加熱部への排ガス供給路とバイパス路にそれぞれ流量調整手段を設けたので、それらの調整により熱分解手段で消費される熱エネルギーと蒸留手段で消費される熱エネルギーの不一致を解消することができ、システム全体の熱バランスが安定化する。
さらに、排ガス供給路の圧力が予め設定された値になるようにバイパス路の流量調整手段を制御する圧力制御部を設けたので、蒸留操作の安定化の効果に加え、燃焼ガス発生手段におけるバーナの燃焼不安定性を解消することができる。
【００３８】
上記熱分解装置において、蒸留手段の加熱部の温度が予め設定された値になるように排ガス供給路の流量調整手段を制御する温度制御部を設けることができる。このようにすると、蒸留手段の温度を自動調整して蒸留操作の安定化を図ることができる。
【００４０】
また、本発明に係るプラスチックの熱分解方法は、熱分解手段の加熱部からの燃焼ガスの排ガスを排ガス供給路に排出し、その排ガス供給路中に蒸留手段の加熱部が配置されて排ガスを供給するようにしているので、熱エネルギーの回収率が向上する。さらに蒸留手段の加熱部に並列してバイパス路を設け、前記蒸留手段の加熱部の温度が予め設定された値になるように加熱部に供給される排ガス流量を調整し、余剰の排ガスをバイパス路に分岐するようにしたので、熱分解手段で消費される熱エネルギーと蒸留手段で消費される熱エネルギーの不一致を解消することができ、システム全体の熱バランスが安定化する。
【００４１】
さらに、排ガス供給路の排ガス圧力が予め設定された値になるように、バイパス路へ分岐する排ガスの流量を調整したので、安定化の効果に加え、燃焼ガス発生手段におけるバーナの燃焼不安定性を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱分解装置のプロセスフロー図。
【符号の説明】
１  供給手段
２  ホッパ
３  溶融部
４  押出部
５  熱分解手段
６  反応管
７  加熱部
８  凝縮器
９  蒸留手段
１０  第１の蒸留塔
１１  第２の蒸留塔
１２  加熱部
１３，１４  凝縮器
１５  減圧手段
１６  モノマー回収タンク
１７  重質成分回収タンク
１８  燃焼ガス発生手段
１９  バーナ
２０  燃焼ガス供給路
２１  排ガス供給路
２２  バイパス路
２３  流量調整手段
２４  流量調整手段
２５  温度制御部
２６  温度検出器
２７  温度制御器
２８  圧力制御部
２９  圧力検出器
３０  圧力制御器
３１  排気ファン
３２〜３４  ポンプ
ａ〜ｋ  配管
【図１】
0004003160.tif 000002