JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）p. 67–72

高炉への廃プラスチック吹込み技術の高度化
Advanced Recycling Technology of Waste Plastics in Blast Furnace
浅沼稔

ASANUMA Minoru

JFE スチール

スチール研究所

環境プロセス研究部

梶岡正彦

KAJIOKA Masahiko

JFE スチールスチール研究所

製鉄研究部

桑原稔

KUWABARA Minoru

JFE スチール

東日本製鉄所（京浜） 製銑部 主任部員（副課長）

福本泰洋

FUKUMOTO Yasuhiro

JFE スチール

西日本製鉄所（福山） 製銑部 主任部員（副課長）寺田周雄

TERADA Kaneo

JFE スチール

資源循環推進部主任研究員（課長）

主任研究員（副部長）

主任部員（課長）

要旨
廃プラスチックのリサイクル技術の確立は地球環境保全および資源リサイクルの観点から極めて重要な課題である。廃プラスチックを高炉吹込み還元材として有効に利用するため，ホットモデル燃焼実験によりその燃焼・ガス化挙動について検討を行った。これら基礎的な知見をもとに，粗粒プラスチックの燃焼性改善のための微粉炭または／および天然ガスとの同時吹込み技術の開発，さらに燃焼・ガス化率向上と炉内通気性改善のためのCaCO3 と廃プラスチックを複合的に造粒する技術を開発した。また，新規なアイデアに基づく廃プラスチックの微粉砕技術についても検討し，実機化を図った。これら技術は，廃プラスチック高炉原料化技術として実高炉に適用されている。

Abstract:
The establishment of technology for recycling waste plastics is a highly important issue for global environmental
conservation and the society. JFE Steel has pursued the effective use of waste plastics as a reducing agent for
injection into blast furnaces, and conducted hot model experiments to study the combustion and gasification
behaviour of waste plastics. On the basis of this basic investigation, advanced technologies that can further improvethe combustion and gasification efficiency of waste plastics even with low strength has been developed; i.e. in orderto improve combustibility of fine waste plastics, technology for simultaneous injection of such plastics withpulverized coal and/or natural gas has been developed. For improved the strength of plastics, technology for
combined agglomeration of waste plastics with CaCO3 has been developed. In addition, technology for fine crushingof waste plastics has been studied on the basis of new ideas, and this technology has been applied in actual plantoperation. These technologies have been successfully applied in actual blast furnaces, contributing to lowering thereducing agent rate.の中国をはじめとする BRICs 諸国の目覚しい経済成長が1. はじめにCO2 排出量をますます増加させ，さらなる抜本的な CO2 排出量削減が必要となってきた。2008 年 7 月の G8（洞爺湖1990 年代より地球規模での CO2 などによる地球温暖化が顕在化し，温室効果ガスによる地球規模での温度上昇とサミット）において 2013 年以降の削減目標が議論され，2050 年までに半減との目標を共有した。

その影響などの詳細な将来予測が IPCC により報告され1)た 。そのため，地球規模での CO2 排出量削減を目的とし一方，資源の海外依存率の高い日本においては廃棄物の再資源化・有効利用が緊急の課題である。そのため，循環た京都議定書が 2005 年に発効され，締結した先進国全体型リサイクル社会の構築に向けて各種廃棄物のリサイクル

で 2008〜2012 年の 5 年間平均で 1990 年比に対して少なくを促進する循環型社会形成基本法が 2001 年に施行され，とも 5％の CO2 排出量削減を定めた。日本は同議定書に基その 1 つとして使用済みプラスチックの処理を促進する目づき 6％の CO2 削減目標を約束した。しかしながら，昨今的で，一般廃棄物系の容器包装プラスチックの再商品化に関する法律（容リ法）が 2000 年に全面施行された。法律2008 年 7 月 25 日受付

施行の効果が現れ，1999 年における使用済みプラスチック− 67 −

高炉への廃プラスチック吹込み技術の高度化（以降，廃プラ）の有効利用率が 46％であったものが，Crushed plastics

Granulated plastics

2)

2006 年には 72％にも向上している 。
産業界においても，地球温暖化の問題を真剣にとらえ，各業界において CO2 排出量削減やエネルギー使用量削減の施策あるいは自主行動計画を打ち出している。エネルギー多消費産業である鉄鋼業は地球温暖化防止対策の自主行動計画として，2008〜2012 年の平均におけるエネルギー消費10 mm

量を 1990 年比 10％削減する目標を掲げている（粗鋼生産量 1 億トンを前提）。また付加的に廃プラの集荷システムの10 mm

写真 1

高炉原料化プラスチック外観

Photo 1

Appearance of waste plastics

確立を前提に 100 万トンの廃プラ使用を見込んでいる。したがって，廃プラのリサイクル技術を確立していくことは，我が国の社会のみならず地球環境保全にとっても極めて重Combustion point
2 100
Temperature (˚C)

要な課題といえる。
JFE スチールではその法律施行に先立ち，1996 年より産業廃棄物プラスチックの高炉原料化を，2000 年には容リ法対応の使用済みプラスチック高炉原料化事業を実施している

3,4)。容リ法対応高炉原料化事業開始よりすでに 8 年経過

Temperature (˚C)

年）に達している。稼働当初は種々の課題もあり，プロセス改善を実施した。現状，高炉で使用している廃プラは10 mm 以下の粗粒に破砕処理および造粒処理したもので，レースウェイ内での機能を利用して，その滞留効果により還元ガスに変換するものであるが，廃プラ由来の ash 成分

Temperature (˚C)となった。また，昨今の高炉での高生産性（高出銑比），CO2 排出量削減の観点からの低還元材比操業においては，より廃プラの燃焼・ガス化効率を向上させる必要がある。
今後，吹込み量の増大を図りつつ，安定した高炉操業を継続していくためには，さらに燃焼性を強化する先進的な技

Raceway

Methane: 30 kg/t
Oxygen excess ratio: 2.7

1 500

Blast temp.:
1 200˚C

1 900
1 700
Pulverized coal: 70 kg/t
Oxygen excess ratio: 1.5

1 500

1 900
1 700
Granulated plastics: 70 kg/t
Oxygen excess ratio: 1.51 500
1 300

術開発が必要と思われる。この観点から当社では，廃プラ

0100200300400

Distance from tuyere nose (mm)と微粉炭あるいは天然ガスとの同時吹込み技術，固体骨材いての開発を積極的に推進してきている。

Blast

1 700

1 300
2 100による高炉内圧損上昇（通気性悪化）などの課題も明らか

5)

1 900

1 300
2 100

し，累積でのリサイクル量は約 48 万トン（2000 年〜2007を利用した複合造粒技術 ，微粉砕廃プラの製造技術につTuyere CokeInjectant

図1

微粉炭，メタン，廃プラ吹込み時のレースウェイ内温度分布

Fig. 1

Temperature change in raceway on injection of PC, CH4
and waste plastics

本稿ではまず，廃プラの基本的な燃焼・ガス化特性に関する知見，並びに燃焼・ガス化性を改善するために実施した各種技術開発内容について述べ，最後に廃プラの燃焼性た方が望ましい。これを実現する手段として，廃プラよりを抜本的に改善した結果について述べる。

も燃焼速度の速い，微粉炭や天然ガスの助燃効果を活用することが有効と考えられる。図 1 には高炉下部を模擬した
3)

2. 既存廃プラスチックの燃焼性向上
2.1

コークス充填層（ホットモデル実験装置） に微粉炭，メタン（天然ガスを模擬），廃プラを単独で吹き込んだ時のレー

微粉炭，天然ガス混合吹込みの検討

スウェイ内温度分布を示す。最高温度位置が吹込み位置に高炉に吹き込まれている廃プラ粒子の外観を写真 1 に示近いほど，燃焼が速いことを示し，同図に見られるようにす。この写真のとおり固形プラスチックを破砕処理したもメタンが最も燃焼が速く，微粉炭，廃プラの序列となる。のとフィルム状プラスチックを造粒処理したものであり，そこでまず，微粉炭混合の効果について検討した。上述

従来使用されている微粉炭に比較して，重量当たりの比表のホットモデル試験装置を用いて，廃プラと微粉炭の混合面積は小さく，緻密な構造である。高温場での廃プラの燃方法を変えた場合の試験結果を図 2 に示す。Case 1 は廃プ

3)

焼形態は表面燃焼と推定され ，廃プラの燃焼性を高める

ラと微粉炭を別々のランスより吹き込んだ場合，Case 2 はためには，より燃焼速度の速いものを助燃剤として添加し配管内で混合して吹き込んだ場合の結果である。Case 2 は

JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）− 68 −

高炉への廃プラスチック吹込み技術の高度化

Case 1
Plastics: 150 kg/t

子の速度変化を示す。両粒子とも気流により加速するが，Case 2
Plastics: 150 kg/t

Pulverized coal: 75 kg/t

プラスチック粒子の速度増加は粒子が大きいために，微粉Mixing

Pulverizedcoal
75 kg/t

炭に比較して遅い。これは高炉下部のレースウェイ内滞留時間を示唆し，廃プラは微粉炭に比較して滞留時間が長く，

Combustion and gasification
efficiency of solid injectant (%)

10095その点では燃焼に有利であることを示す。一方，配管混合

Blast temp.: 1 200˚C
Diameter of plastics: 3 mm

後の廃プラ粒子表面は図 3 に示したように微粉炭の付着が認められ，微粉炭の燃焼熱が直接プラスチックに供給され，プラスチックの燃焼・ガス化が促進されたことを示唆する。

90

また，その付着により，微粉炭の高温場での滞留時間が増85

加し，微粉炭の燃焼性も改善されたと考えられる。
次に，廃プラと微粉炭および天然ガスの同時吹込みの効

80

果を検討した。廃プラとしては造粒プラスチック（ただし，75

調和平均径は約 4 mm）を用いた。ブローパイプにランス
図2Fig. 2

固体補助還元材同時吹込みの効果

を 2 本挿入し，片側から造粒プラスチックと微粉炭の混合

Effect of simultaneous injection on combustion andgasification efficiency of solid injectants

物を，一方から天然ガスを模擬したメタンガスを吹き込んだ。造粒プラスチックと微粉炭はランスの上流側において配管内で混合した。実験条件を表 1 に示す。各吹込み条件

Case 1 に比較して，約 10％の燃焼・ガス化率の向上が認めにおいて，送風温度および羽口先風速は一定とした。また，られた。これは燃焼速度の速い微粉炭により廃プラの燃焼・断熱理論燃焼温度が一定となるように酸素富化率を調整しガ ス化 速 度 の 促 進され たものと推 察される。図 3 にはた。

120 m/s の気流中に吹き込まれたプラスチック，微粉炭粒

図 4 に酸素過剰率（送風中の酸素量と吹込み還元材を完NormalPulverized coaladhered150
Pulverized coalParticle velocity (m/s)

Gas velocity

Adhesion

120

Plastics

90

Pulverized coal⫹Plastics

Pulverized coal (50 µm)

60

Char

Plastics

Hot blast

30

Adhesion

Plastics (3 mm)Ignition of pulverized coal

Combustion heat

00.1
Distance from lance tip (m)図3Fig. 3

Pulverized coal

0.2

Plastics

Increase in residence time of pulverized coal

燃焼ガス化率向上のメカニズム

Mechanism of increase in combustion and gasification efficiency

表1Table 1

レースウェイホットモデル実験条件

Experimental conditions of raceway hot model

AB

C

DEFGH

I

PCR

(kg/t)

100

100

130

130

70

100

130

160

190

WPR

(kg/t)

30

30

30

3030

—

—

—

—

CH4. R(kg/t)

—

30—

3030

30

—

30

—

O2 enr.

(%)

1.0

4.0

2.0

6.0

3.0

3.0

3.06.03.00.88

0.94

0.70

0.66

Blast Temperature(˚C)

1 200Vtuy(m/s)

150

Ex. O20.91
0.75
Theoretical flame temperature (TFT): Constant
PCR: Pulverized coal rate WPR: Waste plastics rate

0.77

0.70

CH4. R: Methane rate
− 69 −

0.87

O2 enr.: Enrichment

Ex. O2: Excess O2 ratio
JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

高炉への廃プラスチック吹込み技術の高度化

骨材として，CaCO3 に着目した。CaCO3 はレースウェイ

Combustion and gasification
efficiency of solid injectant (%)

90
PC⫹WP at CH4 injection
PC⫹WP
PC at CH4 injection
PC80

シェルと同化し，シェルの融点を下げる効果も合わせ持つ5)ためである 。
写真 2 には，廃プラに CaCO3 を 3wt％添加し，押し出し造粒機で複合造粒した粒子の断面写真と，EPMA で Ca 原

70子の分布を測定した結果を示す。本図より，造粒物の空隙は CaCO3 で十分に充填されていることが分かる。また，
60

CaCO3 を 3〜5wt％添加した試料は，圧縮強度指数 σ（造粒後粒子の硬さを示す指数）が 98 から 245 N/mm へと 2 倍

500.60.70.80.9以上に向上することが確認された。

1.0

CaCO3 を 3〜5wt％含む複合造粒プラスチックを用い，Oxygen excess ratio

ホットモデル実験を実施した。結果を図 5 に示す。本図はBlast temperature: 1 200˚C Waste plastics: 30 kg/t
Methane rate: 30 kg/t Pulverized coal rate: 70–190 kg/t
Theoretical flame temperature: Constant
図4

調和平均径，平均強度指数 σ，ならびに燃焼・ガス化率 η 間の関係を図示したものである。本図より，全体的な傾向と固体補助還元材燃焼ガス化率へのメタン吹込みの効果

Fig. 4 Effect of methane gas injection on combustion efficiency
of solid injectants

して，調和平均径および平均強度指数がともに高い領域において，明らかに燃焼・ガス化率 η が高いことが分かる。
本実験における複合造粒プラスチックに関しても同様に，全燃焼させるために必要な必要酸素量との比）と燃焼・ガ強度が向上した結果，η も向上したと捉えることができる。

ス化率の関係を示す。メタンの同時吹込みにより，固体還元材（微粉炭，廃プラ）のトータルの燃焼・ガス化率が上1 mm昇した。メタンは前述したように燃焼速度が極めて速く，高温場を形成し，微粉炭および廃プラの燃焼ガス化を促進したためと推定される。
本結果は上述のメカニズムにより，微粉炭，廃プラ両方の燃焼が促進された効果によるものと考えられる。すなわ
ち，微粉炭は廃プラ表面に付着し，一緒に飛翔運動することで，燃焼熱を廃プラに有効に伝えることが期待される。
天然ガスは急激な燃焼により高温場を形成するので，廃プ
Granulated plastics

ラ自体の燃焼速度を向上させる。
本結果に基づき，廃プラと微粉炭および天然ガスの同時

写真 22.2

CaCO3 複合造粒プラスチックの外観および断面写真

Photo 2

吹込み操業を実施中である。

Ca(EPMA)

Appearance of combined agglomeration of waste
plastics with CaCO3

CaCO3 添加による造粒プラスチックの改善
Figures: Combustion and gasification
efficiency at injection rate of 70 kg/t

現状の廃プラ高炉原料化技術は 10 mm 以下に破砕ある
29.4

は燃焼性に劣るが，高炉レースウェイ内での循環滞留燃焼により，燃焼・ガス化率を稼いでいる。循環燃焼を考慮した場合，造粒プラスチックの強度が重要となり，強度が弱い造粒プラスチックでは輸送過程あるいは燃焼過程にて粉化（細粒化）しやすく，燃焼・ガス化率を低下させる要因
3)となることが基礎試験の知見として得られている 。また，
廃プラ中の ash 成分は滓化しにくく（高融点：約 1 750℃），高炉内の圧損上昇をもたらす。そのため，今後とも廃プラの利用を拡大していくには，粉化しにくい造粒プラスチッ

Mean strength index, σ (N/mm)

いは造粒処理したものを使用している。粗粒プラスチック必要がある。この手段として，廃プラ造粒時に骨材とともに造粒する，いわゆる複合造粒が有効と考えられる。このJFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）− 70 −

With CaCO3 addition
3 wt% CaCO3
5 wt% CaCO390%⬍

4819.6725992100100974860

9.87764

Without CaCO3addition

8285–90

Without CaCO3With CaCO302クを製造し（強度改善）し，燃焼・ガス化率を向上させるとともに廃プラ中 ash の滓化促進（通気性改善）を進める(Hot model)
80

図5Fig. 5468Harmonic mean diameter (mm)10

調和平均径，粒子強度と燃焼ガス化率の関係
Relationship among harmonic mean diameter, mean
strength index and combustibilityDifferential pressure of hot model(kPa)

高炉への廃プラスチック吹込み技術の高度化せるためには，廃プラを微粉化する必要がある。微粉のプ

1210Plastics⫹Pulverized coal
Plastics (12%CaCO3)⫹Pulverized coal

ラスチックは粗粒プラスチックのような循環滞留燃焼は期

Plastics (6%CaCO3)⫹Pulverized coal
Plastics (3%CaCO3)⫹Pulverized coal

待できず，レースウェイ内での 1 パス燃焼であり，その燃焼・ガス化率は燃焼速度に依存する。したがって，適正な粒径に廃プラを微粉化する技術が必要となる。以上のこと

8を踏まえ，従来困難であった廃プラの微粉化に取り組み，高炉原料化について検討を行った。

63.1
4020406080

単一あるいは混合プラスチックを粉砕する場合，通常粉

Injection time (min)砕によるエネルギーにより，プラスチック自身の温度が上

Blast temperature: 1 200˚C O2 enrichment: 3%
Plastics rate: 70 kg/t-p Pulverized coal rate: 70 kg/t-p
図6

昇し，軟化溶融してしまい微粉化が困難であった。そのため，従来冷却による粉砕が一般的である。しかしながら，レースウェイホットモデル試験における炉内圧損の経時変化
Fig. 6

廃プラスチックの微粉化の考え方と燃焼性

図 7 に示すように性質の異なるプラスチックを微細に溶融

Change in blast pressure of raceway hot modelexperiment混合し，常温まで冷却すれば，そのプラスチック間の界面Melting, mixing andPVC dechlorination

Many kinds of plastics

したがって，図のハッチングした領域に示すように，平均粒径が約 4.5 mm 以上，かつ σ が 118 N/mm 以上の廃プラ

Polypropylene

Heatを用いることにより，90％以上の燃焼・ガス化率が確保できるものと考えられる。
図 6 にはホットモデル試験での CaCO3 添加造粒プラス

Polyethylene

HClPVC

チックと微粉炭吹込みの経過時間と送風圧力の関係を示す。なお，本試験装置は高炉下部（送風条件など）を模擬

Polystyrene

PVC

Crack generationby shrinkage

しているが，溶銑・スラグの滴下はなく，炉内圧損上昇などが顕著に現れる。同図に示した通常の造粒プラスチック

Carbon residue

Pulverizing plastics
CrushCoolの場合，経過時間にともない，送風圧力が上昇する。一方，
CaCO3 添加造粒プラスチック（3％〜12％）の場合，送風圧力の上昇は見られなかった。また，試験終了後のシェルを採取し，X 線回折測定を実施した結果，通常の造粒プラ

PVC: Polyvinyl chloride

スチックでは Mullite（3Al2O3・2SiO2）であったものが，

図 7 プラスチック微粉砕の考え方
Fig. 7

CaCO3 添 加 で は 低 融 点 ス ラ グ で あ る Anorthite（CaO・Concept of waste plastics pulverizing

Al2O3・2SiO2）となっており，Ca が同化していることが観察され た。以 上 の 結 果 から，プラスチックに 添 加したPassing

CaCO3 が滓化・低融点化を促進し，炉内圧損が軽減された

100

ス比の削減や，炉下部通気性の改善に大きく寄与してい6)る 。

3. 廃プラスチック微粉化技術開発
近年の高生産（高出銑比），低還元材比操業においては，Combustion and gasification
efficiency (%)

ものと推察される。
本技術は西日本製鉄所の福山 3 高炉に適用され，コークである。補助還元材としては，より燃焼速度の速いものが望まれる。造粒プラスチックは粗粒が故に低比表面積で，機能が補足しているといえる。廃プラの燃焼速度を向上さ− 71 −

80604020Plastics
Pulverized coal
Blast temp.: 1 200˚C
Injection rate: 70 kg/t

00.0010.01
0.1
110Harmonized average diameter (mm)

従来にも増して羽口より吹き込む補助還元剤の利用が重要

燃焼速度が微粉炭に比べて遅いが，その分をレースウェイ

Circulating

図8Fig. 8

調和平均径と燃焼ガス化率の関係

Effect of particle diameter on combustion andgasification efficiency of plastics
JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

高炉への廃プラスチック吹込み技術の高度化（1） CaCO3 との複合造粒による廃プラ強度向上

Waste plastics（2） 微粉炭，天然ガスとの同時吹込みによる廃プラ燃焼性改善
Pretreatment

Off gas treatment

Blast furnace（3） 廃プラの微粉砕プロセス（APR process）の開発
廃プラを C ニュートラルな材料と見なすと，CO2 発生量削減への効果は大きく，今後とも廃プラ使用量の拡大に注

Cooler

力すべきである。

Melting and dechlorination
Crushing
0.2–0.4 mm

図9Fig. 9

参考文献

廃プラスチック微粉砕プロセス

Advanced plastics recycling process (APR)に応力が発生し，脆弱化する現象が基礎実験より見出された。したがって，従来使用している粉砕機においても常温で微粉とすることが可能と考えられる。
より微粉にすれば，燃焼性の観点からは有利であるが，ハンドリングの点より適正な粒度が存在する。粉砕後粒度として，微粉炭と同等の燃焼性（燃焼率，燃焼速度）を指1） 気象庁ホームページ．http://www.data.kishou.go.jp/climate/cpdinfo/ipcc/ar4/index.html. IPCC 第 4 次評価報告書第 1 作業部会報告書政策決定者向要約．
2） 社団法人プラスチック処理促進協会．http://www.pwmi.or.jp/flow/flame04.htm.
3） Asanuma, M.; Ariyama, T.; Sato, M.; Murai, R.; Nonaka, T.; Okochi, I.;
Tsukiji, H.; Nemoto, K. ISIJ Int. 2000, vol. 40, p. 244.
4） 浅沼稔，有山達郎．日本エネルギー学会誌．2004，vol. 83，p. 252．
5） Murai, R.; Asanuma, M.; Kashihara, Y.; Sato, M.; Ariyama, T.; Fukumoto,T.; Sakurai, M. CAMP-ISIJ. 2005, vol. 18, p. 97.
6） Sato, M.; Asanuma, M.; Murai, R.; Ariyama, T. Proc. ICSTI’06. Osaka.
2006, p. 577.

標とした。図 8 には調和平均径と燃焼ガス化率の関係を示す。同一粒径であれば，微粉炭に比較して 10％程度高い燃焼・ガス化率が得られた。したがって，通常使用されている微粉炭と同等の燃焼性を示すプラスチックの調和平均径は，図 8 より 0.2〜0.4 mm 程度と推定される。

3.2

廃プラスチック微粉化プロセス

燃焼性などの基礎検討結果から，図 9 に示すフローの廃プラ微粉化プロセスを JFE スチール東日本製鉄所（京浜地区）に 2007 年 3 月に建設した。同設備は廃プラの溶融混合，脱塩素，粉砕工程からなり，年間 8 000 t の微粉プラス

浅沼稔

梶岡正彦

チック（平均粒径 0.2〜0.4 mm）を製造する。現在，順調に稼働し，高炉還元材の低減に寄与している。

4. おわりに細粒，低強度の造粒プラスチックの燃焼・ガス化率を向上させるため，下記の技術開発を実施し，あらゆる性状の廃プラを対象とした advanced なリサイクル技術を完成させた。

JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

福本 泰洋− 72 −

寺田 周雄

桑原稔