触媒を用いる廃プラスチックの連続分解油化プロセスの実証化
Commercial viability of a continueous catalytic cracking process for waste plastics○谷春樹、村上弥生、藤元 薫(北九州市立大学) 池田 善行(イマナガ) 呉 倍莉、織田 真人、
佐藤 毅夫(東芝) 北井 三正(北九州産業学術推進機構)
Haruki Tani, Yayoi Murakami, Kaoru Fujimoto(The University of Kitakyushu) Yoshiyuki Ikeda(Imanaga) Bairi Go,
Masato Oda, Takeo Sato(Toshiba) Mitsumasa Kitai(FAIS)
80kg/h waste plastics from general use could be cracked continuously to oil and LPG by injecting it directly
into heated and agitated 1000kg spent FCC powder catalyst (SFC). Product was mainly composed of naphtha,
kerosene and gas oil with small amount of heavy oil. The amount of chorine in the product oil could be
reduced to less than 100ppm by using powder SFC catalyst with suitable chlorine absorbing material, eventhe feed stock contained chlorine with 1% by weight or higher. A demonstration plant operation which utilize
SFC catalyst could process the waste plastic in the rate of 66Kg/h(max. 80kg/h, 25h) and in total about
2800Kg without regeneration while giving oil and gas(LPG) with the yield of 85wt% with the chlorine levellower than 100ppm and no free hydrochloric acid formation.
Key Words: Waste plastics, Liquefaction, Catalytic cracking

１．緒言
プラスチックの消費は世界的に毎年増加しており、日本においても年間約 1000 万 t 規模になっている。プラスチッ
クの有効利用率は、現在は約 75%にまで達しているものの、種類や用途が限定される産業廃棄物系プラスチックではマテリアルリサイクルの率が高いが、雑多のプラスチックの混合物である一般廃棄物系では大半がサーマルリサイクルで、ごみ焼却ボイラー燃料として利用されており、ケミカルリサイクルやマテリアルリサイクル率は数%以下である。
そもそも、大部分石油を原料としているプラスチックを、元の石油あるいは炭化水素系化学品に戻すことは LCA 的に優れたリサイクル法とされているが、従来の油化プロセスは得られる製品が必ずしも品質が高くないため、一般系廃プラスチックス油化プロセスの競争力は高くない。
そこで、本研究室では従来の欠点を克服しつつ、高効率油化プロセスを開発することを目的とし、触媒として FCCの廃触媒を使用することで、高収率でナフサ分に富む分解油を回収できることを見出した (1)。また、含塩素プラスチックに関しては、Ca(OH)2 と FCC 廃触媒と共存させることで分解油中の有機塩素分を 100ppm 程度に抑えられることを報告してきた (1),(2)。このプロセスを用いることで、図 1のような脱塩素に関する付帯設備を省略する事が出来、非常にシンプルなプロセスを実現することができる。
本研究では、本油化プロセスの実用化に向けての評価を行うため、経済産業省のプロジェクトとして、北九州産業学術推進機構コーディネートの下、図 1 のシステムのように分解油の化学原料化を目標に、プロセス設計と運転結果の評価および触媒の再生法の検討を北九市立大、プラントの建設・運転およびコスト試算などを東芝、プラントへの原料の収集・および加工をイマナガ、運転から得られた分解油の化学原料化への評価を JX(旧ジャパンエナジー)がそれぞれ担当し、北九州エコタウンの実証エリアにプラントを建設し運転を行った。
２．実験
図 2 に、ラボ機として用いた横型の攪拌式横型反応器を示す。反応は、FCC 廃触媒や脱塩素剤をあらかじめ反応器に投入し、反応温度まで撹拌しながら加熱する。その後、原料となる廃プラスチックを室温のまま投入する。投入された廃プラスチックは、熱媒である触媒と接触することで熱の供給を受け、触媒と接触するプラスチック表面から分解・ガス化する。その際、含塩素プラスチックから塩化水素が発生するが、触媒と共に投入されている脱塩素剤によりその場で中和固定化されるため系外には放出されない。
分解・ガス化した生成物は、キャリアガスと共に系外へ排出し、2 段の冷却器によって冷却して分解油を回収する。
ガス成分はオンライン GC-FID によって定量した。
また、図 3 にこのプロセスを元に建設された実証試験器のフローを示す。処理能力は、80kg/h であり、基本的なフローはラボ機を同じであるが、実証機では反応から出る炭化水素ガスをその熱源として再利用し、反応ガスで運転中の熱源を賄うシステムとなっている。
実証試験では、PP・PE の混合物、一般系廃プラスチック(Cl:3.2%)、家電のリサイクルプラ、自動車のシュレッダーダストの４種を用いた。PP・PE 混合物、一般系の廃プ
ラスチックは、イマナガにおいて数 mm のペレットへ加工したものを試験機に供給した。試験は、ラボと実証機を用いてそれぞれ運転を行い、ラボスケールの性能が実証されているかを評価した。また、得られた分解油を JX において分解油の詳細分析を行い、分解油を製油所で原料として使用するための評価を行った。その他に、北九州市立大では製油所の異なる FCC 廃触媒での性能比較、触媒の再生法(炭素分の除去、塩素分の除去)について検討し、東芝では、運転・制御法やコスト試算などの検討が行われた。

図１：従来と実証プロセスの比較

Vent

Plastics&catalysts
Ice-water
N2

FID

N2

Low
temperature
trap

H2O

また、反応後の触媒と再生法について反応後の触媒を用いて検討した。反応後の触媒に付着している炭素分は500℃前後で空気焼成により除去できた他、Ca(OH)2 により中和固定化された塩素分(CaCl2)は、Na2SO4 水溶液による洗浄でそのほとんどを除去できることを明らかとした。

NaOH

－80℃

HeaterLPG

ReactorCrackedoil

図 2：横型攪拌式装置(ラボ機)

図 4：一般系廃プラスチック分解油の留分選択性

図 3：実証試験器のフロー
３．結果・考察
図４、5 に、運転を行った 4 種のプラスチックのうち、3.2％の塩素を含む一般系廃プラスチックを対象とした運転の結果を示す。一般系の廃プラスチックは、42 時間の連続試験を行ったが、大きなトラブルはなく、安定した運転が行われた。運転結果も、ナフサ選択性や分解油中の塩素分などではラボ機よりも良い結果が得られ、プラントの安定性だけでなく、本プロセスの性能も再現されていることが証明された。また、塩素分も安定して 100ppm 以下の値が得られており、従来大学で得られた原料と Ca(OH)2 との混合投入方が優れた運転方法であることも証明された。運転においては、反応ガスを実際に熱風発生炉の熱源として供給し、運転に必要な熱量が賄えることも証明された他、排ガスなどの周辺の環境測定もすべてクリアされた。
一般系の廃プラスチック以外の 3 種類についても、ラボ機と実証機との運転結果はよく一致しており、いずれの原料からもワックス分をほとんど含まない流動性の高い分解油が得られ、塩素分についてはすべて 100ppm 以下であった。また、JX での分解油の詳細な分析結果についても製油所で化学原料として利用できるレベルであるとの評価が得られた。また、ABS を含有するプラスチックからも純度の高いナフサが得られており、PET を含有するプラスチックからも容易に酸を含有しない分解油が得られた。しかし、原料中のウレタンなどに由来すると思われる芳香族アミン化合物が分解油中に、分解ガス中には NH3 が含まれていた事から、一般廃棄物系のプラスチックには有効であるものの、産業廃棄物系のプラスチックを対象とする場合には、それぞれのプラスチックに合わせた触媒系の工夫が必要となる。

図 5：一般廃棄物系廃プラスチック分解油中の塩素分４．結論
80kg/h の能力を有する実証機を建設し、40 時間以上の連続運転を含め順調に運転された。その性能は、ラボスケールの性能をよく反映しており、一般系廃プラスチックの他、家電プラ、自動車シュレッダーからも高収率でワックス分を含まないナフサ留分に富む分解油が得られた。また、分解油中の塩素分も安定して低く、本プロセスの有効性が証明された。
謝辞
本研究は、経済産業省「平成２１年度産業技術研究開発委託費（プラスチック高度原料化技術開発事業、代表：藤元 薫）」として行われたものである。ここに、深く謝意を表す。
参考文献(1) K.Fujimoto, H.Tani, X.Li, Catalytic Cracking of Waste
Plastics-Catalytic Performance of Spent FCC Catalyst for
Polyolefins Cracking-， 4th ISFR 予稿集，pp.119-122,(2007)(2) 藤元 薫、谷 春樹、芳賀 裕之, 一般廃棄物系廃プラ
スチックの油化プロセスの開発, 環境資源工学, Vol.57.
No.4. p.150～p.155