JP2019177299A - 炭素繊維強化プラスチックの処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維の燃焼効率を向上させ、炭素繊維強化プラスチックを効率的に処理できる方法を提供する。【解決手段】炭素繊維強化プラスチックの処理方法は、混合工程と、加熱工程と、燃焼工程とを備える。混合工程では、炭素繊維強化プラスチックとセメント原料とを混合して混合物を得る。加熱工程では、混合物を２５０℃〜４５０℃に加熱して熱処理品を得る。燃焼工程では、熱処理品をセメント焼成炉に投入し、燃焼させる。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチックの処理方法に関する。

炭素繊維をプラスチックで固めた炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、以下、「ＣＦＲＰ」ということがある。）は、軽量であり、熱伝導性、寸法安定性に優れており、自動車、航空機、スポーツ用品など多くの用途に使われている。

ＣＦＲＰの使用拡大に伴い、その廃材の処理が問題になってきている。ＣＦＲＰをセメント焼成工程で処理できれば、大量の処理が可能となるが、炭素繊維は燃え難いため仮焼炉で燃え残りの炭素繊維が電気集塵機（以下、「ＥＰ」ということがある）に入る懸念がある。炭素繊維は導電性があるため、炭素繊維がＥＰ内に入るとＥＰの荷電が低下し、その結果、ＥＰの集塵効率が低下するという問題がある。

そこで、炭素繊維の燃焼性を向上するために、炭素繊維をセメント原料と混合し、セメントキルンに投入する技術が提案されている（特許文献１）。また、特許文献２では、炭素繊維、樹脂混合物又はその硬化物を、金属化合物を別途添加し、金属元素の触媒効果によって効率よく焼却する技術が提案されている。

特開２０１７−１０９８８８号公報 特開平６−１１７６１４号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の技術では、炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維の燃焼効率が低いという問題がある。

本発明の主な目的は、炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維の燃焼効率を向上させ、炭素繊維強化プラスチックを効率的に処理できる方法を提供することにある。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの処理方法は、混合工程と、加熱工程と、燃焼工程とを備える。混合工程では、炭素繊維強化プラスチックとセメント原料とを混合して混合物を得る。加熱工程では、混合物を２５０℃〜４５０℃に加熱して熱処理品を得る。燃焼工程では、熱処理品をセメント焼成炉に投入し、燃焼させる。本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの処理方法では、燃焼工程に先立って、混合物を２５０℃〜４５０℃に加熱する加熱工程を行う。このため、炭素繊維強化プラスチックの表面に位置するプラスチックが脱落して、炭素繊維の露出面積が大きくなる。よって、燃焼工程における炭素繊維の燃焼効率を向上することができる。従って、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの処理方法によれば、炭素繊維強化プラスチックを効率的に処理することができる。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの処理方法では、加熱工程において、混合物を２５０℃〜４５０℃で１時間〜５時間加熱することが好ましい。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの処理方法では、混合工程と加熱工程とを、回転式加熱炉を用いて行うことが好ましい。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの処理方法では、セメント原料として、石炭、石油コークス及び石炭コークスからなる群から選ばれた少なくとも１種の原料を用いることが好ましい。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの処理方法は、加熱工程の前に、炭素繊維強化プラスチックを破砕する破砕工程をさらに備えることが好ましい。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの処理方法は、加熱工程の後に、熱処理品を粉砕する粉砕工程をさらに備えることが好ましい。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの処理方法では、セメント原料として、水銀を含有する原料を用いてもよい。その場合、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの処理方法が、加熱工程の後に、加熱工程において揮発した水銀を回収する排気ガス処理工程をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維の燃焼効率を向上させ、炭素繊維強化プラスチックを効率的に処理できる方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの処理装置の模式図である。 変形例に係る炭素繊維強化プラスチックの処理装置の模式図である。 第２の実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの処理装置の模式図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの処理装置の模式図である。図１に示すように、炭素繊維強化プラスチックの処理装置１は、セメント製造装置１０を備えている。セメント製造装置１０は、プレヒータ１１と、セメント焼成炉１２と、クリンカクーラ１３とを備えている。セメント焼成炉１２は、仮焼炉１２ａと、ロータリーキルン（セメントキルン）１２ｂとを備えている。このセメント製造装置１０により、セメント原料からセメントクリンカが製造される。

なお、セメント原料は、特に限定されない。セメント原料としては、例えば、石炭、石油コークス、石炭コークス、石炭灰、セメントキルンの集塵ダスト、石灰石、高炉スラグ、製鋼スラグ等のスラグ類、バイオマス灰、粘土、建設発生土、都市ゴミ焼却灰、銅がらみ、鉄精鉱、無機汚泥、下水汚泥、し尿汚泥、リチウムイオン二次電池等の電池のくず、太陽光パネル等の破砕物、ＡＳＲ（自動車シュレッダーダスト）等のシュレッダーダスト（ＳＲ）等が挙げられる。これらの原料のうちの一種のみを用いてもよいし、複数種類を用いてもよい。

セメント原料は、水銀を含有する原料であってもよい。水銀を含有するセメント原料の具体例としては、例えば、石炭灰、石炭、セメントキルンの集塵ダスト、ＡＳＲ（自動車シュレッダーダスト）等のシュレッダーダスト（ＳＲ）等が挙げられる。

セメント原料は、例えば、サスペンションプレヒータ−等により構成されたプレヒータ１１に投入され、予熱される。予熱されたセメント原料は、セメント焼成炉１２に移送される。セメント焼成炉１２は、仮焼炉１２ａと、ロータリーキルン１２ｂとを備えている。プレヒータ１１により予熱されたセメント原料は、仮焼炉１２ａにおいて仮焼される。仮焼されたセメント原料は、窯尻１２ｂ１からロータリーキルン１２ｂに移送され、窯前１２ｂ２に設けられたメインバーナーにより加熱される。これにより、セメントクリンカが生成する。セメントクリンカは、ロータリーキルン１２ｂの窯前１２ｂ２からクリンカクーラ１３に移送され、クリンカクーラ１３において冷却される。冷却されたクリンカは、クリンカクーラ１３から排出される。

なお、本実施形態では、セメント焼成炉１２が仮焼炉１２ａとロータリーキルン１２ｂとを備えている例について説明する。ただし、本発明はこの構成に限定されない。たとえば、セメント焼成炉は、ロータリーキルンのみにより構成されていてもよい。

処理装置１は、セメント製造装置１０に加え、回転式加熱炉２１及び水銀処理装置２２をさらに備えている。

本実施形態では、回転式加熱炉２１は、ロータリーキルン１２ｂの窯前１２ｂ２に接続されている。また、回転式加熱炉２１は、水銀処理装置２２に接続されている。

次に、本実施形態における炭素繊維強化プラスチックの処理方法について説明する。

本実施形態において処理対象となる炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系の炭素繊維であってもよいし、ピッチ系の炭素繊維であってもよい。

本実施形態において処理対象となる炭素繊維強化プラスチックに含まれるプラスチックは、熱硬化性樹脂であってもよいし、熱可塑性樹脂であってもよい。

まず、炭素繊維強化プラスチックとセメント原料とを混合して混合物を得る混合工程と、混合物を２５０℃〜４５０℃に加熱して熱処理品を得る加熱工程とを行う。本実施形態では、混合工程と加熱工程とを同時に行う例について説明する。

具体的には、炭素繊維強化プラスチックとセメント原料とが回転式加熱炉２１に投入される。炭素繊維強化プラスチックとセメント原料とは、回転式加熱炉２１により混合されると共に、２５０℃〜４５０℃に加熱される。これにより、混合物の熱処理品が得られる。

加熱工程において、混合物を２５０℃〜４５０℃に加熱する時間は特に限定されないが、例えば、１時間〜５時間程度とすることができる。

なお、本実施形態では、回転式加熱炉２１を用いて混合工程と加熱工程とを同時に行う例について説明した。但し、本発明は、これに限定されない。例えば、攪拌機を用いて炭素繊維強化プラスチックとセメント原料との混合物を得た後に、加熱炉において混合物の加熱を行ってもよい。その場合、加熱炉は、バッチ式の加熱炉であってもよいし、連続式の加熱炉であってもよい。また、加熱工程を行った後に混合工程を行ってもよいし、混合工程を行った後に、加熱工程を行い、その後にさらに混合工程を行ってもよい。

加熱工程を行った後に、混合物の熱処理品を粉砕する粉砕工程を行うことが好ましい。

次に、混合工程及び加熱工程を経て得られた混合物の熱処理品を、セメント焼成炉１２に投入し、燃焼させる（燃焼工程）。具体的には、本実施形態では、混合物の熱処理品をロータリーキルン１２ｂの窯前１２ｂ２からロータリーキルン１２ｂに投入される。もっとも、本発明において、混合物の熱処理品を投入する箇所は特に限定されない。例えば、図２に示すように、混合物の熱処理品を仮焼炉１２ａに投入してもよい。

回転式加熱炉２１内のガスは、水銀処理装置２２に送入される。加熱工程において水銀を含むセメント原料を使用した場合、水銀が揮発しガスとして排出される。水銀処理装置２２においてガス内の水銀を回収する。すなわち、本実施形態では、加熱工程の後に、加熱工程において揮発した水銀を回収する排気ガス処理工程を行う。この排気ガス処理工程を行うことにより、セメント原料が水銀を含む場合であっても処理装置１から排出される排気ガスの水銀含有量を低減することができ、水銀の排出を抑制することができる。また、プレヒータ１１およびセメント焼成炉１２には含有水銀量が低減されたセメント原料が投入されるため、未処理のセメント原料を使用する場合と比べ、セメント製造時に排出される水銀量も低減できる。

なお、水銀処理装置２２の種類は、特に限定されない。水銀処理装置２２は、例えば、活性炭やゼオライト等の吸着剤を備えた装置、水銀を含むガスに対して散水してガスを急冷して水銀を凝集させて取り除く装置等であってもよい。

以上説明したように、炭素繊維強化プラスチックとセメント原料との混合物を２５０℃〜４５０℃に加熱する。このため、炭素繊維強化プラスチックの表層部分に位置するプラスチックが脱落し、炭素繊維の露出率が高くなる。よって、炭素繊維の燃焼効率が向上する。その結果、炭素繊維強化プラスチックを効率的に処理することができる。また、セメント原料が水銀を含む場合であっても水銀の排出を抑制することができる。

炭素繊維の露出率をより高くし、炭素繊維の燃焼効率をより向上する観点からは、加熱工程の後であって、燃焼工程の前に、熱処理品を粉砕する粉砕工程を行うことがより好ましい。粉砕工程で使われる粉砕機としては、例えば、竪型ミル、ボールミルなどが使用できる。粉砕後の熱処理品の粒度は、５ｍｍ以下が好ましく、３ｍｍ以下がより好ましく、１ｍｍ以下が更に好ましい。

なお、混合物の加熱温度が２５０℃未満である場合は、炭素繊維の炭素繊維強化プラスチックからの露出率を十分に高めることが困難となる。一方、混合物の加熱温度が４５０℃より高い場合は、加熱工程に要するエネルギーが多くなり、炭素繊維強化プラスチックの処理に要するコストが高くなる傾向にある。混合物の加熱温度は、好ましくは、３００℃〜４２０℃であり、より好ましくは、３５０℃〜４００℃である。

炭素繊維の燃焼効率をより向上する観点からは、金属を含むセメント原料を用いることが好ましい。その場合、セメント原料に含まれる金属が炭素繊維の燃焼効率を向上するためである。

同様の観点から、加熱工程を還元雰囲気下で行うことが好ましい。炭素繊維強化プラスチックを還元雰囲気下で加熱することにより、炭素繊維強化プラスチックのプラスチック成分が還元され、炭素繊維強化プラスチック中の炭素繊維が金属を含むセメント原料と接触しやすくなる。その結果、炭素繊維の燃焼効率をさらに向上することができる。

同様の観点から、加熱工程を1時間以上行うことが好ましい。加熱工程を行う時間が短すぎると、炭素繊維強化プラスチックからの炭素繊維の露出率が低くなりすぎる場合があるからである。但し、加熱工程を行う時間が長すぎると加熱工程に要する時間が長くなり、炭素繊維強化プラスチックの処理に要する時間が長くなりすぎる場合がある。従って、加熱工程を行う時間は、５時間以下であることが好ましい。上述の観点から、加熱工程を行う時間は、好ましくは、１時間〜５時間であり、より好ましくは、２時間〜４時間、更に好ましくは２．５時間〜３．５時間である。

以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの処理装置の模式図である。図３に示すように、本実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの処理装置１ａは、破砕機３１をさらに備えている。破砕機３１は、回転式加熱炉２１の上流側に設けられている。この破砕機３１を用いて、加熱工程の前に、炭素繊維強化プラスチックを破砕する（破砕工程）。このため、炭素繊維の露出率がさらに高まる。従って、炭素繊維の燃焼効率をさらに高めることができる。

破砕工程で使用される破砕機は、ＣＦＲＰを破砕できるものであれば、特にその種類は限定されない。炭素繊維の燃焼効率をさらに高める観点からは、破砕物が１００ｍｍ以下となるまで破砕工程を行うことが好ましく、５０ｍｍ以下となるまで破砕工程を行うことがより好ましく、３０ｍｍ以下となるまで破砕工程を行うことがさらに好ましい。

１、１ａ ：処理装置
１０ ：セメント製造装置
１１ ：プレヒータ
１２ ：セメント焼成炉
１２ａ ：仮焼炉
１２ｂ ：ロータリーキルン
１２ｂ１ ：窯尻
１２ｂ２ ：窯前
１３ ：クリンカクーラ
２１ ：回転式加熱炉
２２ ：水銀処理装置
３１ ：破砕機

Claims (8)

1. 炭素繊維強化プラスチックとセメント原料とを混合して混合物を得る混合工程と、
   前記混合物を２５０℃〜４５０℃に加熱して熱処理品を得る加熱工程と、
   前記熱処理品をセメント焼成炉に投入し、燃焼させる燃焼工程と、
   を備える、炭素繊維強化プラスチックの処理方法。
2. 前記加熱工程において、前記混合物を２５０℃〜４５０℃で１時間〜５時間加熱する、請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチックの処理方法。
3. 前記混合工程と前記加熱工程とを、回転式加熱炉を用いて行う、請求項１又は２に記載の炭素繊維強化プラスチックの処理方法。
4. 前記セメント原料として、石炭、石油コークス及び石炭コークスからなる群から選ばれた少なくとも１種の原料を用いる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素繊維強化プラスチックの処理方法。
5. 前記加熱工程の前に、前記炭素繊維強化プラスチックを破砕する破砕工程をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の炭素繊維強化プラスチックの処理方法。
6. 前記加熱工程の後に、前記熱処理品を粉砕する粉砕工程をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の炭素繊維強化プラスチックの処理方法。
7. 前記セメント原料として、水銀を含有する原料を用いる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の炭素繊維強化プラスチックの処理方法。
8. 前記加熱工程の後に、前記加熱工程において揮発した水銀を回収する排気ガス処理工程をさらに備える、請求項７に記載の炭素繊維強化プラスチックの処理方法。

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