JP2005263983A - コークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製鉄用のコークス製造用のコークス炉を用いて、多量の廃棄プラスチック等の廃棄物を再資源化処理できる、コークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法を提供すること。
【解決手段】有機系廃棄物を製鉄用コークス製造に用いるコークス炉の炭化室に装入して、乾留熱分解することにより処理する方法であって、前記炭化室にコークスを所定のレベルまで装入してベッドコークスを形成し、該ベッドコークスを所定の温度まで加熱した後、前記有機系廃棄物を前記炭化室に装入して熱分解し、該熱分解された有機系廃棄物の残渣をコークスと共にコークス炉外に排出することを特徴とするコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法を用いる。コークス炉から排出された有機系廃棄物の残渣とコークスとを冷却後に分離し、該分離されたコークスを燃料および／または還元剤として利用することが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、コークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法に関する。

高炉等で使用する製鉄用コークスを製造するためのコークス炉を用いて廃棄プラスチックを処理するための技術が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。コークス炉内で廃棄プラスチックと共に石炭を乾留することで、コークスとともに廃棄プラスチックに由来する燃料ガス、タール等を得ることができる。

しかし一方で廃棄プラスチックをコークス炉で処理する場合には、廃プラスチックはコークス品質を規定する成分が乏しく、多種銘柄の石炭配合を変更しない場合にはコークス品質が低下する問題があるため、廃棄プラスチックの処理量に限界があることが知られている（例えば、特許文献３参照。）。また、廃プラスチックは揮発性成分が多いためコークス生産性が低下する問題もある。特許文献３によれば、廃棄プラスチックをコークス製造用装入炭の１．０ｍａｓｓ％超配合して処理するとコークス強度が低下する。低強度のコークスは高炉等での使用には不適格であり、したがって、製鉄用コークスを製造するコークス炉においては、廃棄プラスチックの石炭に対する配合率には限界がある。特許文献３では、この問題を解決するために、廃プラスチックを石炭に０．１〜１．０ｍａｓｓ％配合する、あるいは石炭装入直後または、石炭乾留時に廃プラスチックを炉頂空間部に装入する方法が開示されており、これにより多量の廃棄プラスチックをコークス炉で処理することが可能であるとしている。

特公昭４９−１０３２１号公報 特開昭５９−１２０６８２号公報 特開平８−１５７８３４号公報（第２頁）

特許文献３に記載の方法では、コークス炉の炉頂空間部の体積が小さいので廃棄プラスチック処理量に限界がある。多量の廃棄プラスチックを処理するためにコークス製造中のコークス炉の炉頂空間部の体積を大きくすると、相対的に装入される石炭量が少量となり、炉内充填密度が低下して生産されるコークス強度が低下し、また生産性も低下する。また、コークス炉の上部の炉頂空間部付近に装入された石炭は炉頂空間部の廃棄プラスチックの影響を受けて、やはり強度が低下するため、コークス強度を低下させずに多量の廃プラスチック処理を行うことは困難である。また、炭化室に廃プラスチックのみ装入して熱分解する方法も考えられるが、生成したチャー類の炉内からの排出は既存の押し出し装置では非常に困難である。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、製鉄用のコークス製造用のコークス炉を用いて、多量の廃棄プラスチック等の廃棄物を再資源化処理できる、コークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）有機系廃棄物を製鉄用コークス製造に用いるコークス炉の炭化室に装入して、乾留熱分解することにより処理する方法であって、前記炭化室にコークスを所定のレベルまで装入してベッドコークスを形成し、該ベッドコークスを所定の温度まで加熱した後、前記有機系廃棄物を前記炭化室に装入して熱分解し、該熱分解された有機系廃棄物の残渣をコークスと共にコークス炉外に排出することを特徴とするコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（２）ベッドコークスを形成するコークスの粒径が１００ｍｍ以下であることを特徴とする（１）に記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（３）コークス炉から排出された有機系廃棄物の残渣とコークスとを冷却後に分離し、該分離されたコークスをベッドコークスとして再利用することを特徴とする（１）または（２）に記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（４）コークス炉から排出された有機系廃棄物の残渣とコークスとを冷却後に分離し、該分離されたコークスを燃料および／または還元剤として利用することを特徴とする（１）または（２）に記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（５）コークス炉から排出された有機系廃棄物の残渣とコークスとを冷却後に分離し、該分離された有機系廃棄物の残渣を製鉄工程で利用することを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかにに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（６）有機系廃棄物を熱分解する際に発生したガスを冷却すると同時に、ガス中の不純物を除去して、清浄なガスとして利用することを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（７）有機系廃棄物を熱分解する際に発生したタール類を回収して利用することを特徴とする（１）ないし（６）のいずれかにに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（８）有機系廃棄物を所定の大きさに破砕または粉砕し、異物を除去した後にコークス炉に装入することを特徴とする（１）ないし（７）のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（９）有機系廃棄物が炭化室内で熱分解することにより形成される炉内空間の体積に応じて、さらに廃棄物をコークス炉内に装入する工程を複数回繰り返すことを特徴とする（１）ないし（８）のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（１０）炭化室内の温度を所定の範囲内に保持するように有機系廃棄物を装入することを特徴とする（９）に記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（１１）コークス炉が複数の炭化室を有し、該炭化室のうち一部の炭化室のみに有機系廃棄物を装入することを特徴とする（１）ないし（１０）のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（１２）コークス炉が複数の炭化室を有し、該複数の炭化室の全ての炭化室に有機系廃棄物を装入することを特徴とする（１）ないし（１０）のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
（１３）有機系廃棄物の水分含有量を２〜３０ｍａｓｓ％に調整することを特徴とする（１）ないし（１２）のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。

本発明によれば、コークス炉において多量の有機系廃棄物の効率的な再資源化処理が可能となる。さらに再資源化物であるチャー類、生成ガス、タール類あるいはベッドコークスを製鉄所内外で有効に活用することが可能であり、地球環境対策上も優れた方法である。このように本発明を適用すれば炭酸ガス削減による地球温暖化防止や廃棄物の再資源化による資源の有効利用、省資源、省エネルギー、さらに埋め立て削減による環境負荷の低減など、環境保全に多大な効果がある。

本発明では、炭素、水素、酸素、窒素、塩素、硫黄および灰分、水分を主成分とする、廃プラスチック、廃木材等の有機系廃棄物（以下、単に「廃棄物」と記載する。）を製鉄用コークス製造に用いるコークス炉に上部より装入し、乾留熱分解することにより生成する、発生ガス、タール類および炭化物を主体とする熱分解残渣（以下、「チャー類」と記載する。）等を回収、利用することにより廃棄物を再資源化する。

廃棄物を装入するコークス炉の炭化室には、予め炭化室内にコークスを所定のレベルまで装入し（以下、コークス炉内に装入したコークスを「ベッドコークス」と記載する。）所定の温度まで加熱した後に、廃棄物を炭化室の上部より装入し、乾留熱分解する。そして、熱分解されたチャー類をコークスと共にコークス炉外に排出する。

ベッドコークスに用いるコークスは炭化室からの押し出し機による排出時スムーズな排出が可能となるよう粒径１００ｍｍ以下とすることが望ましい。

また、廃棄物は、事前に所定の大きさまで破砕または粉砕し、異物を除去したもの、あるいはそれらを造粒、または塊状に成形したものを用いることが望ましい。

廃棄物のコークス炉への装入は、廃棄物がコークス炉内で熱分解・体積収縮により形成される炉内空間の体積に応じて、予め定められた量に計量された廃棄物を一度に装入する工程（バッチ装入）か、または連続的に装入する工程（連続装入）かを、チャー類が炉内所定レベルに達するまで複数回繰り返すことが好ましい。

また、廃棄物をコークス炉へ複数回装入する際には、コークス炉内の温度を所定の範囲内に保持するように装入することが望ましい。

上記のようにして廃棄物をコークス炉で処理することで、廃棄物を高速処理することが可能であり、大量の廃棄物をリサイクルすることが可能となる。

また、廃棄物のコークス炉への装入を繰り返して、コークス炉内のチャー類の量が増加して、ベッドコークスとチャー類が炉内の所定高さまで到達した場合には、炉内を沈静化、均質化させるためさらに所定時間保持した後に、ベッドコークスとチャー類を押し出し装置により同時にコークス炉より排出することが望ましい。

コークス炉は通常複数の炭化室を有するものであるが、コークス炉の炭化室のうち一部の炭化室のみに廃棄物を装入することが望ましい。一方で、コークス炉の複数の炭化室の全ての炭化室に廃棄物を装入することも効果がある。それぞれの場合の効果については後述する。

コークス炉から押しだされて排出されたベッドコークスおよびチャー類は、冷却装置等で冷却後、コークス、チャー類を篩い分け装置等を用いて分離し、分離されたコークスを再度ベッドコークスとして利用するかまたは、高炉あるいはキュポラ、あるいはガス化溶融炉などの燃料、還元剤などに利用することが望ましい。また、篩い分け装置等を用いて分離されたチャー類は、石炭と配合してコークス製造に供する、鉄鉱石と混合して焼結鉱製造プロセスの燃料として供する、石炭代替として高炉羽口より吹き込む、溶銑、溶鋼の保熱材として供するなど製鉄工程で利用することが望ましい。

廃棄物をコークス炉内で乾留熱分解する際に発生した一酸化炭素、水素、メタン等を成分とするガスは、付帯の設備等を用いて冷却すると同時に、ガス中の不純物を除き清浄なガスとして利用することが望ましい。

また、廃棄物をコークス炉内で乾留熱分解する際に発生したタール類を回収して、有効に利用することが望ましい。

さらに、発生したチャー類がコークス炉内レンガに付着、成長することを防止するために、有機系廃棄物の水分含有量を２〜３０ｍａｓｓ％に調整することが望ましい。予め廃棄物に水分を２〜３０ｍａｓｓ％含有させるか、または炉内に装備された装置により水蒸気または水を炉内に装入した廃棄物に所定量噴霧することで、水分含有量を調整可能である。

以下、本発明をより詳細に説明する。

（廃棄物の事前処理について）廃棄物は通常さまざまな大きさであり、さまざまな物質を含んでいる。そこで廃棄物を炭化室に装入するにあたって、事前処理を行うことによって再資源化処理の速度、効率を高めることが望ましい。図１に廃棄物の事前加工処理の一実施形態のフローを示す。廃棄物は破砕・異物（金属類、土砂類など）除去・塩化ビニル除去を行った後、成型機によって３〜３０ｍｍ程度の大きさに成型され、最終的に調湿される。

（実施の概略形態）本発明の一実施形態の概略を図２を用いて説明する。コークス炉は炭化室３と燃焼室４からなる。１は装炭車であり、炭化室３に装入する原料を搬送する。燃焼室４で燃焼された高温ガスが耐火隔壁レンガを加熱し、当該レンガからの伝熱により、炭化室３の上部にある装入孔２より装入されたコークス（ベッドコークス５）は加熱される。コークス装入直後温度は一旦低下するがその後回復するのを待って廃棄物６を同じ装入口２より装入する。廃棄物６は蒸し焼きにされ該熱分解で生成する炭化物を主成分とする残渣（チャー類）、生成ガス、タール類などに熱分解され、体積は大幅に収縮する。廃棄物６の装入を複数回繰り返した後ベッドコークス５とチャー類を押し出し機７を用いて炉外に排出する。排出されたベッドコークス５、チャー類は図３に示す方法で篩い分けられそれぞれ再利用される。なお、ベッドコークス５の役割はコークス炉窯内炉底、炉下部の耐火物を保護するとともに、押し出し設備によるチャー類の炉外への排出（窯出し）を円滑に行うことである。従ってベッドコークス５には高炉用の高強度のものを用いることが当然可能であるが、高炉用に適さないものであっても窯出し可能な最低限の強度（１５回転ドラム強度指数で８０以上）あるいは粒度を有するコークスであれば使用可能である。

（発明の時系列的な状態）以下、図４を用いて本発明の一実施形態を時系列的な状態で説明する。図４において、状態Ａに示すように高温状態になっている炭化室３内にあらかじめ製造された１００ｍｍ以下程度の大きさのコークスを炉底より所定のレベル（有効炉高の１／３程度）まで装入する。上記で説明した機能を有するこのベッドコークス５は所定の温度（８００〜１０００℃）まで加熱される。廃棄物６の下に何も装入しない状態で炭化室に廃棄物６を装入して熱分解すると廃棄物６の残渣が炉底や炉壁に付着してしまい、炉外への排出が困難となるが、炭化室３の下部にコークス５を装入し、その上に廃棄物６を装入することで、廃棄物６の残渣をコークスと共に炭化室３外に排出でき廃棄物６の付着の問題を解決できる。

次に状態Ｂに示すようにベッドコークス５投入後第一回目の廃棄物６を所定量装入する。この場合、コークス炉に装入する廃棄物６としては、一般廃棄物、産業廃棄物等の通常の有機物を主体とする廃棄物を用いることができる。廃棄プラスチックを主体とする廃棄物の場合熱分解生成物の収率が高いのでさらに好ましい。

状態Ｃに示すように廃棄物は炭化室３内で熱分解して炭化物類、乾留生成ガス、タール類等となり、体積収縮して乾留生成物（チャー類）１２となり、炭化室の上部に空間が形成される。

この空間にさらに新たに処理する廃棄物６を装入することが可能である。なお、廃棄物６の熱分解の終了は、コークス炉からの発生ガスをモニターすることで把握できる。石炭の乾留時（通常のコークス炉操業時）に同時に廃棄物処理を行う場合は、石炭の乾留過程でもガスが発生するため、廃棄物処理の終了時点の見極めが困難であり、廃棄物をコークス炉に効率良く追加投入することは困難である。

以上のように廃棄物装入―乾留熱分解収縮―装入を所定時間置いて複数回繰り返し（状態Ｄ〜Ｆ）、廃棄物の新規装入が困難になるまで行うことにより、高速かつ大量かつ効率的に廃棄物を再資源化処理することができる。

状態Ｇで示すように、廃棄物６の装入をｎ回行い、乾留生成物であるチャー類が炭化室の所定のレベルまで積み上がって新規装入が困難となった時点で押し出し装置により炭化室内のコークス、チャー類を排出し炭化室３を空にする（状態Ｈ）。その後、状態Ａに戻り一連の操作を繰り返す。なお、廃棄物６をコークス炉３に装入後に、必要に応じて、廃棄物６の上部にさらにコークスを再装入して、廃棄物３をコークスでサンドイッチした状態とすることも可能である。例えばフィルム状の廃棄プラスチックのような非常に軽い廃棄物等は飛散する恐れがあり、廃棄物６の上部にさらにコークスを再装入することで飛散を防止し、廃棄物６の処理効率を向上させることができる。これらの一連の操作においては、炭化室３内の温度が図４の上部のグラフに示すように所定の範囲内（例えば８００〜１０００℃）におさまるように燃焼室の燃焼ガスの制御により保持しながら行う。

以上は廃棄物をバッチ装入する場合の操作について述べたが、廃棄物を連続的に装入することも可能である。また、排出されたコークス、チャー類は図３に示すように、冷却後スクリーンでコークス、チャー類に篩い分け、後述するように有効に利用することが望ましい。

（処理窯数）通常、コークス炉は複数の炭化室を有するが、複数の炭化室のうち一部の炭化室のみにコークスと廃棄物とを装入することが望ましい。一部の炭化室の利用のみでも多量の廃棄物を処理できるので、廃棄物処理専用の炭化室とコークス製造用の炭化室とを分離することができ、高炉用のコークスを高炉の操業に十分な量安定して製造しながら、廃棄物処理を行うことができる。一方で、必要に応じて、複数の炭化室の全ての炭化室にコークスと廃棄物とを装入することも可能である。これにより短期間に非常に多量の廃棄物を処理することができる。高炉用のコークスを製造する設備であるコークス炉において、一定期間のみ廃棄物処理を行い、残りの期間は高炉用のコークスのみを製造することで、製造される高炉用コークスの品質も安定する。

（コークス、チャー類、生成ガス、タール類の利用）排出されたコークスおよびチャー類、生成ガス、タール類を利用する際の一実施形態を図３を参照しながら説明する。上述のように炭化室から排出され、篩い分けられたコークスは本発明におけるコークスベッドとして再度炭化室に装入して繰り返し利用することが可能である。あるいは、高強度を有するコークスは高炉に装入して還元剤として利用することが可能である。またガス化溶融炉の燃料として使用するコークスは、高炉で使用するコークスほどの高強度を有する必要もなく、廃棄物の残渣が付着している場合も問題がないため、廃棄物を処理する際に排出されたコークスは、ガス化溶融炉の燃料として多量に好適に使用できる。一方、乾留生成物の１つであるチャー類は燃料等に利用される。チャー類はたとえば、製鉄所の中で、鉄鉱石を焼き固める焼結鉱製造工程において燃料として利用することができる。また、高炉の羽口から吹き込むことにより微粉炭またはコークス代替としても利用可能である。あるいは、原料炭と混合してコークス製造用の原料として用いることもできる。乾留生成ガス、タール類は、石炭乾留により生成した乾留生成ガス、タール類と混合され従来通りの所定の処理をされた後、従来と同様に利用できる。一酸化炭素、水素、メタン、などを主成分とする乾留ガスは既存のコークス炉のガス処理設備を用いて清浄化され製鉄所のエネルギー源として利用される。またガス中のタール分は従来どおり回収され利用される。

製鉄原料製造用のコークス炉による試験を行った。廃棄物として比較的嵩密度の小さい廃棄プラスチックを上記の本発明の方法で処理する場合、炭化室一室（窯）当りで平均して１時間あたり３トン程度の廃棄物を処理することが可能であり、効率的に廃棄物が処理できた。このように本発明によれば廃棄物を高速すなわち、大量に再資源化処理することができる。

また、３〜１０ｍｍ程度の粒径に破砕処理または造粒した廃プラスチックを１バッチで４トン装入すると８０分程度（図４のｔ１の時間に相当）と短時間に熱分解を完了することがわかった。すなわち本発明によれば、乾留ガス化速度は十分大きく短時間に再資源化処理が可能であることがわかる。

また、１バッチ４トンずつ９回装入した、廃棄物処理１サイクルに要する時間（図４において、状態ＡからＨの１サイクルの時間ｔ２に相当）は１２時間程度であり、処理量は一日約７０トンであった。したがって、現在使用されているコークス炉１窯を用いて、時間あたり平均３トン、年間約２６０００トンの再資源化処理を効率的に行うことが可能である。一方従来技術のように石炭と混合して廃棄物再資源化処理を行う場合、石炭の乾留時間（通常２０時間以上）によって廃棄物処理時間が律速されるため、たとえば石炭中に１ｍａｓｓ％廃棄物を混合したとして１窯あたりの年間再資源化処理量は１３０トンであり、本発明の２６０００トンと比較すると大幅に少ない。別の見方をすれば、同じ量の廃棄物を処理するのに従来技術では本発明に比べて２００倍の窯数が必要である。本発明では石炭の乾留を行う必要がないため上記のように数時間程度で処理が完了でき、１窯あたりの廃棄物再資源化処理効率、速度が非常に大きく向上する。

有機物系廃棄物の事前加工処理の一実施形態のフロー。 本発明の一実施形態を示す概略図。 炭化室から排出したコークス、チャー類の利用フロー。 本発明の一実施形態の時系列的な説明図。

符号の説明

１ 装炭車
２ 装入口
３ 炭化室
４ 燃焼室
５ ベッドコークス
６ 有機系廃棄物
７ 押し出し機
８ ガイド車
９ 燃焼ガス
１０ 乾留生成ガス
１１ アンモニア水
１２ 乾留生成物（チャー類）

Claims (13)

1. 有機系廃棄物を製鉄用コークス製造に用いるコークス炉の炭化室に装入して、乾留熱分解することにより処理する方法であって、前記炭化室にコークスを所定のレベルまで装入してベッドコークスを形成し、該ベッドコークスを所定の温度まで加熱した後、前記有機系廃棄物を前記炭化室に装入して熱分解し、該熱分解された有機系廃棄物の残渣をコークスと共にコークス炉外に排出することを特徴とするコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
2. ベッドコークスを形成するコークスの粒径が１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
3. コークス炉から排出された有機系廃棄物の残渣とコークスとを冷却後に分離し、該分離されたコークスをベッドコークスとして再利用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
4. コークス炉から排出された有機系廃棄物の残渣とコークスとを冷却後に分離し、該分離されたコークスを燃料および／または還元剤として利用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
5. コークス炉から排出された有機系廃棄物の残渣とコークスとを冷却後に分離し、該分離された有機系廃棄物の残渣を製鉄工程で利用することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかにに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
6. 有機系廃棄物を熱分解する際に発生したガスを冷却すると同時に、ガス中の不純物を除去して、清浄なガスとして利用することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
7. 有機系廃棄物を熱分解する際に発生したタール類を回収して利用することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかにに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
8. 有機系廃棄物を所定の大きさに破砕または粉砕し、異物を除去した後にコークス炉に装入することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
9. 有機系廃棄物が炭化室内で熱分解することにより形成される炉内空間の体積に応じて、さらに廃棄物をコークス炉内に装入する工程を複数回繰り返すことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
10. 炭化室内の温度を所定の範囲内に保持するように有機系廃棄物を装入することを特徴とする請求項９に記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
11. コークス炉が複数の炭化室を有し、該炭化室のうち一部の炭化室のみに有機系廃棄物を装入することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
12. コークス炉が複数の炭化室を有し、該複数の炭化室の全ての炭化室に有機系廃棄物を装入することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。
13. 有機系廃棄物の水分含有量を２〜３０ｍａｓｓ％に調整することを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のコークス炉を用いた有機系廃棄物の再資源化方法。

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