固体燃料及びその製造方法
【課題】良好な燃焼性を有しており、加熱装置への融着を十分に低減することが可能な固体燃料を提供すること。
【解決手段】石炭から得られる粉体と、プラスチックを加熱して得られる加熱処理物と、を含む固体燃料であって、粉体は、石炭を粉砕した微粉炭、及び当該微粉炭を熱分解して得られる熱分解物の少なくとも一方を含有し、プラスチックは、熱可塑性プラスチックを含有し、加熱処理物は、熱可塑性プラスチックを溶融した後、冷却して得られる再固化物を含有し、揮発分の含有率が３０〜８０質量％、固定炭素の含有率が１０〜５０質量％、及び水分の含有率が０．１〜５０質量％である固体燃料。
【解決手段】石炭から得られる粉体と、プラスチックを加熱して得られる加熱処理物と、を含む固体燃料であって、粉体は、石炭を粉砕した微粉炭、及び当該微粉炭を熱分解して得られる熱分解物の少なくとも一方を含有し、プラスチックは、熱可塑性プラスチックを含有し、加熱処理物は、熱可塑性プラスチックを溶融した後、冷却して得られる再固化物を含有し、揮発分の含有率が３０〜８０質量％、固定炭素の含有率が１０〜５０質量％、及び水分の含有率が０．１〜５０質量％である固体燃料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体燃料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃棄物を有効に活用するために、都市ゴミや産業廃棄物に含まれる廃プラスチックを固体燃料として使用することが検討されている。通常、このような固体燃料は、廃プラスチックを石炭とともに加熱炉で加熱処理することによって作製される（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
廃棄物有効利用の観点からは、廃プラスチックの使用割合を極力高くして、固体燃料を製造することが求められる。一方で、このような固体燃料は、燃料として用いられるため、当然燃焼性にも優れていることが求められる。
【０００４】
このような要請に応じ、廃プラスチックと石炭とを混合してコークス炉中で乾留し、高炉用の固体燃料（コークス）を作製することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、廃プラスチックを用いた固体燃料の製造では、廃プラスチックを原料として用いるために、加熱炉の炉壁に融着したり、得られる固体燃料が塊状化したりする傾向がある。このような点を改善するために、有機物を燃焼して得られるダストを、融着防止材として廃プラスチックとともに原料に添加して固体燃料を作製することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、加熱した微粉炭に熱可塑性樹脂を添加し、微粉炭の周囲を熱可塑性樹脂でコーティングすることにより、低品位炭を改質することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９９５４９６号公報
【特許文献２】特開２００８−１０６２７０号公報
【特許文献３】特開平６−１０８０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
廃プラスチックを利用した固体燃料の製造方法は、通常工業スケールで行われるため、固体燃料を高収率且つ簡便な工程で製造することが求められる。また、製造される固体燃料は、良好な燃焼性を有することが求められる。しかしながら、上述の特許文献１の方法では、固体燃料（コークス）の製造に際し、プラスチックを含む原料を高温（１０００℃以上）に加熱して乾留させているため、プラスチック及び石炭の揮発分が殆ど揮発し、得られる固体燃料の収率が低くなってしまう。また、そのような固体燃料は、揮発分が少ないために着火性が十分ではない。
【０００９】
また、特許文献２の方法では、別途、融着防止材を調製する必要があることから、工程が煩雑となるうえに、融着防止材として、燃焼させて得られるダストや部分燃焼スラグを使用するため、得られる固体燃料の燃焼性に改善の余地がある。また、特許文献３の方法では、微粉炭の表面に溶融した熱可塑性樹脂が付着することとなるため、溶融した熱可塑性樹脂が加熱装置内部に付着することが懸念される。特に、工業スケールで大量に微粉炭を造粒する場合には、装置内部への付着が問題となり得る。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、原料として熱可塑性プラスチックを用いても、加熱装置内部への融着を抑制することが可能であり、良好な燃焼性を有する固体燃料を高収率で容易に製造することが可能な固体燃料の製造方法を提供することを目的とする。また、良好な燃焼性を有しており、加熱装置への融着を十分に低減することが可能な固体燃料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明では、石炭から得られる粉体と、プラスチックを加熱して得られる加熱処理物と、を含む固体燃料であって、上記粉体は、石炭を粉砕した微粉炭、及び当該微粉炭を熱分解して得られる熱分解物の少なくとも一方を含有し、プラスチックは、熱可塑性プラスチックを含有し、加熱処理物は、熱可塑性プラスチックを溶融した後、冷却して得られる再固化物を含有し、揮発分の含有率が３０〜８０質量％、固定炭素の含有率が１０〜５０質量％、及び水分の含有率が０．１〜５０質量％である固体燃料を提供する。
【００１２】
本発明の固体燃料は、プラスチックの加熱処理物とともに、微粉炭及び／又はその熱分解物を含んでいることから、加熱装置内に付着しやすい熱可塑性プラスチックを含んでいても、加熱装置の内部にプラスチックの溶融物が付着することを十分に低減することができる。また、揮発分と固定炭素と水分を特定の範囲で含有するため、良好な燃焼性を有する。
【００１３】
本発明の固体燃料は、上記再固化物を主成分として含む第１の相と、上記微粉炭及び上記熱分解物の少なくとも一方を主成分として含み、第１の相の外周を覆う第２の相と、を有することが好ましい。このような相構造を有することによって、プラスチックの再固化物の相の間に微粉炭又はその熱分解物の相が介在することとなり、加熱して再固化物が溶融しても、装置内における融着を十分に抑制することができる。また、比較的燃焼の早い第１の相を覆うように第２の相を有しているため、長時間に亘って高温燃焼を維持することが可能となる。
【００１４】
本発明の固体燃料は、平均比表面積が１．０ｍ２／ｇ以下であることが好ましい。このような小さい平均比表面積を有することによって、粉塵爆発の発生を十分に抑制することが可能となる。
【００１５】
本発明の固体燃料は、高位発熱量が２００００〜４００００ｋＪ／ｋｇであることが好ましい。これによって、石炭とほぼ同等の発熱量を得ることができる。
【００１６】
本発明の固体燃料は、ＪＩＳ Ｍ ８８１９に準拠して測定される、Ｃ（炭素）の含有率が６０〜８０質量％、Ｈ（水素）の含有率が１〜２０質量％、Ｏ（酸素）の含有率が１〜３０質量％であることが好ましい。このような範囲で各元素を含有することによって、一層良好な燃焼性を有する固体燃料とすることができる。このような固体燃料は、特にセメント焼成用の燃料として特に好適である。
【００１７】
本発明の固体燃料は、空気中、昇温速度１０℃／分で昇温する熱重量分析において、昇温開始前の重量を基準としたときに、３５０℃における重量減少率（無水無灰基準）が１〜７０％であり、５００℃における重量減少率（無水無灰基準）が１５〜１００％であることが好ましい。これによって、一層良好な燃焼性を有する固体燃料とすることができる。
【００１８】
本発明の固体燃料は、ＨＧＩが１５〜４０であることが好ましい。このようなＨＧＩを有する固体燃料は、容易に粉砕することが可能であり、良好な取扱い性及び良好な燃焼性を兼ね備える。
【００１９】
本発明の固体燃料は、粒状であり、全体の５０質量％以上の粒子が１．０ｍｍ以上且つ３０ｍｍ未満の粒子径を有することが好ましい。このような粒子径を有する粒状の固体燃料は、良好な取扱い性と良好な燃焼性を兼ね備える。
【００２０】
本発明の固体燃料は、熱可塑性プラスチック１００質量部に対して、微粉炭を５０〜５００質量部混合し、加熱して上記熱可塑性プラスチックの少なくとも一部を溶融した後、溶融した上記熱可塑性プラスチックを冷却して再固化し、粒状化して得られるものであることが好ましい。これによって、廃棄物の有効利用を図りつつ、良好な取扱い性と良好な燃焼性を有する固体燃料とすることができる。なお、熱可塑性プラスチック１００質量部に対して、微粉炭を１００〜５００質量部混合することがより好ましい。
【００２１】
本発明の固体燃料は、プラスチックが廃プラスチックを含むことが好ましい。これによって、廃棄物の有効利用を図りつつ、低コストで固体燃料を製造することができる。
【００２２】
本発明の固体燃料は、上記微粉炭及び上記熱分解物の少なくとも一方の平均粒子径が５００μｍ以下であることが好ましい。このように、微細な微粉炭及び熱分解物を含むことによって、装置内における融着が一層抑制された固体燃料とすることができる。
【００２３】
本発明では、別の側面において、熱可塑性プラスチックを含むプラスチックと石炭を粉砕して得られた微粉炭とを加熱装置に投入する投入工程と、熱可塑性プラスチック及び微粉炭を混合して混合物を得る混合工程と、混合物を加熱して固体燃料を得る加熱工程と、を有する固体燃料の製造方法であって、投入工程では、プラスチック１００質量部に対して、水分の含有率が０．１〜５０質量％である微粉炭を５０〜５００質量部投入し、加熱工程では、上記混合物を加熱して熱可塑性プラスチックを溶融物とした後に当該溶融物を固化して得られる再固化物と、微粉炭及び当該微粉炭の熱分解物の少なくとも一方と、を含む固体燃料を得る、固体燃料の製造方法を提供する。
【００２４】
本発明の製造方法によって得られる固体燃料は、プラスチックと微粉炭とを所定の比率で混合して固体燃料を製造しているため、加熱工程において熱可塑性プラスチックが溶融しても、熱可塑性プラスチックの溶融物の表面に微粉炭が付着し、装置内部への熱可塑性プラスチックの溶融物の融着を十分に抑制することができる。また、上記製造方法では、水分の含有率が所定の範囲にある微粉炭を用いているため、加熱工程における微粉炭の乾燥を促進することが可能となり、良好な燃焼性を有する固体燃料を容易に製造することができる。また、製造される固体燃料は、熱可塑性プラスチックの再固化物と微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物とを含んでいることから、良好な燃焼性を有する。
【００２５】
本発明の製造方法は、投入工程の前に、石炭及び／又は微粉炭を乾燥する乾燥工程を有することが好ましい。上記乾燥工程を有することによって、水分の含有率が高い石炭を用いた場合であっても、熱可塑性プラスチックの溶融を効率的に進行させることができる。
【００２６】
本発明の製造方法は、石炭が、亜瀝青炭、褐炭、及び泥炭から選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。このような低品位炭は、瀝青炭などの高品位炭よりも含水率が高いが、このような高水分で安価な低品位炭を用いた場合であっても、装置内への融着が低減された固体燃料を得ることができる。なお、低品位炭は、通常タールの含有率が高いために、加熱工程において加熱装置内部で融着し易い傾向を有しているものの、本発明の製造方法では、所定の割合で熱可塑性プラスチックを投入しているため、装置内部における融着を十分に抑制することができる。また、低品位炭は、炭化があまり進んでいないことから、微小な空隙が高品位炭よりも多くなっている。このため、粉砕して微粉炭とした時には比表面積が大きくなっているが、本実施形態の固体燃料では、溶融した熱可塑性プラスチックが空隙を覆うこととなるため、空隙が多く、粉砕時の比表面積が大きい低品位炭を用いた場合であっても、比表面積が低減されて粉塵爆発の発生を十分に抑制することができる。
【００２７】
本発明の製造方法は、微粉炭の平均粒子径が５００μｍ以下であることが好ましい。これによって、加熱装置内部における融着を一層抑制することができる。
【００２８】
本発明の製造方法は、加熱工程で、固体燃料の揮発分を３０〜８０質量％とすることが好ましい。また、加熱工程における、混合物に対する固体燃料の収率が、質量基準で７０％以上であることが好ましい。これによって、原料である熱可塑性プラスチックや微粉炭の揮発が抑制されて固体燃料の揮発分の含有率が高くなり、一層良好な燃焼性を有する固体燃料を製造することができる。
【００２９】
本発明の製造方法は、加熱工程の少なくとも一部を負圧下で行うことが好ましい。これによって、プラスチックの熱分解によって生成するタール成分の分圧が低下しプラスチック溶融物の表面の融着性が低減されて、固体同士の一体化・塊状化を一層低減することができる。このような作用によって、粒子径がより小さい粒状の固体燃料を得ることができる。
【００３０】
本発明の製造方法は、加熱工程を酸素ガス濃度１８体積％以下の雰囲気下で行うことが好ましい。このような雰囲気下で熱分解を行うことによって、酸化の進行が抑制されて、一層高い収率で固体燃料を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、原料として熱可塑性プラスチックを用いても、加熱装置内部への融着を抑制することが可能であり、良好な燃焼性を有する固体燃料を高収率で容易に製造することが可能な固体燃料の製造方法を提供することができる。また、良好な燃焼性を有しており、加熱装置への融着を十分に低減することが可能な固体燃料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の好適な一実施形態である固体燃料の製造方法の工程図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態である固体燃料の製造方法に用いられる加熱装置のブロック図である。
【図３】本実施形態の固体燃料の断面構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（倍率：１５０倍）である。
【図４】本発明の好適な一実施形態である固体燃料の製造方法に好適に用いられるロータリキルン型加熱炉の内部の攪拌板の例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施例１の固体燃料から灰分を除いた可燃分換算の熱重量分析（ＴＧ）結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、場合により図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図面において、同一又は同等の要素には同一の符号を付与し、重複する説明を省略する。
【００３４】
本実施形態の固体燃料は、石炭から得られる粉体と、プラスチックを加熱して得られる加熱処理物と、を含む固体燃料である。そして、上記粉体は、石炭を粉砕した微粉炭、及び当該微粉炭を熱分解して得られる熱分解物の少なくとも一方を含有しており、プラスチックは、熱可塑性プラスチックを含有している。また、プラスチックの加熱処理物は、熱可塑性プラスチックを溶融した後、冷却して得られる再固化物を含有している。そして、本実施形態の固体燃料は、揮発分の含有率が３０〜８０質量％、固定炭素の含有率が１０〜５０質量％、及び水分の含有率が０．１〜５０質量％である。
【００３５】
本実施形態の固体燃料の揮発分の含有率は、好ましくは４５〜６５質量％であり、より好ましくは５０〜６０質量％である。固体燃料の揮発分の含有率が４５質量％未満であると、得られる固体燃料の収率が低くなるとともに、着火性が悪化して良好な燃焼性が損なわれる傾向にある。
【００３６】
ところで、固体燃料の原料であるプラスチックを加熱すると、ポリエチレン等塩素を含まない熱可塑性プラスチックからは、可燃性の揮発分のみが揮発する。一方、塩化ビニル等、塩素を含むプラスチックからは可燃性の揮発分とともに塩素が揮発する（脱塩）。そのため、固体燃料の揮発分の含有率が６５質量％を超えた場合、原料となるプラスチックが塩素を含まない熱可塑性プラスチックであれば揮発分の収率が高くなるのみであるため問題はないが、塩素を含むプラスチックが原料に含まれていた場合、固体燃料中の揮発分が多いほど脱塩が不十分となり、固体燃料中の塩素等の不純物成分が多くなる。したがって、原料となる熱可塑性プラスチックに塩素が含まれている場合、固体燃料の揮発分は６５％以下であることが好ましい。
【００３７】
本実施形態の固体燃料の固定炭素の含有率は、好ましくは３０〜４５質量％であり、より好ましくは３０〜４２質量％である。このような範囲で固定炭素を含有することによって、廃プラスチックからなる固体燃料（固定炭素が少ない）に比べて、一層長い期間に亘って良好な燃焼を維持することができる。なお、固体燃料の固定炭素の含有率が３０質量％未満であると高温場の形成が困難になる傾向にある。一方、固体燃料の固定炭素の含有率が４５質量％を超えると優れた着火性が損なわれる傾向にある。
【００３８】
本実施形態の固体燃料の水分の含有率は、好ましくは０．１〜３０質量％であり、より好ましくは１〜２５質量％である。原料として高水分の石炭を用いた場合であっても、融着を低減し、かつ燃焼性に優れた固体燃料を得ることができる。
【００３９】
また、揮発分に対する固定炭素の比（燃料比）は、好ましくは０．５〜０．８であり、より好ましくは０．６〜０．８である。燃料比がこのような範囲にある固体燃料は、一層優れた燃焼性を有する。
【００４０】
本実施形態の固体燃料の高位発熱量（気乾ベース）の下限は、好ましくは２０，０００ｋＪ／ｋｇであり、より好ましくは２８，０００ｋＪ／ｋｇであり、さらに好ましくは２９，０００ｋＪ／ｋｇである。固体燃料の高位発熱量が低くなり過ぎると、十分に優れた燃焼性が損なわれる傾向にある。一方、固体燃料の高位発熱量の上限は、実質的に４０，０００ｋＪ／ｋｇである。
【００４１】
なお、本明細書において、高位発熱量は、ＪＩＳ Ｍ−８８１４に準拠して測定される単位重量（１ｋｇ）当たりの気乾ベースの発熱量をいう。また、揮発分、固定炭素及び水分の含有率は、ＪＩＳ Ｍ−８８１２に準拠して測定される、気乾ベースの含有率をいう。
【００４２】
本実施形態の固体燃料の平均比表面積は、好ましくは１ｍ２／ｇ以下、より好ましくは０．４ｍ２／ｇ以下、さらに好ましくは０．３ｍ２／ｇ以下である。このように小さい平均比表面積を有することによって、例えば同一粉砕条件で粉砕した石炭（微粉炭）に比べて、粉塵爆発の発生を十分に抑制することができる。なお、平均比表面積の下限に特に制限はないが、固体燃料の製造容易性の観点から、平均比表面積は、好ましくは０．０５ｍ２／ｇ以上、より好ましくは０．１ｍ２／ｇ以上である。
【００４３】
本実施形態の固体燃料は、粉砕すると、同一の粉砕条件で粉砕した石炭よりも比表面積が小さくなると考えられる。すなわち、石炭を粉砕して得られる石炭粒子の平均比表面積をＡとし、この石炭と同一の粉砕条件で固体燃料を粉砕して得られる固体燃料粒子の平均比表面積をＢとすると、以下の関係が成立すると予想される。
固体燃料粒子の平均比表面積Ｂ≦石炭粒子の平均比表面積Ａ
ここで、同一の粉砕条件とは、粉砕後の平均粒子径が同一となるまで粉砕する条件をいう。
【００４４】
低品位炭は炭化が進んでおらず、微小な空隙が多い。そのため、粉砕時における比表面積が大きいものの、溶融した熱可塑性プラスチックが空隙を覆うことで比表面積が小さくなり、同一粉砕条件における石炭よりも粉塵爆発の発生を十分に抑制することができる。なお、上述の平均比表面積は、ＪＩＳ Ｚ−８８３０に準拠して、島津製作所製のＡＳＡＰ２４２０（装置名）を用いて測定することができる。
【００４５】
本実施形態の固体燃料は、Ｃ（炭素）の含有率が好ましくは６０〜８０質量％、より好ましくは６５〜７５質量％、さらに好ましくは７０〜７５質量％；Ｈ（水素）の含有率が好ましくは１〜２０質量％、より好ましくは３〜８質量％；Ｏ（酸素）の含有率が好ましくは１〜３０質量％、より好ましくは５〜２５質量％、さらに好ましくは１０〜２０質量％；Ｎの含有率が好ましくは０〜２質量％、より好ましくは０．５〜１質量％；Ｃｌの含有率が好ましくは１．５質量％以下、より好ましくは１．０質量％以下である。なお、上述の各元素の含有率は、ＪＩＳ Ｍ−８８１９に準拠して測定される値（無水ベース）である。
【００４６】
本実施形態の固体燃料は、空気気流中、昇温速度１０℃／分で昇温する熱重量分析において、３５０℃にまで昇温したときの重量減少率が、昇温開始前の重量を基準として、好ましくは１〜７０重量％、より好ましくは５〜５０重量％、さらに好ましくは１５〜４０重量％である。また、同じ熱重量分析において、５００℃にまで昇温したときの重量減少率が、昇温開始前の重量を基準として、好ましくは１５〜１００重量％、より好ましくは６０〜１００重量％、さらに好ましくは８０〜１００重量％である。このような重量減少率を有する固体燃料は、優れた着火性と燃焼維持性を高水準で両立することができる。なお、上述の重量減少量は、空気雰囲気中において、通常の熱重量分析計を用いて測定される、無水無灰基準の値である。
【００４７】
本実施形態の固体燃料のＨＧＩは、好ましくは１５〜４０であり、より好ましくは２０〜３５である。このようなＨＧＩを有する固体燃料は、容易に粉砕することが可能となり、粒度調整がし易くなって使用用途が広がるという利点がある。なお、ＨＧＩ（ハードグローブインデックス、石炭の粉砕性指数）は、ＪＩＳ Ｍ−８８０１に準拠して市販の測定装置を用いて測定することができる。
【００４８】
本実施形態の固体燃料の平均粒子径（粉砕前）は、好ましくは２〜１５ｍｍであり、より好ましくは５〜１０ｍｍである。粉砕前にこのような平均粒子径を有する固体燃料は取り扱い性に優れるとともに燃焼性にも十分に優れる。固体燃料の平均粒子径（粉砕前）が大きくなり過ぎると、固体燃料を製造する加熱炉の取り出し口や固体燃料を使用する設備の投入口等で、固体燃料が閉塞し易くなる傾向にある。なお、本明細書における平均粒子径とは、積算分布曲線の５０体積％に相当する粒子径（メジアン径）をいう。同様の観点から、固体燃料（粉砕前）の粒度分布は、粒子径が１．０ｍｍ以上且つ１６ｍｍ未満である粒子が、固体燃料全体の７０質量％以上であることが好ましく、７５質量％以上であることがより好ましい。粉砕後の固体燃料の平均粒子径は、好ましくは５００μｍ以下であり、より好ましくは１００μｍ以下である。このように微細な平均粒子径を有する固体燃料は、取扱い性に優れるとともに、様々な用途に用いることができる。なお、固体燃料の平均粒子径及び粒度分布は、市販の粒度分析計を用いて測定することができる。
【００４９】
本実施形態の固体燃料は、熱可塑性プラスチック１００質量部に対し、微粉炭を５０〜５００質量部、好ましくは５０〜３００質量部、より好ましくは８０〜２５０質量部の質量割合で混合して加熱し、熱可塑性プラスチックを溶融した後、冷却して再固化する工程を有する製造方法によって製造することができる。このような固体燃料は、優れた着火性と燃焼維持性とを高水準で両立することが可能であり、一層優れた燃焼性を有する。また、熱可塑性プラスチックの再固化物の周囲を微粉炭が取り囲む構造となるために、加熱装置内部に固体燃料（熱可塑性プラスチック）が融着したり、固体燃料同士が融着して凝集したりすることを抑制することができる。
【００５０】
本実施形態の固体燃料を製造する場合、熱可塑性プラスチックと微粉炭とを含む混合物を、２５０〜３５０℃の加熱温度で加熱することが好ましい。この程度の加熱温度では、石炭は、溶融せずに、種類によって熱分解するものとしないものがある。また、熱可塑性プラスチックのうち、塩化ビニル等、塩素を含む熱可塑性プラスチックは固体であるものの、他の熱可塑性プラスチックは、溶融して液状化するものが多い。このため、このような熱可塑性プラスチックを固体燃料の原料として用いると、加熱装置の内部に熱可塑性プラスチックの溶融物が融着したり、熱可塑性プラスチック同士が融着して凝集物を形成したりする。
【００５１】
ところが、本実施形態の固体燃料は、微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物を含有しているため、これらが溶融した熱可塑性プラスチックの溶融物の表面に付着することとなる。すなわち、溶融した熱可塑性プラスチックの表面に微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物が付着し、溶融した熱可塑性プラスチック表面上に微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物の層（後述の第２の相）が形成される。この第２の相が存在することにより、加熱装置や他の塊状プラスチック溶融物との融着を低減することができる。したがって、塩化ビニル等、塩素を含まない熱可塑性プラスチック（ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド等）のみを用いて固体燃料を製造する場合に、本実施形態の固体燃料の製造方法の効果がより著しいものとなる。
【００５２】
第１の相と第２の相を有する固体燃料の構造は、固体燃料の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することによって確認することができる。第１の相は主成分である熱可塑性プラスチックの再固化物の他に、副成分として微粉炭やその熱分解物を含んでいてもよい。また、第２の相は、主成分である微粉炭及び微粉炭の熱分解物の他に、副成分として熱可塑性プラスチックの再固化物を含んでいてもよい。
【００５３】
固体燃料において、微粉炭及び／又は微粉炭の分解物の質量割合が過大になると、廃棄物の有効利用ができないことのみならず、十分優れた着火性が損なわれる傾向にある。一方、微粉炭の熱分解物の質量割合が過小になると、固定炭素の割合が減少して十分な高温場の形成が困難になる傾向にある。このような観点から、プラスチックの加熱処理物と微粉炭及び／又は微粉炭の分解物との合計を基準として、プラスチックの加熱処理物の比率は好ましくは１５〜６０質量％であり、より好ましくは２０〜５０質量％であり、さらに好ましくは２０〜４０質量％である。
【００５４】
次に、本発明の固体燃料の製造方法の好適な実施形態について説明する。
【００５５】
図１は、本実施形態の固体燃料の製造方法の工程図である。本実施形態の固体燃料の製造方法は、熱可塑性プラスチックを含むプラスチック及び石炭を粉砕して得られた微粉炭を加熱装置に投入する投入工程と、熱可塑性プラスチック及び微粉炭を混合して混合物を得る混合工程と、混合物を加熱して微粉炭及び微粉炭の熱分解物を含む固体燃料を得る加熱工程と、を有する。以下、各工程の詳細について説明する。
【００５６】
投入工程では、プラスチックと微粉炭とを、プラスチック１００質量部に対して微粉炭５０〜５００質量部、好ましくは１００〜４００質量部、より好ましくは１５０〜３００質量部の割合で投入する。石炭はプラスチックに比べて揮発分が少なく、逆にプラスチックは石炭に比べて固定炭素が少ない。そのため、プラスチックに対する微粉炭の投入割合が高過ぎると、廃棄物の有効利用が十分にできなくなるだけでなく、得られる固体燃料の優れた着火性が損なわれる傾向にある。一方、プラスチックに対する微粉炭の投入割合が低過ぎると、加熱工程において、熱可塑性プラスチックの溶融物同士が融着して、得られる加熱物が塊状になってハンドリングが困難になる傾向がある。また、加熱炉壁面に溶融した熱可塑性プラスチックが融着して、設備にダメージを与え易くなる傾向がある。これは、溶融した熱可塑性プラスチックの表面に付着する微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物の量が少なくなり、融着防止機能を有する微粉炭の相（第２の相）の形成が不十分となるためである。
【００５７】
投入工程における微粉炭の水分の含有率は０．１〜５０質量％であり、好ましくは５〜３０質量％であり、より好ましくは１０〜２０質量％である。燃焼性に一層優れる固体燃料を得る観点から、高位発熱量（気乾ベース）が、好ましくは２０，０００ｋＪ／ｋｇ以上、より好ましくは２２，０００ｋＪ／ｋｇ以上の微粉炭を用いる。また、着火性に優れる固体燃料を得る観点から、揮発分の含有率が好ましくは１５〜５０質量％、より好ましくは２０〜４５質量％である微粉炭を用いる。
【００５８】
また、固定炭素の含有率が、好ましくは３０〜６０質量％、より好ましくは３０〜５５質量％の微粉炭を用いる。微粉炭の固定炭素の含有率が小さくなり過ぎると、得られる固体燃料による高温場の形成が困難になる傾向にあり、微粉炭の固定炭素の含有率が大きくなり過ぎると、相対的に揮発分が少なくなって得られる固体燃料の優れた着火性が損なわれる傾向にある。
【００５９】
本実施形態の製造方法では、微粉炭とともに熱可塑性プラスチックを用いているため、微粉炭として、褐炭、亜瀝青炭、泥炭などの低品位炭を用いても、粉塵爆発の発生が十分に抑制された安全性の高い固体燃料を得ることができる。一般的に低品位炭は含水量が高い場合が多い。含水量の高い低品位炭には微小孔が多く存在し、この微小孔の中に水分が保持されている。このような低品位炭を粉砕するとともに水分を乾燥させるとこの微小孔が表面に露出するため、微小孔が多く含水量の高い低品位炭は、微小孔の少ない石炭と比べて比表面積が大きくなる。
【００６０】
そこで、含水量の高い低品位炭を熱可塑性プラスチックとともに加熱して、溶融した熱可塑性プラスチックを微小孔内部に導入させて微小孔を閉塞することにより、乾燥・粉砕時における微小孔の露出を低減させる。これにより、含水量の高い低品位炭単体の粉砕物と比べ、本実施形態の固体燃料の粉砕物の比表面積を小さくすることが可能となる。これによって、粉塵爆発の発生を十分に抑制することができる。
【００６１】
なお、低品位炭には酸素含有量の高いものもある。このような酸素含有量の高い低品位炭は酸素官能基が多い傾向にある。酸素官能基は親水性及び自己着火性が高いため、酸素含有量の高い低品位炭の粉砕物も親水性、自己着火性が高い傾向にある。しかしながら、本実施形態の固体燃料は、溶融プラスチックで表面をコーティングすることにより酸素官能基の露出が抑制されているため、酸素官能基の多い低品位炭を用いた場合であっても、親水性や自己着火性が低減されたものとなる。とりわけ固体燃料を粉砕して燃料とする場合は、粉砕により比表面積が増大するため、酸素官能基の露出抑制による自己着火性の低減作用は一層有効である。
【００６２】
熱可塑性プラスチックとしては、通常の廃プラスチックを用いることができる。廃プラスチックは通常汎用プラスチックが廃棄されたものであり、汎用プラスチックの大部分は熱可塑性である。
【００６３】
本実施形態の廃プラスチックには、熱可塑性樹脂（本実施形態の熱可塑性プラスチックと同様の成分である）及び／又はエラストマーが添加配合されている。添加配合される熱可塑性樹脂やエラストマーは、合成樹脂製品の樹脂材料と同じ樹脂、又は同質の樹脂を用いることが望ましい。従って、廃プラスチック材料の粉砕物の再利用に利用できる熱可塑性樹脂材料の例としては、オレフィン系樹脂（例、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、結晶性ポリプロピレン）、ポリカーボネート系樹脂、ポリウレタン系樹脂−スチレン系樹脂、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル−ブタジエンスチレン樹脂）、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル系樹脂；変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェエレンスルフィドなどのポリフェニルエーテル系樹脂；ポリメタクリル酸メチルのようなポリアクリル酸系樹脂；６−ナイロン、６６−ナイロン、１２−ナイロン、６・１２−ナイロンなどのポリアミド系樹脂；ポリスルホンなどを挙げることができる。
【００６４】
エラストマーは、明確な降伏点を有しない熱可塑性の低結晶性エラストマー、又は明確な融点及び降伏点を有しない熱可塑性の非晶性エラストマーであり、常温でゴム弾性を有するエラストマー又はゴムを用いることができる。使用できるエラストマーの具体例としては、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、ポリウレタン系エラストマー等の熱可塑性エラストマーを挙げることができる。エラストマーは１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００６５】
スチレン系エラストマーとしては、ブタジエン−スチレン共重合体（ランダム共重合体、ブロック共重合体及びグラフト共重合体等の全てを含む。）及びその水添物、スチレンブタジエンスチレン共重合体（ＳＢＳなど）、水添スチレン−ブタジエンスチレン共重合体（ＳＥＢＳなど）、イソプレン−スチレン共重合体（ランダム共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体等の全てを含む）及びその水添物、水添スチレン−イソプレン共重合体（ＳＥＰＳなど）、水添スチレン−ビニルイソプレン共重合体（Ｖ−ＳＥＰＳなど）、スチレンイソプレン−スチレン共重合体（ＳＩＳなど）、水添スチレン−イソプレン−スチレン共重合体（ＳＥＰＳなど）、水添スチレン−ブタジエンオレフィン結晶ブロック共重合体（ＳＥＢＣなど）等を用いることができる。
【００６６】
ポリオレフィン系エラストマーとしては、非晶性又は低結晶性ポリオレフィン−α−オレフィン共重合体、ポリオレフィンとオレフィン系ゴムとの混合物等を用いることができる。具体的には、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンエラストマー、エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体エラストマー、エチレン・1−ブテンエラストマー（ＥＢＭ、ＥＢＳなど）、エチレン・ヘキセンエラストマー、エチレン・オクテンエラストマー、プロピレン・１−ブテンエラストマーなどのエチレンと炭素数３〜１２のα−オレフィンとの共重合体エラストマーやプロピレンと炭素数２〜１２のα−オレフィン（炭素数３を除く）との共重合体エラストマーなどのポリオレフィン系エラストマーなどを挙げることができる。さらにポリオレフィン系エラストマーとしては、水素添加アクリロニトリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、エピクロロヒドリンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴムなどを挙げることができる。エラストマーとしては、特にエチレンと炭素数３〜１２のα−オレフィンとの共重合体エラストマーやプロピレンと炭素数２〜１２のα−オレフィン（炭素数３を除く）との共重合体エラストマーなどのポリオレフィン系エラストマーを好ましく用いることができる。
【００６７】
ポリエステル系エラストマーとしては、ポリエステル−ポリエーテル共重合体、ポリエステルーポリエステル共重合体等からなるエラストマーを用いることができる。
【００６８】
ポリアミド系エラストマーとしては、ポリアミド−ポリエステル共重合体、ポリアミド−ポリエーテル共重合体等からなるエラストマー等を用いることができる。上記のエラストマーの１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００６９】
なお、廃プラスチックは、その他のプラスチックを含んでいてもよく、不純物としてプラスチック以外の廃棄物を少量含有していてもよい。不純物は廃プラスチックとともにあらかじめ所定の大きさに破砕されており、金属片や熱硬化性プラスチック等の不純物が含まれていた場合であっても、溶融した塊状の熱可塑性プラスチックに付着し、または内部に取り込まれることにより、固体燃料に一体化される。セメントの原料であるクリンカを焼成する際は金属や灰分を添加するため、固体燃料に不純物が含まれている場合であっても、セメント焼成用燃料としては好適な燃料となる。
【００７０】
なお、本実施形態の加熱工程（後述）では脱塩のために３００℃〜３５０℃で加熱を行っており、通常、この３００℃〜３５０℃では溶融してしまうポリエチレン、ポリプロピレンやポリスチレン等が多く含まれる廃プラスチックの場合、加熱工程において融着が発生しやすい。その場合、本実施形態のように微粉炭による融着防止効果がより顕著となる。
【００７１】
燃焼性に一層優れる固体燃料を得る観点から、プラスチック全体の高位発熱量（気乾ベース）は、好ましくは２５，０００〜４０，０００ｋＪ／ｋｇ、より好ましくは３０，０００〜４０，０００ｋＪ／ｋｇである。また、着火性に優れる固体燃料を得る観点から、プラスチック全体として、揮発分の含有率が好ましくは７０〜９５質量％、より好ましくは８０〜９０質量％である。
【００７２】
混合工程では、投入工程で投入した熱可塑性プラスチックと微粉炭とを混合する。通常、微粉炭などの炭素分の多い物質は、溶融プラスチックとの濡れ性があまり良好ではない。そのため、加熱工程の前に、混合工程によって微粉炭とプラスチックとを混合することによって、微粉炭と熱可塑性プラスチックとが分離してしまうのを抑制し、熱可塑性プラスチックの再固化物を主成分とする第１の相と、微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物を主成分とする第２の相とが良好に分散した固体燃料を得ることができる。
【００７３】
図２は、本実施形態の固体燃料の製造方法に用いられる加熱装置のブロック図である。本実施形態の固体燃料の製造方法は、廃プラスチックの溶融に通常用いられる加熱炉を備える加熱装置を用いることができる。
【００７４】
図２に示すように、原料である廃プラスチック１０は、搬送クレーンなどの搬送機１１によってストックヤードから破砕機１２に搬送され所定のサイズに破砕される。破砕された破砕物は、移送装置１３により加熱炉２０に移送される。加熱炉２０では、微粉炭と廃プラスチックとが混合された後、廃プラスチックは加熱されて溶融する。
【００７５】
加熱工程では、混合物を加熱して熱可塑性プラスチックを溶融物にした後に、冷却して当該溶融物が固化した再固化物と、微粉炭及び当該微粉炭の熱分解物の少なくとも一方と、を含む固体燃料を得る。なお、加熱工程内で加熱後に冷却してもよく、加熱工程後に、溶融した熱可塑性プラスチックを含む加熱物を冷却する冷却工程を別途設けてもよい。微粉炭は炭種によって熱分解されるものとされないものがあるため、微粉炭は、加熱工程後には、熱分解されない微粉炭と、熱分解された微粉炭との混合物となる。したがって、加熱工程では、熱可塑性プラスチックの再固化物と微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物とを含む粒状の固体燃料が得られる。
【００７６】
加熱炉２０で混合物を加熱すると、熱可塑性プラスチックが溶融し、微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物が、溶融した熱可塑性プラスチックの表面に付着した状態になる。その後、熱可塑性プラスチックの溶融が進行し、プラスチックの溶融物の表面に微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物が付着する。その後冷却すると、熱可塑性プラスチックの再固化物（第１の相）の表面が微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物（第２の相）で覆われた構造を有する固体燃料を得ることができる。
【００７７】
図３は、本実施形態の固体燃料の断面構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（倍率：１５０倍）である。本実施形態の製造方法によって得られる固体燃料は、熱可塑性プラスチックを加熱して溶融した後、冷却して得られる再固化物を主成分とする第１の相１００と、石炭から得られる微粉体を主成分とする第２の相２００とを有しており、第２の相２００が第１の相１００の周囲を覆うように設けられている。このような構造を有することによって、装置内への融着が抑制されるとともに良好な燃焼性を有する。
【００７８】
加熱炉２０としては、回転式加熱炉、例えば間接加熱ロータリキルン型の加熱炉を使用することができる。このような加熱炉を用いることによって、熱可塑性プラスチックの破砕物と微粉炭との混合物を加熱することができる。なお、熱可塑性プラスチックの破砕物と微粉炭との混合は、加熱炉２０に投入する前に行ってもよく、加熱炉に２０に投入した後に行ってもよい。できるだけ均一な固体燃料を得る観点から、加熱炉２０内における加熱は、熱可塑性プラスチックの破砕物と微粉炭とを混合しながら行うことが好ましい。
【００７９】
熱可塑性プラスチックの破砕物と微粉炭とを含む混合物は、加熱炉２０によって加熱される。加熱炉２０における加熱温度は、２５０〜５００℃、好ましくは２５０〜４５０℃、さらに好ましくは２８０〜４００℃、特に好ましくは３００〜３５０℃である。加熱温度が高すぎると、得られる固体燃料の揮発分が少なくなり、固体燃料の収率が低くなるとともに固体燃料の優れた燃焼性が損なわれる傾向にある。一方、熱可塑性プラスチックに塩素を含むプラスチックが含まれる場合、加熱温度が低すぎると固体燃料中に塩素等の成分の残存量が増える傾向にある。
【００８０】
加熱炉２０において上述の加熱温度に加熱する加熱時間は、３０〜１２０分間、好ましくは４５〜９０分間である。加熱時間が長過ぎると、得られる固体燃料の揮発分が少なくなり、固体燃料の収率が低くなる傾向にある。一方、加熱時間が短過ぎるとプラスチックの脱塩素が不十分となり、固体燃料中に塩素等の成分の残存量が増える傾向にある。
【００８１】
加熱炉２０における加熱は、大気圧未満の圧力下で行うことが好ましい。これによって、プラスチックの熱分解によって生じるタール成分の加熱炉外への排出が促進される。その結果、熱可塑性プラスチックの溶融物の表面に存在するタール成分の量が減少して、熱可塑性プラスチックの溶融物の表面の融着性が低減されることとなる。したがって、熱可塑性プラスチックの溶融物の表面に、微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物が過剰に付着することが抑制され、熱可塑性プラスチック再固化物（第１の相）を覆う微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物（第２の相）の厚みが大きくなりすぎるのを抑制することができる。このような作用によって、最終的に得られる固体燃料の粒子径を小さくすることができる。
【００８２】
加熱炉２０における加熱は、具体的には、好ましくは９９ｋＰａＡ以下、より好ましくは９８ｋＰａＡ以下の減圧下で行うことが好ましい。なお、加熱炉２０内の圧力に特に下限はないが、設備の耐圧性の観点から９０ｋＰａＡ以上であることが好ましい。
【００８３】
加熱炉２０内部の酸素ガス濃度は、好ましくは１０〜１８体積％であり、より好ましくは１４〜１８体積％である。酸素ガス濃度が高くなり過ぎると、熱可塑性プラスチック及び／又は微粉炭の酸化が進行してしまい、得られる固体燃料の収率が低くなる傾向にある。一方、酸素ガス濃度が低くなり過ぎると、プラスチックが熱分解して生じるタールの酸化が促進されず、タールの残留分が多くなり、溶融した熱可塑性プラスチックの融着が発生し易くなる傾向にある。
【００８４】
図４は、本実施形態の固体燃料の製造方法に好適に用いられるロータリキルン型加熱炉の内部の攪拌板の例を示す模式図である。攪拌板（リフタ）３０は、加熱炉２０の軸方向に沿って延びるように備えられる。このような攪拌板３０を備えることによって、加熱炉２０内に投入された原料（熱可塑性プラスチック及び微粉炭）の撹拌及び混合を円滑に行うことができる。攪拌板３０の設置枚数は、加熱炉の規模等によって適宜設定される。例えば、加熱炉２０の内径が５０ｍｍから３００ｍｍ程度であれば、図４（ａ）から（ｃ）に示すように、２〜４枚の攪拌板３０を設けることが好ましく、加熱炉２０の内径が６００ｍｍ程度であれば、図４（ｄ）に示すように８枚の攪拌板３０を設けることが好ましい。
【００８５】
攪拌板３０は、その高さｈの０．３倍から３倍程度のピッチで取り付けられることが好ましい。また、攪拌板３０の高さｈは、原料（混合物）に含まれる熱可塑性プラスチックが柔らかくなって微粉炭と共に粒状化するまでは、加熱炉２０の内径に対し、１０％から３０％程度のサイズであることが好ましい。このように、内部に攪拌板３０を備えるキルンを用いることによって、加熱炉２０に投入された熱可塑性プラスチックと微粉炭は、キルンの回転に伴って攪拌板３０によって掻きあげられ、混合されながら加熱されることとなる。
【００８６】
本実施形態の固体燃料の製造方法では、塩化ビニル等の塩素を含む熱可塑性プラスチック（塩化ビニル等を含む廃プラスチック）を簡便に処理することができる。すなわち、塩化ビニルのような塩素を含有する廃プラスチックを加熱すると、塩素が塩化水素ガスとなり固体原燃料から除去（脱塩）される。これにより、塩素含有率が十分に低減された固体燃料を得ることができる。ただし、廃プラスチック中の塩素含有率が過剰になると、生成した固体原燃料に塩素分が残存し、固体燃料を用いる設備（例えばセメント製造装置や発電用ボイラ）や当該設備を用いて得られる製品品質（例えばセメント）に悪影響を及ぼす可能性がある。従って、原料であるプラスチックに含まれる塩素分は少ないほうが好ましい。すなわち、投入工程では、塩化ビニル等、塩素を含まない熱可塑性プラスチックのみを投入することが好ましい。具体的には、原料として用いる熱可塑性プラスチック中の塩素含有率は、３０質量％以下、好ましくは１０質量％以下である。なお、塩化ビニル等の廃プラスチックを有効に活用する観点から、原料である熱可塑性プラスチックの塩素含有率は、１質量％以上、より好ましくは２質量％以上である。
【００８７】
なお、塩化ビニル等、塩素を含む熱可塑性プラスチックは、脱塩素（熱分解）が始まると炭素主体の固形物となる。本実施形態の加熱工程における特に好ましい温度領域は３００〜３５０℃であり、この温度領域では、塩素を含む熱可塑性プラスチックは、通常固体である。そのため、上述の温度領域では、塩素を含む熱可塑性プラスチックは、通常溶融することはなく、装置内に融着することもない。
【００８８】
これに対し、他の熱可塑性プラスチックは、上記温度領域（３００〜３５０℃）では溶融・液状化しており、微粉炭等を添加せずに加熱炉２０に投入すると装置内に融着してしまう。そこで、本実施形態では、微粉炭を添加することにより、溶融した熱可塑性プラスチックの周囲に微粉炭を付着させ、塩化ビニル等、塩素含有プラスチックに比べて溶融しやすい熱可塑性プラスチックであっても、融着を回避しつつ固体燃料を製造することが可能となる。
【００８９】
このように、塩化ビニル等、塩素を含まない熱可塑性プラスチック（ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル等）のみを用いて固体燃料を製造する場合、本実施形態の固体燃料の製造方法の効果がより顕著となる。
【００９０】
本実施形態の製造方法では、投入する原料（混合物）全体に対する、生成物（固体燃料）の収率が、７０質量％以上であり、好ましくは７５質量％以上であり、より好ましくは７８質量％以上である。このように、生成物の収率を高く維持することによって、揮発分の含有量が十分に高く良好な燃焼性を有する固体燃料を得ることができる。なお、生成物の収率は、加熱炉における加熱温度や加熱時間を変えることによって調整することができる。
【００９１】
加熱工程によって生成した加熱物（固体燃料）は、生成物として加熱炉２０より排出され、図示しない冷却装置によって冷却され、必要に応じて後段の回収・分離装置に移送される。
【００９２】
一方、加熱炉２０における混合物の加熱によって発生したタールを含む熱分解ガスは図示しない燃焼室にて燃焼され、完全に分解される。原料として、塩化ビニルのような塩素を含有する廃プラスチックを使用した場合、燃焼排ガスに含まれる塩化水素は、排ガス洗浄装置２３によって回収される。
【００９３】
加熱工程で得られる固体燃料は、主成分として、熱可塑性プラスチックが溶融した後、冷却して得られる再固化物、及び微粉炭を含有することが好ましい。また、主成分以外に、熱分解されていない熱硬化性プラスチックを少量含んでいてもよい。
【００９４】
なお、石炭の種類によっては３００〜３５０℃（本実施形態の加熱工程において特に好ましい温度領域）に加熱しても、熱分解されないものもある。したがって、主成分に含まれる微粉炭は、熱分解されたものと、熱分解されていないものが混在していてもよい。
【００９５】
加熱工程後に、得られた固体燃料を粉砕する粉砕工程を行ってもよい。粉砕工程では、加熱工程で得られた熱分解物を通常の粉砕装置を用いて所望のサイズになるまで粉砕して粒状化する。これによって、所望の粒子径サイズを有する固体燃料を得ることができる。
【００９６】
なお、粉砕工程の前に、加熱炉２０から冷却装置を介して得られた固体燃料を振動篩などの手段によって、粒子径が大きいものと小さいものに分離してもよい。この場合、粒子径が小さいものについては、そのまま固体燃料として使用することもできる。
【００９７】
以上の通り説明した本実施形態の固体燃料の製造方法によれば、特別な前処理を施すことなく、熱可塑性プラスチックと微粉炭とを原料として用いることによって、装置内への融着が抑制され良好な取扱い性と良好な燃焼性とを有する固体燃料を高収率で得ることができる。
【００９８】
得られた固体燃料は、セメント製造装置の仮焼炉やロータリキルンの窯前又は窯尻などに供給して燃焼させ、燃料として使用することができる。また、微粉炭の代替燃料として発電用ボイラに供給して燃焼させることができる。
【００９９】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
【実施例】
【０１００】
本発明の内容を、実施例及び比較例の内容を参照しつつより詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【０１０１】
（実施例１）
ポリエチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、塩化ビニル樹脂及びＡＢＳ樹脂等を含む廃プラスチックと、市販の微粉炭（微粉炭Ｃ）とを準備した。準備した廃プラスチックの組成の一例を表１に示す。表１示すような複数種類の廃プラスチックを混合して、固体燃料の原料とした。原料である廃プラスチックと微粉炭の工業分析及び元素分析の結果を表２に纏めて示す。
【０１０２】
【表１】
【０１０３】
なお、廃棄物の特性上、どのようなプラスチックがどれくらいの割合で含まれるかは一義的には定まらないため、表１で示される割合はあくまでも例である。上述のように、ポリエチレン、ポリプロピレンやポリスチレン等、溶融しやすいプラスチックが多く含まれる場合は加熱工程における融着が発生しやすい傾向にあるため、微粉炭による融着防止効果がより顕著となる。
【０１０４】
本実施例では、高位発熱量（気乾ベース）の分析はＪＩＳ Ｍ−８８１４に準拠し、１０１３−J（装置名、吉田製作所製）を用いて行った。工業分析（気乾ベース）は、ＪＩＳ Ｍ−８８１２に準拠して行った。元素分析（無水ベース）は、ＪＩＳ Ｍ−８８１９に準拠し、ＭＴ−５（装置名、ヤナコ製）を用いて行った。ＨＧＩ（ハードグローブインデックス、石炭の粉砕性指数）測定は、ＪＩＳ Ｍ−８８０１に準拠して行った。平均粒子径及び粒度分布の測定は、レーザー回折粒度分布測定装置（堀場製作所製、装置名：ＬＡ−９２０、溶媒：純水２５０ｍｌ、相対屈折率１．５０、平均粒子径：積算体積５０％、試料分散時間：３分間、測定時間：２０秒間、測定繰り返し回数：２回、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、波長：６３２．８ｎｍ、出力：１Ｍｗ、タングステンランプ５０Ｗ）を用いて行った。
【０１０５】
平均粒子径は、積算分布曲線の５０体積％に相当する粒子径（メジアン径）とした。示差走査熱量分析（ＤＳＣ）は、市販のＤＳＣ分析装置（リガク製、装置名：ＤＳＣ８２３０）を用い、空気雰囲気下、８０℃の温度下で測定した。微粉炭Ｃ（平均粒子径：１１μｍ）の平均比表面積は、市販の比表面積測定装置（島津製作所製、装置名：ＡＳＡＰ２４２０、窒素ガス使用、ＢＥＴ比表面積多点法）を用いて測定した。
【０１０６】
【表２】
【０１０７】
上述の廃プラスチック１００質量部に対し、微粉炭Ｃ２００質量部を、図４に示すようなロータリキルン型加熱炉（炉径：φ６００ｍｍ）を備える加熱装置に投入し、廃プラスチックと微粉炭Ｃを混合しながら５℃／分間で昇温して加熱し、廃プラスチックと微粉炭Ｃとを、窒素と酸素の混合ガス雰囲気下（酸素濃度：５体積％以下、圧力：９８〜１０１．３ｋＰａＡ）、３００℃で５０分間加熱する加熱工程を行った。
【０１０８】
ロータリキルン型加熱炉としては、耐熱鋼ＳＵＳ３１０Ｓ製容器（掻き上げ羽根（攪拌板）４枚（羽根高さ７０ｍｍ×４枚付き）と、当該容器を外部から加熱する電気炉とを備えるものを用いた。ロータリキルン型加熱炉は、隣り合う攪拌板間のインタバル時間が０．１分間となるように回転させながら炉外温度を制御して、炉内試料温度を調整した。
【０１０９】
ロータリキルン型加熱炉において加熱工程が終了した後、生成物を冷却して、微粉炭、その熱分解物、廃プラスチックの再固化物、及び廃プラスチックの熱分解物を含有する固体燃料を得た。固体燃料の工業分析及び元素分析の結果を、表３に示す。また、固体燃料（粉砕前）の粒度分布の分析結果を表４に示す。なお、固体燃料の分析方法及び用いた分析装置は、特に明示しない限り、原料である廃プラスチック及び微粉炭の分析と同一である。
【０１１０】
【表３】
【０１１１】
表３中、収率は、以下の計算式（１）によって求めた。
収率（質量％）＝（固体燃料の質量／廃プラスチックと微粉炭の合計質量）×１００ ・・・（１）
【０１１２】
固体燃料の平均比表面積は０．２８ｍ２／ｇであった。一方、微粉炭Ｃの平均比表面積は９．１ｍ２／ｇであり（表２参照）、固体燃料は微粉炭Ｃよりも平均比表面積が小さく、粉塵爆発のおそれが低減されることが確認された。
【０１１３】
また、固体燃料の揮発分は５３．４％（気乾ベース質量％）であった。一方、微粉炭Ｃの揮発分は４２．８％（気乾ベース質量％）であり（表２参照）、固体燃料は微粉炭Ｃに対して着火性が向上した。固体燃料の収率は８３．１質量％であり、廃プラスチック及び微粉炭Ｃの揮発分の多くが残存していることが確認された。
【０１１４】
【表４】
【０１１５】
固体燃料（粉砕前）の粒度分布の分析結果は表４に示されるとおりであった。このように、実施例１における固体燃料は１．０ｍｍ以上１６ｍｍ未満の粒子の割合が８９．１質量％であり、運搬、貯蔵の障害となるような大きな塊状物は存在しなかった。また、微小粒子の割合が大きい場合は運搬時および貯蔵時に煩雑な工程が多くなるが、実施例１の固体燃料では１．０ｍｍ未満の微小粒子の割合は１０．９質量％と小さくなっており、運搬、貯蔵におけるハンドリング性が向上する。
【０１１６】
実施例１で得られた固体燃料を粉砕し、それぞれ篩い分けして、粒子径が５００〜１０００μｍのものを用いて、熱重量分析（ＴＧ）を行った。熱重量分析（ＴＧ）は、（株）マック・サイエンス製のＭＴＣ１０００（装置名）を用い、空気雰囲気下、１０℃／分の昇温速度で測定した。なお、比較のため、原料である微粉炭Ｃを篩い分けしたもの（粒子径４５〜９０μｍ）についても、同様の測定を行った。
【０１１７】
図５は、実施例１の固体燃料及び微粉炭Ｃから、それぞれ灰分を除いた可燃分換算の熱重量分析（ＴＧ）結果を示すグラフである。図５では、実施例１の固体燃料は２５０℃付近から傾きが増大（燃焼開始）している。これに対し微粉炭Ｃでは３００℃付近から傾きが増大（燃焼開始）しており、実施例１の固体燃料は微粉炭Ｃよりも着火性が向上していることが確認された。これにより、微粉炭Ｃ２００質量部に対し、安価な廃プラスチックを１００質量部用いた固体燃料であっても、微粉炭Ｃ単体と同等以上の燃焼特性を有する燃料を得ることができた。
【符号の説明】
【０１１８】
２０…加熱炉、３０…攪拌板（リフタ）、１００…第１の相、２００…第２の相。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体燃料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃棄物を有効に活用するために、都市ゴミや産業廃棄物に含まれる廃プラスチックを固体燃料として使用することが検討されている。通常、このような固体燃料は、廃プラスチックを石炭とともに加熱炉で加熱処理することによって作製される（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
廃棄物有効利用の観点からは、廃プラスチックの使用割合を極力高くして、固体燃料を製造することが求められる。一方で、このような固体燃料は、燃料として用いられるため、当然燃焼性にも優れていることが求められる。
【０００４】
このような要請に応じ、廃プラスチックと石炭とを混合してコークス炉中で乾留し、高炉用の固体燃料（コークス）を作製することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、廃プラスチックを用いた固体燃料の製造では、廃プラスチックを原料として用いるために、加熱炉の炉壁に融着したり、得られる固体燃料が塊状化したりする傾向がある。このような点を改善するために、有機物を燃焼して得られるダストを、融着防止材として廃プラスチックとともに原料に添加して固体燃料を作製することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、加熱した微粉炭に熱可塑性樹脂を添加し、微粉炭の周囲を熱可塑性樹脂でコーティングすることにより、低品位炭を改質することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９９５４９６号公報
【特許文献２】特開２００８−１０６２７０号公報
【特許文献３】特開平６−１０８０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
廃プラスチックを利用した固体燃料の製造方法は、通常工業スケールで行われるため、固体燃料を高収率且つ簡便な工程で製造することが求められる。また、製造される固体燃料は、良好な燃焼性を有することが求められる。しかしながら、上述の特許文献１の方法では、固体燃料（コークス）の製造に際し、プラスチックを含む原料を高温（１０００℃以上）に加熱して乾留させているため、プラスチック及び石炭の揮発分が殆ど揮発し、得られる固体燃料の収率が低くなってしまう。また、そのような固体燃料は、揮発分が少ないために着火性が十分ではない。
【０００９】
また、特許文献２の方法では、別途、融着防止材を調製する必要があることから、工程が煩雑となるうえに、融着防止材として、燃焼させて得られるダストや部分燃焼スラグを使用するため、得られる固体燃料の燃焼性に改善の余地がある。また、特許文献３の方法では、微粉炭の表面に溶融した熱可塑性樹脂が付着することとなるため、溶融した熱可塑性樹脂が加熱装置内部に付着することが懸念される。特に、工業スケールで大量に微粉炭を造粒する場合には、装置内部への付着が問題となり得る。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、原料として熱可塑性プラスチックを用いても、加熱装置内部への融着を抑制することが可能であり、良好な燃焼性を有する固体燃料を高収率で容易に製造することが可能な固体燃料の製造方法を提供することを目的とする。また、良好な燃焼性を有しており、加熱装置への融着を十分に低減することが可能な固体燃料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明では、石炭から得られる粉体と、プラスチックを加熱して得られる加熱処理物と、を含む固体燃料であって、上記粉体は、石炭を粉砕した微粉炭、及び当該微粉炭を熱分解して得られる熱分解物の少なくとも一方を含有し、プラスチックは、熱可塑性プラスチックを含有し、加熱処理物は、熱可塑性プラスチックを溶融した後、冷却して得られる再固化物を含有し、揮発分の含有率が３０〜８０質量％、固定炭素の含有率が１０〜５０質量％、及び水分の含有率が０．１〜５０質量％である固体燃料を提供する。
【００１２】
本発明の固体燃料は、プラスチックの加熱処理物とともに、微粉炭及び／又はその熱分解物を含んでいることから、加熱装置内に付着しやすい熱可塑性プラスチックを含んでいても、加熱装置の内部にプラスチックの溶融物が付着することを十分に低減することができる。また、揮発分と固定炭素と水分を特定の範囲で含有するため、良好な燃焼性を有する。
【００１３】
本発明の固体燃料は、上記再固化物を主成分として含む第１の相と、上記微粉炭及び上記熱分解物の少なくとも一方を主成分として含み、第１の相の外周を覆う第２の相と、を有することが好ましい。このような相構造を有することによって、プラスチックの再固化物の相の間に微粉炭又はその熱分解物の相が介在することとなり、加熱して再固化物が溶融しても、装置内における融着を十分に抑制することができる。また、比較的燃焼の早い第１の相を覆うように第２の相を有しているため、長時間に亘って高温燃焼を維持することが可能となる。
【００１４】
本発明の固体燃料は、平均比表面積が１．０ｍ２／ｇ以下であることが好ましい。このような小さい平均比表面積を有することによって、粉塵爆発の発生を十分に抑制することが可能となる。
【００１５】
本発明の固体燃料は、高位発熱量が２００００〜４００００ｋＪ／ｋｇであることが好ましい。これによって、石炭とほぼ同等の発熱量を得ることができる。
【００１６】
本発明の固体燃料は、ＪＩＳ Ｍ ８８１９に準拠して測定される、Ｃ（炭素）の含有率が６０〜８０質量％、Ｈ（水素）の含有率が１〜２０質量％、Ｏ（酸素）の含有率が１〜３０質量％であることが好ましい。このような範囲で各元素を含有することによって、一層良好な燃焼性を有する固体燃料とすることができる。このような固体燃料は、特にセメント焼成用の燃料として特に好適である。
【００１７】
本発明の固体燃料は、空気中、昇温速度１０℃／分で昇温する熱重量分析において、昇温開始前の重量を基準としたときに、３５０℃における重量減少率（無水無灰基準）が１〜７０％であり、５００℃における重量減少率（無水無灰基準）が１５〜１００％であることが好ましい。これによって、一層良好な燃焼性を有する固体燃料とすることができる。
【００１８】
本発明の固体燃料は、ＨＧＩが１５〜４０であることが好ましい。このようなＨＧＩを有する固体燃料は、容易に粉砕することが可能であり、良好な取扱い性及び良好な燃焼性を兼ね備える。
【００１９】
本発明の固体燃料は、粒状であり、全体の５０質量％以上の粒子が１．０ｍｍ以上且つ３０ｍｍ未満の粒子径を有することが好ましい。このような粒子径を有する粒状の固体燃料は、良好な取扱い性と良好な燃焼性を兼ね備える。
【００２０】
本発明の固体燃料は、熱可塑性プラスチック１００質量部に対して、微粉炭を５０〜５００質量部混合し、加熱して上記熱可塑性プラスチックの少なくとも一部を溶融した後、溶融した上記熱可塑性プラスチックを冷却して再固化し、粒状化して得られるものであることが好ましい。これによって、廃棄物の有効利用を図りつつ、良好な取扱い性と良好な燃焼性を有する固体燃料とすることができる。なお、熱可塑性プラスチック１００質量部に対して、微粉炭を１００〜５００質量部混合することがより好ましい。
【００２１】
本発明の固体燃料は、プラスチックが廃プラスチックを含むことが好ましい。これによって、廃棄物の有効利用を図りつつ、低コストで固体燃料を製造することができる。
【００２２】
本発明の固体燃料は、上記微粉炭及び上記熱分解物の少なくとも一方の平均粒子径が５００μｍ以下であることが好ましい。このように、微細な微粉炭及び熱分解物を含むことによって、装置内における融着が一層抑制された固体燃料とすることができる。
【００２３】
本発明では、別の側面において、熱可塑性プラスチックを含むプラスチックと石炭を粉砕して得られた微粉炭とを加熱装置に投入する投入工程と、熱可塑性プラスチック及び微粉炭を混合して混合物を得る混合工程と、混合物を加熱して固体燃料を得る加熱工程と、を有する固体燃料の製造方法であって、投入工程では、プラスチック１００質量部に対して、水分の含有率が０．１〜５０質量％である微粉炭を５０〜５００質量部投入し、加熱工程では、上記混合物を加熱して熱可塑性プラスチックを溶融物とした後に当該溶融物を固化して得られる再固化物と、微粉炭及び当該微粉炭の熱分解物の少なくとも一方と、を含む固体燃料を得る、固体燃料の製造方法を提供する。
【００２４】
本発明の製造方法によって得られる固体燃料は、プラスチックと微粉炭とを所定の比率で混合して固体燃料を製造しているため、加熱工程において熱可塑性プラスチックが溶融しても、熱可塑性プラスチックの溶融物の表面に微粉炭が付着し、装置内部への熱可塑性プラスチックの溶融物の融着を十分に抑制することができる。また、上記製造方法では、水分の含有率が所定の範囲にある微粉炭を用いているため、加熱工程における微粉炭の乾燥を促進することが可能となり、良好な燃焼性を有する固体燃料を容易に製造することができる。また、製造される固体燃料は、熱可塑性プラスチックの再固化物と微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物とを含んでいることから、良好な燃焼性を有する。
【００２５】
本発明の製造方法は、投入工程の前に、石炭及び／又は微粉炭を乾燥する乾燥工程を有することが好ましい。上記乾燥工程を有することによって、水分の含有率が高い石炭を用いた場合であっても、熱可塑性プラスチックの溶融を効率的に進行させることができる。
【００２６】
本発明の製造方法は、石炭が、亜瀝青炭、褐炭、及び泥炭から選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。このような低品位炭は、瀝青炭などの高品位炭よりも含水率が高いが、このような高水分で安価な低品位炭を用いた場合であっても、装置内への融着が低減された固体燃料を得ることができる。なお、低品位炭は、通常タールの含有率が高いために、加熱工程において加熱装置内部で融着し易い傾向を有しているものの、本発明の製造方法では、所定の割合で熱可塑性プラスチックを投入しているため、装置内部における融着を十分に抑制することができる。また、低品位炭は、炭化があまり進んでいないことから、微小な空隙が高品位炭よりも多くなっている。このため、粉砕して微粉炭とした時には比表面積が大きくなっているが、本実施形態の固体燃料では、溶融した熱可塑性プラスチックが空隙を覆うこととなるため、空隙が多く、粉砕時の比表面積が大きい低品位炭を用いた場合であっても、比表面積が低減されて粉塵爆発の発生を十分に抑制することができる。
【００２７】
本発明の製造方法は、微粉炭の平均粒子径が５００μｍ以下であることが好ましい。これによって、加熱装置内部における融着を一層抑制することができる。
【００２８】
本発明の製造方法は、加熱工程で、固体燃料の揮発分を３０〜８０質量％とすることが好ましい。また、加熱工程における、混合物に対する固体燃料の収率が、質量基準で７０％以上であることが好ましい。これによって、原料である熱可塑性プラスチックや微粉炭の揮発が抑制されて固体燃料の揮発分の含有率が高くなり、一層良好な燃焼性を有する固体燃料を製造することができる。
【００２９】
本発明の製造方法は、加熱工程の少なくとも一部を負圧下で行うことが好ましい。これによって、プラスチックの熱分解によって生成するタール成分の分圧が低下しプラスチック溶融物の表面の融着性が低減されて、固体同士の一体化・塊状化を一層低減することができる。このような作用によって、粒子径がより小さい粒状の固体燃料を得ることができる。
【００３０】
本発明の製造方法は、加熱工程を酸素ガス濃度１８体積％以下の雰囲気下で行うことが好ましい。このような雰囲気下で熱分解を行うことによって、酸化の進行が抑制されて、一層高い収率で固体燃料を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、原料として熱可塑性プラスチックを用いても、加熱装置内部への融着を抑制することが可能であり、良好な燃焼性を有する固体燃料を高収率で容易に製造することが可能な固体燃料の製造方法を提供することができる。また、良好な燃焼性を有しており、加熱装置への融着を十分に低減することが可能な固体燃料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の好適な一実施形態である固体燃料の製造方法の工程図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態である固体燃料の製造方法に用いられる加熱装置のブロック図である。
【図３】本実施形態の固体燃料の断面構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（倍率：１５０倍）である。
【図４】本発明の好適な一実施形態である固体燃料の製造方法に好適に用いられるロータリキルン型加熱炉の内部の攪拌板の例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施例１の固体燃料から灰分を除いた可燃分換算の熱重量分析（ＴＧ）結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、場合により図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図面において、同一又は同等の要素には同一の符号を付与し、重複する説明を省略する。
【００３４】
本実施形態の固体燃料は、石炭から得られる粉体と、プラスチックを加熱して得られる加熱処理物と、を含む固体燃料である。そして、上記粉体は、石炭を粉砕した微粉炭、及び当該微粉炭を熱分解して得られる熱分解物の少なくとも一方を含有しており、プラスチックは、熱可塑性プラスチックを含有している。また、プラスチックの加熱処理物は、熱可塑性プラスチックを溶融した後、冷却して得られる再固化物を含有している。そして、本実施形態の固体燃料は、揮発分の含有率が３０〜８０質量％、固定炭素の含有率が１０〜５０質量％、及び水分の含有率が０．１〜５０質量％である。
【００３５】
本実施形態の固体燃料の揮発分の含有率は、好ましくは４５〜６５質量％であり、より好ましくは５０〜６０質量％である。固体燃料の揮発分の含有率が４５質量％未満であると、得られる固体燃料の収率が低くなるとともに、着火性が悪化して良好な燃焼性が損なわれる傾向にある。
【００３６】
ところで、固体燃料の原料であるプラスチックを加熱すると、ポリエチレン等塩素を含まない熱可塑性プラスチックからは、可燃性の揮発分のみが揮発する。一方、塩化ビニル等、塩素を含むプラスチックからは可燃性の揮発分とともに塩素が揮発する（脱塩）。そのため、固体燃料の揮発分の含有率が６５質量％を超えた場合、原料となるプラスチックが塩素を含まない熱可塑性プラスチックであれば揮発分の収率が高くなるのみであるため問題はないが、塩素を含むプラスチックが原料に含まれていた場合、固体燃料中の揮発分が多いほど脱塩が不十分となり、固体燃料中の塩素等の不純物成分が多くなる。したがって、原料となる熱可塑性プラスチックに塩素が含まれている場合、固体燃料の揮発分は６５％以下であることが好ましい。
【００３７】
本実施形態の固体燃料の固定炭素の含有率は、好ましくは３０〜４５質量％であり、より好ましくは３０〜４２質量％である。このような範囲で固定炭素を含有することによって、廃プラスチックからなる固体燃料（固定炭素が少ない）に比べて、一層長い期間に亘って良好な燃焼を維持することができる。なお、固体燃料の固定炭素の含有率が３０質量％未満であると高温場の形成が困難になる傾向にある。一方、固体燃料の固定炭素の含有率が４５質量％を超えると優れた着火性が損なわれる傾向にある。
【００３８】
本実施形態の固体燃料の水分の含有率は、好ましくは０．１〜３０質量％であり、より好ましくは１〜２５質量％である。原料として高水分の石炭を用いた場合であっても、融着を低減し、かつ燃焼性に優れた固体燃料を得ることができる。
【００３９】
また、揮発分に対する固定炭素の比（燃料比）は、好ましくは０．５〜０．８であり、より好ましくは０．６〜０．８である。燃料比がこのような範囲にある固体燃料は、一層優れた燃焼性を有する。
【００４０】
本実施形態の固体燃料の高位発熱量（気乾ベース）の下限は、好ましくは２０，０００ｋＪ／ｋｇであり、より好ましくは２８，０００ｋＪ／ｋｇであり、さらに好ましくは２９，０００ｋＪ／ｋｇである。固体燃料の高位発熱量が低くなり過ぎると、十分に優れた燃焼性が損なわれる傾向にある。一方、固体燃料の高位発熱量の上限は、実質的に４０，０００ｋＪ／ｋｇである。
【００４１】
なお、本明細書において、高位発熱量は、ＪＩＳ Ｍ−８８１４に準拠して測定される単位重量（１ｋｇ）当たりの気乾ベースの発熱量をいう。また、揮発分、固定炭素及び水分の含有率は、ＪＩＳ Ｍ−８８１２に準拠して測定される、気乾ベースの含有率をいう。
【００４２】
本実施形態の固体燃料の平均比表面積は、好ましくは１ｍ２／ｇ以下、より好ましくは０．４ｍ２／ｇ以下、さらに好ましくは０．３ｍ２／ｇ以下である。このように小さい平均比表面積を有することによって、例えば同一粉砕条件で粉砕した石炭（微粉炭）に比べて、粉塵爆発の発生を十分に抑制することができる。なお、平均比表面積の下限に特に制限はないが、固体燃料の製造容易性の観点から、平均比表面積は、好ましくは０．０５ｍ２／ｇ以上、より好ましくは０．１ｍ２／ｇ以上である。
【００４３】
本実施形態の固体燃料は、粉砕すると、同一の粉砕条件で粉砕した石炭よりも比表面積が小さくなると考えられる。すなわち、石炭を粉砕して得られる石炭粒子の平均比表面積をＡとし、この石炭と同一の粉砕条件で固体燃料を粉砕して得られる固体燃料粒子の平均比表面積をＢとすると、以下の関係が成立すると予想される。
固体燃料粒子の平均比表面積Ｂ≦石炭粒子の平均比表面積Ａ
ここで、同一の粉砕条件とは、粉砕後の平均粒子径が同一となるまで粉砕する条件をいう。
【００４４】
低品位炭は炭化が進んでおらず、微小な空隙が多い。そのため、粉砕時における比表面積が大きいものの、溶融した熱可塑性プラスチックが空隙を覆うことで比表面積が小さくなり、同一粉砕条件における石炭よりも粉塵爆発の発生を十分に抑制することができる。なお、上述の平均比表面積は、ＪＩＳ Ｚ−８８３０に準拠して、島津製作所製のＡＳＡＰ２４２０（装置名）を用いて測定することができる。
【００４５】
本実施形態の固体燃料は、Ｃ（炭素）の含有率が好ましくは６０〜８０質量％、より好ましくは６５〜７５質量％、さらに好ましくは７０〜７５質量％；Ｈ（水素）の含有率が好ましくは１〜２０質量％、より好ましくは３〜８質量％；Ｏ（酸素）の含有率が好ましくは１〜３０質量％、より好ましくは５〜２５質量％、さらに好ましくは１０〜２０質量％；Ｎの含有率が好ましくは０〜２質量％、より好ましくは０．５〜１質量％；Ｃｌの含有率が好ましくは１．５質量％以下、より好ましくは１．０質量％以下である。なお、上述の各元素の含有率は、ＪＩＳ Ｍ−８８１９に準拠して測定される値（無水ベース）である。
【００４６】
本実施形態の固体燃料は、空気気流中、昇温速度１０℃／分で昇温する熱重量分析において、３５０℃にまで昇温したときの重量減少率が、昇温開始前の重量を基準として、好ましくは１〜７０重量％、より好ましくは５〜５０重量％、さらに好ましくは１５〜４０重量％である。また、同じ熱重量分析において、５００℃にまで昇温したときの重量減少率が、昇温開始前の重量を基準として、好ましくは１５〜１００重量％、より好ましくは６０〜１００重量％、さらに好ましくは８０〜１００重量％である。このような重量減少率を有する固体燃料は、優れた着火性と燃焼維持性を高水準で両立することができる。なお、上述の重量減少量は、空気雰囲気中において、通常の熱重量分析計を用いて測定される、無水無灰基準の値である。
【００４７】
本実施形態の固体燃料のＨＧＩは、好ましくは１５〜４０であり、より好ましくは２０〜３５である。このようなＨＧＩを有する固体燃料は、容易に粉砕することが可能となり、粒度調整がし易くなって使用用途が広がるという利点がある。なお、ＨＧＩ（ハードグローブインデックス、石炭の粉砕性指数）は、ＪＩＳ Ｍ−８８０１に準拠して市販の測定装置を用いて測定することができる。
【００４８】
本実施形態の固体燃料の平均粒子径（粉砕前）は、好ましくは２〜１５ｍｍであり、より好ましくは５〜１０ｍｍである。粉砕前にこのような平均粒子径を有する固体燃料は取り扱い性に優れるとともに燃焼性にも十分に優れる。固体燃料の平均粒子径（粉砕前）が大きくなり過ぎると、固体燃料を製造する加熱炉の取り出し口や固体燃料を使用する設備の投入口等で、固体燃料が閉塞し易くなる傾向にある。なお、本明細書における平均粒子径とは、積算分布曲線の５０体積％に相当する粒子径（メジアン径）をいう。同様の観点から、固体燃料（粉砕前）の粒度分布は、粒子径が１．０ｍｍ以上且つ１６ｍｍ未満である粒子が、固体燃料全体の７０質量％以上であることが好ましく、７５質量％以上であることがより好ましい。粉砕後の固体燃料の平均粒子径は、好ましくは５００μｍ以下であり、より好ましくは１００μｍ以下である。このように微細な平均粒子径を有する固体燃料は、取扱い性に優れるとともに、様々な用途に用いることができる。なお、固体燃料の平均粒子径及び粒度分布は、市販の粒度分析計を用いて測定することができる。
【００４９】
本実施形態の固体燃料は、熱可塑性プラスチック１００質量部に対し、微粉炭を５０〜５００質量部、好ましくは５０〜３００質量部、より好ましくは８０〜２５０質量部の質量割合で混合して加熱し、熱可塑性プラスチックを溶融した後、冷却して再固化する工程を有する製造方法によって製造することができる。このような固体燃料は、優れた着火性と燃焼維持性とを高水準で両立することが可能であり、一層優れた燃焼性を有する。また、熱可塑性プラスチックの再固化物の周囲を微粉炭が取り囲む構造となるために、加熱装置内部に固体燃料（熱可塑性プラスチック）が融着したり、固体燃料同士が融着して凝集したりすることを抑制することができる。
【００５０】
本実施形態の固体燃料を製造する場合、熱可塑性プラスチックと微粉炭とを含む混合物を、２５０〜３５０℃の加熱温度で加熱することが好ましい。この程度の加熱温度では、石炭は、溶融せずに、種類によって熱分解するものとしないものがある。また、熱可塑性プラスチックのうち、塩化ビニル等、塩素を含む熱可塑性プラスチックは固体であるものの、他の熱可塑性プラスチックは、溶融して液状化するものが多い。このため、このような熱可塑性プラスチックを固体燃料の原料として用いると、加熱装置の内部に熱可塑性プラスチックの溶融物が融着したり、熱可塑性プラスチック同士が融着して凝集物を形成したりする。
【００５１】
ところが、本実施形態の固体燃料は、微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物を含有しているため、これらが溶融した熱可塑性プラスチックの溶融物の表面に付着することとなる。すなわち、溶融した熱可塑性プラスチックの表面に微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物が付着し、溶融した熱可塑性プラスチック表面上に微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物の層（後述の第２の相）が形成される。この第２の相が存在することにより、加熱装置や他の塊状プラスチック溶融物との融着を低減することができる。したがって、塩化ビニル等、塩素を含まない熱可塑性プラスチック（ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド等）のみを用いて固体燃料を製造する場合に、本実施形態の固体燃料の製造方法の効果がより著しいものとなる。
【００５２】
第１の相と第２の相を有する固体燃料の構造は、固体燃料の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することによって確認することができる。第１の相は主成分である熱可塑性プラスチックの再固化物の他に、副成分として微粉炭やその熱分解物を含んでいてもよい。また、第２の相は、主成分である微粉炭及び微粉炭の熱分解物の他に、副成分として熱可塑性プラスチックの再固化物を含んでいてもよい。
【００５３】
固体燃料において、微粉炭及び／又は微粉炭の分解物の質量割合が過大になると、廃棄物の有効利用ができないことのみならず、十分優れた着火性が損なわれる傾向にある。一方、微粉炭の熱分解物の質量割合が過小になると、固定炭素の割合が減少して十分な高温場の形成が困難になる傾向にある。このような観点から、プラスチックの加熱処理物と微粉炭及び／又は微粉炭の分解物との合計を基準として、プラスチックの加熱処理物の比率は好ましくは１５〜６０質量％であり、より好ましくは２０〜５０質量％であり、さらに好ましくは２０〜４０質量％である。
【００５４】
次に、本発明の固体燃料の製造方法の好適な実施形態について説明する。
【００５５】
図１は、本実施形態の固体燃料の製造方法の工程図である。本実施形態の固体燃料の製造方法は、熱可塑性プラスチックを含むプラスチック及び石炭を粉砕して得られた微粉炭を加熱装置に投入する投入工程と、熱可塑性プラスチック及び微粉炭を混合して混合物を得る混合工程と、混合物を加熱して微粉炭及び微粉炭の熱分解物を含む固体燃料を得る加熱工程と、を有する。以下、各工程の詳細について説明する。
【００５６】
投入工程では、プラスチックと微粉炭とを、プラスチック１００質量部に対して微粉炭５０〜５００質量部、好ましくは１００〜４００質量部、より好ましくは１５０〜３００質量部の割合で投入する。石炭はプラスチックに比べて揮発分が少なく、逆にプラスチックは石炭に比べて固定炭素が少ない。そのため、プラスチックに対する微粉炭の投入割合が高過ぎると、廃棄物の有効利用が十分にできなくなるだけでなく、得られる固体燃料の優れた着火性が損なわれる傾向にある。一方、プラスチックに対する微粉炭の投入割合が低過ぎると、加熱工程において、熱可塑性プラスチックの溶融物同士が融着して、得られる加熱物が塊状になってハンドリングが困難になる傾向がある。また、加熱炉壁面に溶融した熱可塑性プラスチックが融着して、設備にダメージを与え易くなる傾向がある。これは、溶融した熱可塑性プラスチックの表面に付着する微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物の量が少なくなり、融着防止機能を有する微粉炭の相（第２の相）の形成が不十分となるためである。
【００５７】
投入工程における微粉炭の水分の含有率は０．１〜５０質量％であり、好ましくは５〜３０質量％であり、より好ましくは１０〜２０質量％である。燃焼性に一層優れる固体燃料を得る観点から、高位発熱量（気乾ベース）が、好ましくは２０，０００ｋＪ／ｋｇ以上、より好ましくは２２，０００ｋＪ／ｋｇ以上の微粉炭を用いる。また、着火性に優れる固体燃料を得る観点から、揮発分の含有率が好ましくは１５〜５０質量％、より好ましくは２０〜４５質量％である微粉炭を用いる。
【００５８】
また、固定炭素の含有率が、好ましくは３０〜６０質量％、より好ましくは３０〜５５質量％の微粉炭を用いる。微粉炭の固定炭素の含有率が小さくなり過ぎると、得られる固体燃料による高温場の形成が困難になる傾向にあり、微粉炭の固定炭素の含有率が大きくなり過ぎると、相対的に揮発分が少なくなって得られる固体燃料の優れた着火性が損なわれる傾向にある。
【００５９】
本実施形態の製造方法では、微粉炭とともに熱可塑性プラスチックを用いているため、微粉炭として、褐炭、亜瀝青炭、泥炭などの低品位炭を用いても、粉塵爆発の発生が十分に抑制された安全性の高い固体燃料を得ることができる。一般的に低品位炭は含水量が高い場合が多い。含水量の高い低品位炭には微小孔が多く存在し、この微小孔の中に水分が保持されている。このような低品位炭を粉砕するとともに水分を乾燥させるとこの微小孔が表面に露出するため、微小孔が多く含水量の高い低品位炭は、微小孔の少ない石炭と比べて比表面積が大きくなる。
【００６０】
そこで、含水量の高い低品位炭を熱可塑性プラスチックとともに加熱して、溶融した熱可塑性プラスチックを微小孔内部に導入させて微小孔を閉塞することにより、乾燥・粉砕時における微小孔の露出を低減させる。これにより、含水量の高い低品位炭単体の粉砕物と比べ、本実施形態の固体燃料の粉砕物の比表面積を小さくすることが可能となる。これによって、粉塵爆発の発生を十分に抑制することができる。
【００６１】
なお、低品位炭には酸素含有量の高いものもある。このような酸素含有量の高い低品位炭は酸素官能基が多い傾向にある。酸素官能基は親水性及び自己着火性が高いため、酸素含有量の高い低品位炭の粉砕物も親水性、自己着火性が高い傾向にある。しかしながら、本実施形態の固体燃料は、溶融プラスチックで表面をコーティングすることにより酸素官能基の露出が抑制されているため、酸素官能基の多い低品位炭を用いた場合であっても、親水性や自己着火性が低減されたものとなる。とりわけ固体燃料を粉砕して燃料とする場合は、粉砕により比表面積が増大するため、酸素官能基の露出抑制による自己着火性の低減作用は一層有効である。
【００６２】
熱可塑性プラスチックとしては、通常の廃プラスチックを用いることができる。廃プラスチックは通常汎用プラスチックが廃棄されたものであり、汎用プラスチックの大部分は熱可塑性である。
【００６３】
本実施形態の廃プラスチックには、熱可塑性樹脂（本実施形態の熱可塑性プラスチックと同様の成分である）及び／又はエラストマーが添加配合されている。添加配合される熱可塑性樹脂やエラストマーは、合成樹脂製品の樹脂材料と同じ樹脂、又は同質の樹脂を用いることが望ましい。従って、廃プラスチック材料の粉砕物の再利用に利用できる熱可塑性樹脂材料の例としては、オレフィン系樹脂（例、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、結晶性ポリプロピレン）、ポリカーボネート系樹脂、ポリウレタン系樹脂−スチレン系樹脂、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル−ブタジエンスチレン樹脂）、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル系樹脂；変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェエレンスルフィドなどのポリフェニルエーテル系樹脂；ポリメタクリル酸メチルのようなポリアクリル酸系樹脂；６−ナイロン、６６−ナイロン、１２−ナイロン、６・１２−ナイロンなどのポリアミド系樹脂；ポリスルホンなどを挙げることができる。
【００６４】
エラストマーは、明確な降伏点を有しない熱可塑性の低結晶性エラストマー、又は明確な融点及び降伏点を有しない熱可塑性の非晶性エラストマーであり、常温でゴム弾性を有するエラストマー又はゴムを用いることができる。使用できるエラストマーの具体例としては、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、ポリウレタン系エラストマー等の熱可塑性エラストマーを挙げることができる。エラストマーは１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００６５】
スチレン系エラストマーとしては、ブタジエン−スチレン共重合体（ランダム共重合体、ブロック共重合体及びグラフト共重合体等の全てを含む。）及びその水添物、スチレンブタジエンスチレン共重合体（ＳＢＳなど）、水添スチレン−ブタジエンスチレン共重合体（ＳＥＢＳなど）、イソプレン−スチレン共重合体（ランダム共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体等の全てを含む）及びその水添物、水添スチレン−イソプレン共重合体（ＳＥＰＳなど）、水添スチレン−ビニルイソプレン共重合体（Ｖ−ＳＥＰＳなど）、スチレンイソプレン−スチレン共重合体（ＳＩＳなど）、水添スチレン−イソプレン−スチレン共重合体（ＳＥＰＳなど）、水添スチレン−ブタジエンオレフィン結晶ブロック共重合体（ＳＥＢＣなど）等を用いることができる。
【００６６】
ポリオレフィン系エラストマーとしては、非晶性又は低結晶性ポリオレフィン−α−オレフィン共重合体、ポリオレフィンとオレフィン系ゴムとの混合物等を用いることができる。具体的には、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンエラストマー、エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体エラストマー、エチレン・1−ブテンエラストマー（ＥＢＭ、ＥＢＳなど）、エチレン・ヘキセンエラストマー、エチレン・オクテンエラストマー、プロピレン・１−ブテンエラストマーなどのエチレンと炭素数３〜１２のα−オレフィンとの共重合体エラストマーやプロピレンと炭素数２〜１２のα−オレフィン（炭素数３を除く）との共重合体エラストマーなどのポリオレフィン系エラストマーなどを挙げることができる。さらにポリオレフィン系エラストマーとしては、水素添加アクリロニトリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、エピクロロヒドリンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴムなどを挙げることができる。エラストマーとしては、特にエチレンと炭素数３〜１２のα−オレフィンとの共重合体エラストマーやプロピレンと炭素数２〜１２のα−オレフィン（炭素数３を除く）との共重合体エラストマーなどのポリオレフィン系エラストマーを好ましく用いることができる。
【００６７】
ポリエステル系エラストマーとしては、ポリエステル−ポリエーテル共重合体、ポリエステルーポリエステル共重合体等からなるエラストマーを用いることができる。
【００６８】
ポリアミド系エラストマーとしては、ポリアミド−ポリエステル共重合体、ポリアミド−ポリエーテル共重合体等からなるエラストマー等を用いることができる。上記のエラストマーの１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００６９】
なお、廃プラスチックは、その他のプラスチックを含んでいてもよく、不純物としてプラスチック以外の廃棄物を少量含有していてもよい。不純物は廃プラスチックとともにあらかじめ所定の大きさに破砕されており、金属片や熱硬化性プラスチック等の不純物が含まれていた場合であっても、溶融した塊状の熱可塑性プラスチックに付着し、または内部に取り込まれることにより、固体燃料に一体化される。セメントの原料であるクリンカを焼成する際は金属や灰分を添加するため、固体燃料に不純物が含まれている場合であっても、セメント焼成用燃料としては好適な燃料となる。
【００７０】
なお、本実施形態の加熱工程（後述）では脱塩のために３００℃〜３５０℃で加熱を行っており、通常、この３００℃〜３５０℃では溶融してしまうポリエチレン、ポリプロピレンやポリスチレン等が多く含まれる廃プラスチックの場合、加熱工程において融着が発生しやすい。その場合、本実施形態のように微粉炭による融着防止効果がより顕著となる。
【００７１】
燃焼性に一層優れる固体燃料を得る観点から、プラスチック全体の高位発熱量（気乾ベース）は、好ましくは２５，０００〜４０，０００ｋＪ／ｋｇ、より好ましくは３０，０００〜４０，０００ｋＪ／ｋｇである。また、着火性に優れる固体燃料を得る観点から、プラスチック全体として、揮発分の含有率が好ましくは７０〜９５質量％、より好ましくは８０〜９０質量％である。
【００７２】
混合工程では、投入工程で投入した熱可塑性プラスチックと微粉炭とを混合する。通常、微粉炭などの炭素分の多い物質は、溶融プラスチックとの濡れ性があまり良好ではない。そのため、加熱工程の前に、混合工程によって微粉炭とプラスチックとを混合することによって、微粉炭と熱可塑性プラスチックとが分離してしまうのを抑制し、熱可塑性プラスチックの再固化物を主成分とする第１の相と、微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物を主成分とする第２の相とが良好に分散した固体燃料を得ることができる。
【００７３】
図２は、本実施形態の固体燃料の製造方法に用いられる加熱装置のブロック図である。本実施形態の固体燃料の製造方法は、廃プラスチックの溶融に通常用いられる加熱炉を備える加熱装置を用いることができる。
【００７４】
図２に示すように、原料である廃プラスチック１０は、搬送クレーンなどの搬送機１１によってストックヤードから破砕機１２に搬送され所定のサイズに破砕される。破砕された破砕物は、移送装置１３により加熱炉２０に移送される。加熱炉２０では、微粉炭と廃プラスチックとが混合された後、廃プラスチックは加熱されて溶融する。
【００７５】
加熱工程では、混合物を加熱して熱可塑性プラスチックを溶融物にした後に、冷却して当該溶融物が固化した再固化物と、微粉炭及び当該微粉炭の熱分解物の少なくとも一方と、を含む固体燃料を得る。なお、加熱工程内で加熱後に冷却してもよく、加熱工程後に、溶融した熱可塑性プラスチックを含む加熱物を冷却する冷却工程を別途設けてもよい。微粉炭は炭種によって熱分解されるものとされないものがあるため、微粉炭は、加熱工程後には、熱分解されない微粉炭と、熱分解された微粉炭との混合物となる。したがって、加熱工程では、熱可塑性プラスチックの再固化物と微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物とを含む粒状の固体燃料が得られる。
【００７６】
加熱炉２０で混合物を加熱すると、熱可塑性プラスチックが溶融し、微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物が、溶融した熱可塑性プラスチックの表面に付着した状態になる。その後、熱可塑性プラスチックの溶融が進行し、プラスチックの溶融物の表面に微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物が付着する。その後冷却すると、熱可塑性プラスチックの再固化物（第１の相）の表面が微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物（第２の相）で覆われた構造を有する固体燃料を得ることができる。
【００７７】
図３は、本実施形態の固体燃料の断面構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（倍率：１５０倍）である。本実施形態の製造方法によって得られる固体燃料は、熱可塑性プラスチックを加熱して溶融した後、冷却して得られる再固化物を主成分とする第１の相１００と、石炭から得られる微粉体を主成分とする第２の相２００とを有しており、第２の相２００が第１の相１００の周囲を覆うように設けられている。このような構造を有することによって、装置内への融着が抑制されるとともに良好な燃焼性を有する。
【００７８】
加熱炉２０としては、回転式加熱炉、例えば間接加熱ロータリキルン型の加熱炉を使用することができる。このような加熱炉を用いることによって、熱可塑性プラスチックの破砕物と微粉炭との混合物を加熱することができる。なお、熱可塑性プラスチックの破砕物と微粉炭との混合は、加熱炉２０に投入する前に行ってもよく、加熱炉に２０に投入した後に行ってもよい。できるだけ均一な固体燃料を得る観点から、加熱炉２０内における加熱は、熱可塑性プラスチックの破砕物と微粉炭とを混合しながら行うことが好ましい。
【００７９】
熱可塑性プラスチックの破砕物と微粉炭とを含む混合物は、加熱炉２０によって加熱される。加熱炉２０における加熱温度は、２５０〜５００℃、好ましくは２５０〜４５０℃、さらに好ましくは２８０〜４００℃、特に好ましくは３００〜３５０℃である。加熱温度が高すぎると、得られる固体燃料の揮発分が少なくなり、固体燃料の収率が低くなるとともに固体燃料の優れた燃焼性が損なわれる傾向にある。一方、熱可塑性プラスチックに塩素を含むプラスチックが含まれる場合、加熱温度が低すぎると固体燃料中に塩素等の成分の残存量が増える傾向にある。
【００８０】
加熱炉２０において上述の加熱温度に加熱する加熱時間は、３０〜１２０分間、好ましくは４５〜９０分間である。加熱時間が長過ぎると、得られる固体燃料の揮発分が少なくなり、固体燃料の収率が低くなる傾向にある。一方、加熱時間が短過ぎるとプラスチックの脱塩素が不十分となり、固体燃料中に塩素等の成分の残存量が増える傾向にある。
【００８１】
加熱炉２０における加熱は、大気圧未満の圧力下で行うことが好ましい。これによって、プラスチックの熱分解によって生じるタール成分の加熱炉外への排出が促進される。その結果、熱可塑性プラスチックの溶融物の表面に存在するタール成分の量が減少して、熱可塑性プラスチックの溶融物の表面の融着性が低減されることとなる。したがって、熱可塑性プラスチックの溶融物の表面に、微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物が過剰に付着することが抑制され、熱可塑性プラスチック再固化物（第１の相）を覆う微粉炭及び／又は微粉炭の熱分解物（第２の相）の厚みが大きくなりすぎるのを抑制することができる。このような作用によって、最終的に得られる固体燃料の粒子径を小さくすることができる。
【００８２】
加熱炉２０における加熱は、具体的には、好ましくは９９ｋＰａＡ以下、より好ましくは９８ｋＰａＡ以下の減圧下で行うことが好ましい。なお、加熱炉２０内の圧力に特に下限はないが、設備の耐圧性の観点から９０ｋＰａＡ以上であることが好ましい。
【００８３】
加熱炉２０内部の酸素ガス濃度は、好ましくは１０〜１８体積％であり、より好ましくは１４〜１８体積％である。酸素ガス濃度が高くなり過ぎると、熱可塑性プラスチック及び／又は微粉炭の酸化が進行してしまい、得られる固体燃料の収率が低くなる傾向にある。一方、酸素ガス濃度が低くなり過ぎると、プラスチックが熱分解して生じるタールの酸化が促進されず、タールの残留分が多くなり、溶融した熱可塑性プラスチックの融着が発生し易くなる傾向にある。
【００８４】
図４は、本実施形態の固体燃料の製造方法に好適に用いられるロータリキルン型加熱炉の内部の攪拌板の例を示す模式図である。攪拌板（リフタ）３０は、加熱炉２０の軸方向に沿って延びるように備えられる。このような攪拌板３０を備えることによって、加熱炉２０内に投入された原料（熱可塑性プラスチック及び微粉炭）の撹拌及び混合を円滑に行うことができる。攪拌板３０の設置枚数は、加熱炉の規模等によって適宜設定される。例えば、加熱炉２０の内径が５０ｍｍから３００ｍｍ程度であれば、図４（ａ）から（ｃ）に示すように、２〜４枚の攪拌板３０を設けることが好ましく、加熱炉２０の内径が６００ｍｍ程度であれば、図４（ｄ）に示すように８枚の攪拌板３０を設けることが好ましい。
【００８５】
攪拌板３０は、その高さｈの０．３倍から３倍程度のピッチで取り付けられることが好ましい。また、攪拌板３０の高さｈは、原料（混合物）に含まれる熱可塑性プラスチックが柔らかくなって微粉炭と共に粒状化するまでは、加熱炉２０の内径に対し、１０％から３０％程度のサイズであることが好ましい。このように、内部に攪拌板３０を備えるキルンを用いることによって、加熱炉２０に投入された熱可塑性プラスチックと微粉炭は、キルンの回転に伴って攪拌板３０によって掻きあげられ、混合されながら加熱されることとなる。
【００８６】
本実施形態の固体燃料の製造方法では、塩化ビニル等の塩素を含む熱可塑性プラスチック（塩化ビニル等を含む廃プラスチック）を簡便に処理することができる。すなわち、塩化ビニルのような塩素を含有する廃プラスチックを加熱すると、塩素が塩化水素ガスとなり固体原燃料から除去（脱塩）される。これにより、塩素含有率が十分に低減された固体燃料を得ることができる。ただし、廃プラスチック中の塩素含有率が過剰になると、生成した固体原燃料に塩素分が残存し、固体燃料を用いる設備（例えばセメント製造装置や発電用ボイラ）や当該設備を用いて得られる製品品質（例えばセメント）に悪影響を及ぼす可能性がある。従って、原料であるプラスチックに含まれる塩素分は少ないほうが好ましい。すなわち、投入工程では、塩化ビニル等、塩素を含まない熱可塑性プラスチックのみを投入することが好ましい。具体的には、原料として用いる熱可塑性プラスチック中の塩素含有率は、３０質量％以下、好ましくは１０質量％以下である。なお、塩化ビニル等の廃プラスチックを有効に活用する観点から、原料である熱可塑性プラスチックの塩素含有率は、１質量％以上、より好ましくは２質量％以上である。
【００８７】
なお、塩化ビニル等、塩素を含む熱可塑性プラスチックは、脱塩素（熱分解）が始まると炭素主体の固形物となる。本実施形態の加熱工程における特に好ましい温度領域は３００〜３５０℃であり、この温度領域では、塩素を含む熱可塑性プラスチックは、通常固体である。そのため、上述の温度領域では、塩素を含む熱可塑性プラスチックは、通常溶融することはなく、装置内に融着することもない。
【００８８】
これに対し、他の熱可塑性プラスチックは、上記温度領域（３００〜３５０℃）では溶融・液状化しており、微粉炭等を添加せずに加熱炉２０に投入すると装置内に融着してしまう。そこで、本実施形態では、微粉炭を添加することにより、溶融した熱可塑性プラスチックの周囲に微粉炭を付着させ、塩化ビニル等、塩素含有プラスチックに比べて溶融しやすい熱可塑性プラスチックであっても、融着を回避しつつ固体燃料を製造することが可能となる。
【００８９】
このように、塩化ビニル等、塩素を含まない熱可塑性プラスチック（ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル等）のみを用いて固体燃料を製造する場合、本実施形態の固体燃料の製造方法の効果がより顕著となる。
【００９０】
本実施形態の製造方法では、投入する原料（混合物）全体に対する、生成物（固体燃料）の収率が、７０質量％以上であり、好ましくは７５質量％以上であり、より好ましくは７８質量％以上である。このように、生成物の収率を高く維持することによって、揮発分の含有量が十分に高く良好な燃焼性を有する固体燃料を得ることができる。なお、生成物の収率は、加熱炉における加熱温度や加熱時間を変えることによって調整することができる。
【００９１】
加熱工程によって生成した加熱物（固体燃料）は、生成物として加熱炉２０より排出され、図示しない冷却装置によって冷却され、必要に応じて後段の回収・分離装置に移送される。
【００９２】
一方、加熱炉２０における混合物の加熱によって発生したタールを含む熱分解ガスは図示しない燃焼室にて燃焼され、完全に分解される。原料として、塩化ビニルのような塩素を含有する廃プラスチックを使用した場合、燃焼排ガスに含まれる塩化水素は、排ガス洗浄装置２３によって回収される。
【００９３】
加熱工程で得られる固体燃料は、主成分として、熱可塑性プラスチックが溶融した後、冷却して得られる再固化物、及び微粉炭を含有することが好ましい。また、主成分以外に、熱分解されていない熱硬化性プラスチックを少量含んでいてもよい。
【００９４】
なお、石炭の種類によっては３００〜３５０℃（本実施形態の加熱工程において特に好ましい温度領域）に加熱しても、熱分解されないものもある。したがって、主成分に含まれる微粉炭は、熱分解されたものと、熱分解されていないものが混在していてもよい。
【００９５】
加熱工程後に、得られた固体燃料を粉砕する粉砕工程を行ってもよい。粉砕工程では、加熱工程で得られた熱分解物を通常の粉砕装置を用いて所望のサイズになるまで粉砕して粒状化する。これによって、所望の粒子径サイズを有する固体燃料を得ることができる。
【００９６】
なお、粉砕工程の前に、加熱炉２０から冷却装置を介して得られた固体燃料を振動篩などの手段によって、粒子径が大きいものと小さいものに分離してもよい。この場合、粒子径が小さいものについては、そのまま固体燃料として使用することもできる。
【００９７】
以上の通り説明した本実施形態の固体燃料の製造方法によれば、特別な前処理を施すことなく、熱可塑性プラスチックと微粉炭とを原料として用いることによって、装置内への融着が抑制され良好な取扱い性と良好な燃焼性とを有する固体燃料を高収率で得ることができる。
【００９８】
得られた固体燃料は、セメント製造装置の仮焼炉やロータリキルンの窯前又は窯尻などに供給して燃焼させ、燃料として使用することができる。また、微粉炭の代替燃料として発電用ボイラに供給して燃焼させることができる。
【００９９】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
【実施例】
【０１００】
本発明の内容を、実施例及び比較例の内容を参照しつつより詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【０１０１】
（実施例１）
ポリエチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、塩化ビニル樹脂及びＡＢＳ樹脂等を含む廃プラスチックと、市販の微粉炭（微粉炭Ｃ）とを準備した。準備した廃プラスチックの組成の一例を表１に示す。表１示すような複数種類の廃プラスチックを混合して、固体燃料の原料とした。原料である廃プラスチックと微粉炭の工業分析及び元素分析の結果を表２に纏めて示す。
【０１０２】
【表１】
【０１０３】
なお、廃棄物の特性上、どのようなプラスチックがどれくらいの割合で含まれるかは一義的には定まらないため、表１で示される割合はあくまでも例である。上述のように、ポリエチレン、ポリプロピレンやポリスチレン等、溶融しやすいプラスチックが多く含まれる場合は加熱工程における融着が発生しやすい傾向にあるため、微粉炭による融着防止効果がより顕著となる。
【０１０４】
本実施例では、高位発熱量（気乾ベース）の分析はＪＩＳ Ｍ−８８１４に準拠し、１０１３−J（装置名、吉田製作所製）を用いて行った。工業分析（気乾ベース）は、ＪＩＳ Ｍ−８８１２に準拠して行った。元素分析（無水ベース）は、ＪＩＳ Ｍ−８８１９に準拠し、ＭＴ−５（装置名、ヤナコ製）を用いて行った。ＨＧＩ（ハードグローブインデックス、石炭の粉砕性指数）測定は、ＪＩＳ Ｍ−８８０１に準拠して行った。平均粒子径及び粒度分布の測定は、レーザー回折粒度分布測定装置（堀場製作所製、装置名：ＬＡ−９２０、溶媒：純水２５０ｍｌ、相対屈折率１．５０、平均粒子径：積算体積５０％、試料分散時間：３分間、測定時間：２０秒間、測定繰り返し回数：２回、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、波長：６３２．８ｎｍ、出力：１Ｍｗ、タングステンランプ５０Ｗ）を用いて行った。
【０１０５】
平均粒子径は、積算分布曲線の５０体積％に相当する粒子径（メジアン径）とした。示差走査熱量分析（ＤＳＣ）は、市販のＤＳＣ分析装置（リガク製、装置名：ＤＳＣ８２３０）を用い、空気雰囲気下、８０℃の温度下で測定した。微粉炭Ｃ（平均粒子径：１１μｍ）の平均比表面積は、市販の比表面積測定装置（島津製作所製、装置名：ＡＳＡＰ２４２０、窒素ガス使用、ＢＥＴ比表面積多点法）を用いて測定した。
【０１０６】
【表２】
【０１０７】
上述の廃プラスチック１００質量部に対し、微粉炭Ｃ２００質量部を、図４に示すようなロータリキルン型加熱炉（炉径：φ６００ｍｍ）を備える加熱装置に投入し、廃プラスチックと微粉炭Ｃを混合しながら５℃／分間で昇温して加熱し、廃プラスチックと微粉炭Ｃとを、窒素と酸素の混合ガス雰囲気下（酸素濃度：５体積％以下、圧力：９８〜１０１．３ｋＰａＡ）、３００℃で５０分間加熱する加熱工程を行った。
【０１０８】
ロータリキルン型加熱炉としては、耐熱鋼ＳＵＳ３１０Ｓ製容器（掻き上げ羽根（攪拌板）４枚（羽根高さ７０ｍｍ×４枚付き）と、当該容器を外部から加熱する電気炉とを備えるものを用いた。ロータリキルン型加熱炉は、隣り合う攪拌板間のインタバル時間が０．１分間となるように回転させながら炉外温度を制御して、炉内試料温度を調整した。
【０１０９】
ロータリキルン型加熱炉において加熱工程が終了した後、生成物を冷却して、微粉炭、その熱分解物、廃プラスチックの再固化物、及び廃プラスチックの熱分解物を含有する固体燃料を得た。固体燃料の工業分析及び元素分析の結果を、表３に示す。また、固体燃料（粉砕前）の粒度分布の分析結果を表４に示す。なお、固体燃料の分析方法及び用いた分析装置は、特に明示しない限り、原料である廃プラスチック及び微粉炭の分析と同一である。
【０１１０】
【表３】
【０１１１】
表３中、収率は、以下の計算式（１）によって求めた。
収率（質量％）＝（固体燃料の質量／廃プラスチックと微粉炭の合計質量）×１００ ・・・（１）
【０１１２】
固体燃料の平均比表面積は０．２８ｍ２／ｇであった。一方、微粉炭Ｃの平均比表面積は９．１ｍ２／ｇであり（表２参照）、固体燃料は微粉炭Ｃよりも平均比表面積が小さく、粉塵爆発のおそれが低減されることが確認された。
【０１１３】
また、固体燃料の揮発分は５３．４％（気乾ベース質量％）であった。一方、微粉炭Ｃの揮発分は４２．８％（気乾ベース質量％）であり（表２参照）、固体燃料は微粉炭Ｃに対して着火性が向上した。固体燃料の収率は８３．１質量％であり、廃プラスチック及び微粉炭Ｃの揮発分の多くが残存していることが確認された。
【０１１４】
【表４】
【０１１５】
固体燃料（粉砕前）の粒度分布の分析結果は表４に示されるとおりであった。このように、実施例１における固体燃料は１．０ｍｍ以上１６ｍｍ未満の粒子の割合が８９．１質量％であり、運搬、貯蔵の障害となるような大きな塊状物は存在しなかった。また、微小粒子の割合が大きい場合は運搬時および貯蔵時に煩雑な工程が多くなるが、実施例１の固体燃料では１．０ｍｍ未満の微小粒子の割合は１０．９質量％と小さくなっており、運搬、貯蔵におけるハンドリング性が向上する。
【０１１６】
実施例１で得られた固体燃料を粉砕し、それぞれ篩い分けして、粒子径が５００〜１０００μｍのものを用いて、熱重量分析（ＴＧ）を行った。熱重量分析（ＴＧ）は、（株）マック・サイエンス製のＭＴＣ１０００（装置名）を用い、空気雰囲気下、１０℃／分の昇温速度で測定した。なお、比較のため、原料である微粉炭Ｃを篩い分けしたもの（粒子径４５〜９０μｍ）についても、同様の測定を行った。
【０１１７】
図５は、実施例１の固体燃料及び微粉炭Ｃから、それぞれ灰分を除いた可燃分換算の熱重量分析（ＴＧ）結果を示すグラフである。図５では、実施例１の固体燃料は２５０℃付近から傾きが増大（燃焼開始）している。これに対し微粉炭Ｃでは３００℃付近から傾きが増大（燃焼開始）しており、実施例１の固体燃料は微粉炭Ｃよりも着火性が向上していることが確認された。これにより、微粉炭Ｃ２００質量部に対し、安価な廃プラスチックを１００質量部用いた固体燃料であっても、微粉炭Ｃ単体と同等以上の燃焼特性を有する燃料を得ることができた。
【符号の説明】
【０１１８】
２０…加熱炉、３０…攪拌板（リフタ）、１００…第１の相、２００…第２の相。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭から得られる粉体と、プラスチックを加熱して得られる加熱処理物と、を含む固体燃料であって、
前記粉体は、前記石炭を粉砕した微粉炭、及び当該微粉炭を熱分解して得られる熱分解物の少なくとも一方を含有し、
前記プラスチックは、熱可塑性プラスチックを含有し、
前記加熱処理物は、前記熱可塑性プラスチックを溶融した後、冷却して得られる再固化物を含有し、
揮発分の含有率が３０〜８０質量％、固定炭素の含有率が１０〜５０質量％、及び水分の含有率が０．１〜５０質量％である固体燃料。
【請求項２】
前記再固化物を主成分として含む第１の相と、
前記微粉炭及び前記熱分解物の少なくとも一方を主成分として含み、前記第１の相の外周を覆う第２の相と、を有する請求項１に記載の固体燃料。
【請求項３】
平均比表面積が１．０ｍ２／ｇ以下である請求項１又は２に記載の固体燃料。
【請求項４】
高位発熱量が２００００〜４００００ｋＪ／ｋｇである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項５】
Ｃ（炭素）の含有率が６０〜８０質量％、Ｈ（水素）の含有率が１〜２０質量％、Ｏ（酸素）の含有率が１〜３０質量％である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項６】
空気中、昇温速度１０℃／分で昇温する熱重量分析において、
昇温開始前の重量を基準としたときに、
３５０℃における重量減少率（無水無灰基準）が１〜７０％であり、５００℃における重量減少率（無水無灰基準）が１５〜１００％である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項７】
ＨＧＩが１５〜４０である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項８】
粒状であり、全体の５０質量％以上の粒子が１．０ｍｍ以上且つ３０ｍｍ未満の粒子径を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項９】
前記熱可塑性プラスチック１００質量部に対して、前記微粉炭を５０〜５００質量部混合し、加熱して前記熱可塑性プラスチックの少なくとも一部を溶融した後、溶融した前記熱可塑性プラスチックを冷却して再固化し、粒状化して得られる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項１０】
前記プラスチックが廃プラスチックを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項１１】
前記微粉炭及び前記熱分解物の少なくとも一方の平均粒子径が５００μｍ以下である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項１２】
熱可塑性プラスチックを含むプラスチックと石炭を粉砕して得られた微粉炭とを加熱装置に投入する投入工程と、前記熱可塑性プラスチック及び前記微粉炭を混合して混合物を得る混合工程と、前記混合物を加熱して固体燃料を得る加熱工程と、を有する固体燃料の製造方法であって、
前記投入工程では、前記プラスチック１００質量部に対して、水分の含有率が０．１〜５０質量％である前記微粉炭を５０〜５００質量部投入し、
前記加熱工程では、前記混合物を加熱して前記熱可塑性プラスチックを溶融物とした後に当該溶融物を固化して得られる再固化物と、微粉炭及び当該微粉炭の熱分解物の少なくとも一方と、を含む前記固体燃料を得る、固体燃料の製造方法。
【請求項１３】
前記投入工程の前に、
前記石炭及び／又は前記微粉炭を乾燥する乾燥工程を有する、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記石炭は、亜瀝青炭、褐炭、及び泥炭から選ばれる少なくとも一種を含む、請求項１２又は１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記微粉炭の平均粒子径が５００μｍ以下である、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記加熱工程では、前記固体燃料の揮発分を３０〜８０質量％とする、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記加熱工程の少なくとも一部を負圧下で行う、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記加熱工程を酸素ガス濃度１８体積％以下の雰囲気下で行う、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１】
石炭から得られる粉体と、プラスチックを加熱して得られる加熱処理物と、を含む固体燃料であって、
前記粉体は、前記石炭を粉砕した微粉炭、及び当該微粉炭を熱分解して得られる熱分解物の少なくとも一方を含有し、
前記プラスチックは、熱可塑性プラスチックを含有し、
前記加熱処理物は、前記熱可塑性プラスチックを溶融した後、冷却して得られる再固化物を含有し、
揮発分の含有率が３０〜８０質量％、固定炭素の含有率が１０〜５０質量％、及び水分の含有率が０．１〜５０質量％である固体燃料。
【請求項２】
前記再固化物を主成分として含む第１の相と、
前記微粉炭及び前記熱分解物の少なくとも一方を主成分として含み、前記第１の相の外周を覆う第２の相と、を有する請求項１に記載の固体燃料。
【請求項３】
平均比表面積が１．０ｍ２／ｇ以下である請求項１又は２に記載の固体燃料。
【請求項４】
高位発熱量が２００００〜４００００ｋＪ／ｋｇである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項５】
Ｃ（炭素）の含有率が６０〜８０質量％、Ｈ（水素）の含有率が１〜２０質量％、Ｏ（酸素）の含有率が１〜３０質量％である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項６】
空気中、昇温速度１０℃／分で昇温する熱重量分析において、
昇温開始前の重量を基準としたときに、
３５０℃における重量減少率（無水無灰基準）が１〜７０％であり、５００℃における重量減少率（無水無灰基準）が１５〜１００％である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項７】
ＨＧＩが１５〜４０である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項８】
粒状であり、全体の５０質量％以上の粒子が１．０ｍｍ以上且つ３０ｍｍ未満の粒子径を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項９】
前記熱可塑性プラスチック１００質量部に対して、前記微粉炭を５０〜５００質量部混合し、加熱して前記熱可塑性プラスチックの少なくとも一部を溶融した後、溶融した前記熱可塑性プラスチックを冷却して再固化し、粒状化して得られる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項１０】
前記プラスチックが廃プラスチックを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項１１】
前記微粉炭及び前記熱分解物の少なくとも一方の平均粒子径が５００μｍ以下である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の固体燃料。
【請求項１２】
熱可塑性プラスチックを含むプラスチックと石炭を粉砕して得られた微粉炭とを加熱装置に投入する投入工程と、前記熱可塑性プラスチック及び前記微粉炭を混合して混合物を得る混合工程と、前記混合物を加熱して固体燃料を得る加熱工程と、を有する固体燃料の製造方法であって、
前記投入工程では、前記プラスチック１００質量部に対して、水分の含有率が０．１〜５０質量％である前記微粉炭を５０〜５００質量部投入し、
前記加熱工程では、前記混合物を加熱して前記熱可塑性プラスチックを溶融物とした後に当該溶融物を固化して得られる再固化物と、微粉炭及び当該微粉炭の熱分解物の少なくとも一方と、を含む前記固体燃料を得る、固体燃料の製造方法。
【請求項１３】
前記投入工程の前に、
前記石炭及び／又は前記微粉炭を乾燥する乾燥工程を有する、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記石炭は、亜瀝青炭、褐炭、及び泥炭から選ばれる少なくとも一種を含む、請求項１２又は１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記微粉炭の平均粒子径が５００μｍ以下である、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記加熱工程では、前記固体燃料の揮発分を３０〜８０質量％とする、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記加熱工程の少なくとも一部を負圧下で行う、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記加熱工程を酸素ガス濃度１８体積％以下の雰囲気下で行う、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の製造方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−６８７７１（Ｐ２０１１−６８７７１Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２０９２９（Ｐ２００９−２２０９２９）
【出願日】平成２１年９月２５日（２００９．９．２５）
【出願人】（００００００２０６）宇部興産株式会社 (2,022)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２５日（２００９．９．２５）
【出願人】（００００００２０６）宇部興産株式会社 (2,022)
【Ｆターム（参考）】
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