(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コークス炉炭化室に、先に予め石炭と混合した廃プラスチックを装入し、その後石炭を装入する方法において、該廃プラスチックと混合する石炭が、成型炭で構成されてなることを特徴とする高炉用コークスの製造方法。
【請求項２】
前記廃プラスチックが、減容固化した塊状物であることを特徴とする請求項１に記載の高炉用コークスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃プラスチックをコークス炉に装入して乾留し、コークスを製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチック産業廃棄物、プラスチック一般廃棄物として大量に排出される廃プラスチックの処理に関しては、従来は大部分が埋め立てや一部焼却処理されている。廃プラスチックは、埋め立てにおいては土中の細菌やバクテリアで分解されず、焼却する場合は発熱量が大きく焼却炉に悪影響を及ぼすとともに、塩素を含む廃プラスチックの場合は排ガス中の塩素の処理が問題となっている。埋め立て処分場が将来不足することが予想されること、及び環境問題の高まりから廃プラスチックのリサイクルの促進が望まれている。リサイクルの方法としては、プラスチックとしての再利用のほか、燃焼時の熱の利用や熱分解で得られるガスや油を燃料や化学原料として利用する方法が考えられる。
【０００３】
廃プラスチックをコークス炉に添加して処理する方法は、例えば、特開平４−４１５８８号公報に、コークス製造用装入炭に廃プラスチックを配合してコークスを製造する方法が開示されている。この方法では、コークス乾留時の高温の還元雰囲気状態で廃プラスチックの大部分を熱分解させることが可能であり、その結果、水素、メタン、エタン、プロパン等を含む高カロリーの熱分解ガスが得られ、これらは石炭の熱分解によりコークス炉炭化室内で発生するコークス炉ガス中に含まれて回収され、エネルギー源として再利用される。また、残った炭素分はコークスの一部となって高炉で再利用される。
【０００４】
しかし、廃プラスチックを石炭に均一に混合してコークス炉に装入して乾留する方法では、コークスの品質が低下すること、および廃プラスチックの熱分解ガスの温度が低い場合には、熱分解生成物がガス流路の壁面に付着して、閉塞するという問題点がある。このため、さらに多くの廃プラスチックの処理が可能な方法が提案されている。例えば、特開平９−１３２７８０号公報では、炭化室下部に石炭に対して２重量％（ここでの重量％は質量％を意味する。）の廃プラスチックを単独で装入し、該廃プラスチックの上に石炭を装入する方法が開示されている。
【０００５】
特開平９−１３２７８０号に開示された方法では、約１０００℃の高温状態の炭化室下部に廃プラスチックを単独で装入することになり、急激に廃プラスチックが加熱されるので、装入と同時に熱分解が開始され、多量の熱分解ガスが発生し、石炭装入初期のガス吸引の不安定な期間においては、この多量に発生する熱分解ガスが、炭化室の炉蓋および装入蓋のシール箇所から漏洩する。
【０００６】
また、特開平９−１３２７８２号公報では、廃プラスチックを装入する前に、炭化室底部に断熱効果を得るために、約１００ｍｍ程度の厚みの石炭を廃プラスチック装入前に敷設して、高温状態の炭化室下部に廃プラスチックを単独で装入する場合に比べて廃プラスチックの急激な熱分解による熱分解ガスの発生を抑制する方法が提案されている。
【０００７】
しかし、本発明者が鋭意検討した結果、特開平９−１３２７８０号公報および特開平９−１３２７８２号公報に開示された方法では、乾留初期の廃プラスチックの急激な熱分解により発生する熱分解ガス量は非常に多く、乾留初期の炭化室内のガス圧が急激に増加することがわかった。
【０００８】
炭化室内のガス圧が上昇すると、コークス炉の炉蓋および装入蓋のシール箇所からガスが漏洩するため環境上の悪化を引き起こす。また、コークス炉の稼働年数の増加に伴って、炭化室側壁を構成する珪石煉瓦部での微細な亀裂の発生量が増加するために、炭化室内のガス圧が上昇した場合には、これらの亀裂を通して燃焼室側に熱分解ガス、及び石炭から発生するコークス炉ガスが漏洩してしまい、ガス回収量が低下することになる。
【０００９】
本発明者が廃プラスチックを炭化室内に装入した後の乾留初期のガス圧を測定した結果、特に、廃プラスチックを装入後の数分間は、炭化室内のガス圧力が著しく上昇することが判明した。
【００１０】
さらに、本発明者は、特開平９−１３２７８０号公報、および特開平９−１３２７８２号公報に開示された方法では、コークスの品質（コークス強度）が低下することを見出した。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、廃プラスチックをコークス炉に装入して乾留し、高炉用コークスを製造する方法において、炭化室内のガス圧の増加を抑制し、かつコークスの品質を低下させない方法の開発が必要とされていた。
【００１２】
本発明は、廃プラスチックを石炭とともにコークス炉に装入して乾留する高炉用コークス製造方法において、炭化室内のガス圧の増加を抑制し、かつコークスの品質を低下させないコークス製造方法を提示することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
【００１５】
（１）コークス炉炭化室に、先に予め石炭と混合した廃プラスチックを装入し、その後石炭を装入する方法において、該廃プラスチックと混合する石炭が、成型炭で構成されてなることを特徴とする高炉用コークスの製造方法。
【００１８】
（２）前記廃プラスチックが、減容固化した塊状物であることを特徴とする上記（１）に記載の高炉用コークスの製造方法。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明者は、廃プラスチックをコークス炉の炭化室内に装入した後の廃プラスチックの熱分解挙動およびガス圧が急激に増加するメカニズムについて詳細に調べた。
【００２０】
廃プラスチックの熱分解挙動について熱天秤試験、および乾留試験炉を用いて調べた結果、廃プラスチックの熱分解速度は石炭に比べて非常に大きい。
【００２１】
また、炭化室内に廃プラスチックを装入した場合の伝熱特性について調べた。この結果、廃プラスチックは嵩比重が約０．３ｔ／ｍ3程度であり、石炭の嵩比重の約０．７５ｔ／ｍ3に対して非常に小さいために、コークス炉の炭化室内に廃プラスチックを装入した場合は、廃プラスチックの充填層内の空隙率が大きくなるので、炭化室内の熱風が廃プラスチック層内を通過することによる対流伝熱および輻射熱による伝熱量が大きく、熱分解が急激に起こることがわかった。
【００２２】
本発明者が、廃プラスチックをコークス炉の炭化室内に装入した後の炭化室内のガス圧を測定した結果、特に、廃プラスチックを装入後の数分間は炭化室下部に装入した廃プラスチックの急激な熱分解に伴って、ガス圧が著しく増加することが判明した。
【００２３】
さらに、本発明者は、廃プラスチックをコークス炉炭化室に単独で先に装入し、その後石炭を装入して乾留した時に、コークスの品質（コークス強度）が低下する原因について鋭意検討した。この場合、炭化室内における廃プラスチックと石炭の位置関係は、先に装入された廃プラスチックが炭化室の底部に位置し、後から装入された石炭がその上部に存在することとなる。その結果、以下の理由によりコークスの品質が低下することが明らかになった。
【００２４】
コークス炉の底部に装入された廃プラスチックは、熱分解速度が大きいため、装入から短時間で熱分解が進行する。このため、廃プラスチック層は、上部に装入した石炭の加重により圧密され、次第に沈下していく。一方、廃プラスチック層の上部に装入した石炭層は、廃プラスチック層の沈下につれて徐々に沈下する。しかしながら、廃プラスチックの熱分解が終了して廃プラスチック層の沈下が終了するには数時間かかるため、石炭層は、炉壁との粉体圧による摩擦抵抗の効果もあり、廃プラスチック層ほどは沈下せず、石炭層の装入密度は初期の装入密度よりも小さくなるのである。コークス強度は、石炭の装入密度が高いほど高い。このため、廃プラスチックをコークス炉炭化室の底部に単独で装入し、その上部に石炭を装入して乾留した時に、コークスの品質（コークス強度）が低下する。
【００２５】
そこで、本発明者は炭化室内に装入した廃プラスチックの熱分解ガスをコークス炉炉頂空間に容易に排出させ、炭化室内のガス圧の増加を抑制する方法、およびコークス品質を低下させない方法について鋭意検討した。
【００２６】
この結果、成型炭と廃プラスチックを混合して炭化室に先に装入し、その後で石炭を装入すれば、炭化室内のガス圧の増加を抑制し、かつコークス品質を低下させないことが可能である本発明に係る高炉用コークスの製造方法を完成するに到った。
【００２７】
すなわち、本発明の高炉用コークスの製造方法では、コークス炉炭化室に、先に予め石炭と混合した廃プラスチックを装入し、その後石炭を装入する方法において、該廃プラスチックと混合する石炭が、主に成型炭で構成されてなることを特徴とするものである。
【００２８】
この場合、炭化室内における廃プラスチックと石炭の位置関係は、先に装入された主に成型炭で構成されてなる石炭と廃プラスチックの混合物が炭化室底部に位置し、後から装入された石炭がその上部に存在することとなる。
【００２９】
このため、本発明の高炉用コークスの製造方法では、コークス炉炭化室に装入するコークス原料のうち、少なくとも該炭化室の底部には、予め主に成型炭で構成されてなる石炭と廃プラスチックとを混合したコークス原料を用いることを特徴とするものであってもよい。当該実施形態によっても、炭化室内のガス圧の増加を抑制し、かつコークス品質を低下させないことが可能である。
【００３０】
主に成型炭で構成されてなる石炭と廃プラスチックを混合して炭化室に装入すると、成型炭充填層の空隙に廃プラスチックが入り込む。廃プラスチックからの熱分解ガスは、成型炭充填層の空隙を通過して炉頂空間部に排出されるため、乾留時の炭化室内でのガス圧の上昇が抑制できる。また、廃プラスチック単独で装入する場合に比して急激な分解ガスの発生が抑えられる。
【００３１】
廃プラスチックと混合して装入する石炭としては、主に成型炭で構成されてなる石炭であればよく、具体的には、当該石炭に占める成型炭の質量比率は、通常７０％以上、好ましくは８５％以上、特に好ましくは１００％（全量が成型炭）である。成型炭の質量比率が７０％未満の場合には、成型炭充填層に形成される空隙部分が小さくなるため、熱分解ガスが空隙を通過して炉頂空間部に排出され難くなり、乾留時の炭化室内でのガス圧の上昇が十分に抑制できない。
【００３２】
上記廃プラスチックと混合して装入する石炭において、上記成型炭以外の他の成分としては、通常用いられているところのコークス原料炭、すなわち、粘結性と石炭化度とが所望の範囲になるように数種の石炭の粉炭を配合してなる配合炭、例えば、粒度３ｍｍ以下が７０質量％以上のものなどを使用することができる。
【００３３】
また、成型炭とは、石炭粉を一定の形状に成型したものである。
【００３４】
また、本発明では、上記成型炭充填層の空隙に廃プラスチックが入り込むことができ、熱分解によって体積が減少しても成型炭充填層全体の体積が減少しないようにそれぞれの粒度が調整されていることが望ましいものである。したがって、成型炭の粒度としては、２０ｍｍ以上であることが望ましい。成型炭の粒度が２０ｍｍ未満の場合には、成型炭充填層に適当な大きさの空隙を形成することができず、廃プラスチックが入り込み難くなるため成型炭および廃プラスチックからなる嵩密度が低い充填層が形成されることになるため好ましくない。
【００３５】
上記成型炭の製造方法に関しては、特に制限されるものではなく、例えば、数種の石炭を配合した粉炭と結合剤を混和機を用いて混和し、その後水蒸気加熱混和機にて一体的に混和し、これを成型機にて成型し、成型炭とする方法など、従来公知の各種製法を適宜利用することができる。
【００３６】
また、成型炭と混合して装入した廃プラスチックは、熱分解して体積が減少してしまうが、成型炭はコークス化してコークス炉底部に残る。このため、上部石炭層の沈下を抑制でき、上部石炭層の装入密度は初期装入密度から変化しない。すなわち、底部に装入した成型炭が上部の石炭層を支えて沈下を抑制するのである。
【００３７】
また、底部の成型炭充填層の空隙に入り込んだ廃プラスチックについては、熱分解後は、成型炭の原形をとどめたコークスの表面に残渣として付着するか、あるいは、成型炭の接触界面に起因するコークスの亀裂表面に残渣として残るのみであり、コークス塊内にとりこまれない。廃プラスチックを石炭と均一に混合して乾留した時にコークス強度が低下するのは、石炭軟化溶融時に廃プラスチックと石炭の界面において、石炭の膨張・融着が阻害され、廃プラスチック周囲のコークス組織が脆弱化するためと考えられている。したがって、石炭と廃プラスチックを分離することにより廃プラスチックによるコークス品質への悪影響を低減することが可能と考えられる。このため、底部の成型炭層のコークス強度も低下しない。これにより、コークス強度の低下を抑制することができる。
【００３８】
また、本発明で用いることのできる廃プラスチックの種類としては、特に制限されるものではなく、現在、回収可能な全てのプラスチック廃棄物はその対象となり得るものである。これは、廃プラスチックの焼却により発生する有害物質のダイオキシン類などの分解温度よりも遙かに高温でコークスが製造されるため、分解ガス中にこうした有害物質が混入されるおそれがないためである。
【００３９】
また、廃プラスチックの粒度としては、上記成型炭充填層の空隙に入り込むことができる大きさであればよく、成型炭粒度の半分以下の粒度であることが好ましい。例えば、粒度５０ｍｍの成型炭の場合、２５ｍｍ以下の廃プラスチックが好ましい。なお、廃プラスチックの粒度の下限値については特に制限されるものではないが、１ｍｍ未満の場合には、回収業者等で行われているリサイクル用の前処理段階で一定粒度に破砕されて流通されているものをさらに微粉砕する必要があり、コスト高になるほか、予め成型炭と混合する際などの取り扱い時に粉塵が発生しやすくなる。
【００４０】
また、主に成型炭で構成されてなる石炭と廃プラスチックとの混合比率は、炭化室内のガス圧の増加が抑制でき、かつコークス品質も低下しないものであればよいが、その上で、さらにコークスの生産性および廃プラスチックの処理量（高リサイクル化）を勘案して決定すればよい。具体的には、成型炭で構成されてなる石炭と、廃プラスチックの質量比は通常９９％対１％〜７０％対３０％である。成型炭で構成されてなる石炭と、廃プラスチックの質量比が７０％対３０％よりも成型炭で構成されてなる石炭の混合比率が小さい場合には、廃プラスチックの熱分解による体積減少が大きいため、成型炭が上部石炭層の沈下を抑制できないため好ましくない。
【００４１】
また、先に予め上記石炭と廃プラスチックの混合物を装入した後に装入する石炭としては、特に制限されるものではなく、通常用いられているところの、粘結性と石炭化度とが所望の範囲になるように数種の石炭の粉炭を配合してなる配合炭（通常、粒度３ｍｍ以下が７５〜８８％のもの）、粉炭を成型してなる成型炭（通常、粒度２０ｍｍ以上のもの）、配合炭と成型炭との混合物などを利用することができる。さらに、コークス品質（コークス強度）に影響せず、急激な熱分解ガスの発生に伴うガス圧の上昇が起きない範囲であれば、さらにこれら後に装入する石炭の構成成分として廃プラスチックが配合されていてもよいことはいうまでもない。
【００４２】
先に装入する上記石炭と廃プラスチックの混合物と、その後に装入する石炭との炭化室への装入比率は、コークスの生産性および廃プラスチックの処理量（高リサイクル化）を勘案して決定すればよい。先に装入する石炭と廃プラスチックの混合物と、後から装入する石炭の質量比は、１００％対０％、すなわち、全量石炭と廃プラスチックの混合物で構成してもよい。
【００４３】
上記観点から、さらに本発明者は、廃プラスチックが多量に処理可能である方法について検討した。その結果、コークス炉内の装入物を全量主に成型炭で構成されてなる石炭と廃プラスチックを混合してなる混合物（コークス原料）、好ましくは成型炭と廃プラスチックを混合してなる混合物（コークス原料）とし、この混合物をコークス炉に装入することにより、廃プラスチックを多量に処理する方法を発明した。
【００４４】
本発明においても、炭化室内のガス圧の増加は抑制され、また、コークス品質も低下しない。
【００４５】
炭化室内のガス圧の増加が抑制されるのは、先に述べたように、主に成型炭で構成されてなる石炭、特に成型炭と廃プラスチックを混合して炭化室に装入すると、廃プラスチックからの熱分解ガスは、成型炭充填層の空隙を通過して炉頂空間部に排出されるためである。
【００４６】
コークス品質が低下しないのは、先に述べたように、廃プラスチックは成型炭間の空隙に入り込み、残渣はコークス表面に残り、コークス組織を脆弱化させないためである。
【００４７】
主に成型炭で構成されてなる石炭と廃プラスチックの混合物を装入し、その後石炭を装入する方法を用いるか、主に成型炭で構成されてなる石炭と廃プラスチックの混合物を全量装入する方法を用いるかは、処理したい廃プラスチックの量、成型炭を製造するのに必要なコストなどにより決めればよい。前者の方法では、処理可能な廃プラスチックの量は少ないが、必要とする成型炭の量は少なくてすむため成型炭製造コストは小さくなる。一方後者の方法では、処理可能な廃プラスチックの量は多いが、必要とする成型炭の量が多いため成型炭製造コストは大きくなる。
【００４８】
また、廃プラスチックの密度が高いほど、成型炭充填層の空隙に装入可能な廃プラスチックの質量は多くなる。廃プラスチックの密度は小さいのが通例であるが、例えば、主に成型炭で構成されてなる石炭と混合する廃プラスチックとして、減容固化した密度の高い塊状物の廃プラスチックを使用することにより、なるべく多くの廃プラスチックを処理することが可能である。ここでいう減容固化技術としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを適宜利用することができるものであり、例えば、廃プラスチックを破砕処理した後、熱により溶融または半溶融させた後に固化させることにより減容固化された粒状の塊状物に加工する方法、廃プラスチックを破砕し、該破砕片を圧縮し、その圧縮工程で発生する熱で破砕片中の熱硬化性樹脂を軟化させると共に破砕片中の容積を圧縮して塊状の減容固化体を形成する方法などが挙げられる。
【００４９】
該廃プラスチックの塊状物の粒度に関しては、上記廃プラスチックと同じ理由により同一粒度範囲とすることが望ましい。
【００５０】
本明細書で、ガス圧とは、炭化室内に廃プラスチックおよび石炭を装入した後、乾留初期の約１時間以内に発生する炭化室内の炉蓋近傍のガス道におけるガス圧のことを指している。
【００５１】
炭化室内のガス圧は、内径１ｍｍのステンレス製のガス採取管（プローブ）を炉蓋から炭化室内に挿入して連続的に測定し、その中で最大値をガス圧として表した。ガス圧の測定は、高さは炭化室の炉底から０．６ｍで、幅方向については炭化室の中央部の位置で測定した。
【００５２】
【実施例】
実施例１
比較例１においては、原料炭と廃プラスチックの質量比を９５％対５％とし、５％の廃プラスチックをコークス炉底部に装入した後、原料炭を上部に装入し、炉温１２５０℃で乾留時間２０時間の条件で乾留し、コークスを製造した。
【００５３】
また発明例１においては、粉炭のままの原料炭と、成型炭と、廃プラスチックの質量比を７５％対２０％対５％とし、成型炭と廃プラスチックの混合物をコークス炉底部に装入した後、粉炭のままの原料炭を上部に装入し、炉温１２５０℃で乾留時間２０時間の条件で乾留し、コークスを製造した。
【００５４】
使用した石炭のうち、粉炭のままの原料炭の粒度は、３ｍｍ以下の割合が８０質量％であり、揮発分は２７．１％である。また、成型炭は、原料炭と同じ粉炭に結合剤を加えて成型したものであって、平均粒度が約５０ｍｍのものである。
【００５５】
使用した廃プラスチックは、ポリエチレン約１５質量％、ポリプロピレン約１５質量％、ポリスチレン約１０質量％、ポリエチレンテレフタレート３０質量％、その他約３０質量％の混合物を減容固化したものであり、平均粒度が約６ｍｍ、比重が約０．３ｔ／ｍ3である。
【００５６】
この結果、比較例１においては、炭化室内のガス圧は８ｋＰａと極めて高かった。また、この際、炉蓋、装入孔のシール箇所からのガス漏洩が認められた。得られたコークスのドラム強度は８２．５と低く、目標の８４に到達しなかった。
【００５７】
これに対して、発明例１においては、炭化室内のガス圧は２ｋＰａと低かった。また、この際、炉蓋および装入孔のシール箇所からのガス漏洩が皆無であり、良好な結果が得られた。得られたコークスのドラム強度は８４．５と高く、品質のよいコークスが製造できた。
【００５８】
実施例２
発明例２において、成型炭と、廃プラスチックの質量比を８５％対１５％とし、成型炭と廃プラスチックの混合物をコークス炉に装入し炉温１２５０℃で乾留時間２０時間の条件で乾留し、コークスを製造した。
【００５９】
使用した成型炭は、石炭粒度が３ｍｍ以下の割合が８０質量％であり、揮発分は２７．１％である粉炭に結合剤を加えて成型したものであって、平均粒度が約５０ｍｍのものである。
【００６０】
使用した廃プラスチックは、ポリエチレン約１５質量％、ポリプロピレン約１５質量％、ポリスチレン約１０質量％、ポリエチレンテレフタレート３０質量％、その他約３０質量％の混合物を減容固化したものであり、平均粒度が約６ｍｍ、比重が約０．３ｔ／ｍ3である。
【００６１】
この結果、発明例２においては、炭化室内のガス圧は１ｋＰａと低かった。また、この際、炉蓋および装入孔のシール箇所からのガス漏洩が皆無であり、良好な結果が得られた。さらに得られたコークスのドラム強度は８４．０と高く、品質のよいコークスが製造できた。
【００６２】
【発明の効果】
本発明により、炭化室内のガス圧の増加を抑制し、かつコークスの品質を低下させないで廃プラスチックを石炭とともにコークス炉で処理することが可能となり、その結果、廃プラスチックを熱分解することによって、ガスとしての再利用及びコークス原料としての利用を図ることが可能になった。さらには、本発明により、コークス炉操業に支障なく、廃プラスチック処理量をさらに増加させることが可能となり、環境対策、および経済的効果に対して非常に価値の高い発明である。