プラスチック熱分解油に含まれる汚染物質とは？商業的成功のための不純物管理

プラスチック熱分解油の主な汚染物質は、ヘテロ原子、ハロゲン、金属、および無機固体であり、これらはプラスチック廃棄物原料の組成に直接由来します。これらの不純物には、PVCからの塩素、PETからの酸素、ポリアミドからの窒素、難燃剤からの臭素、顔料や安定剤として使用される様々な金属が含まれます。これらの汚染物質の存在と濃度は、油の品質、価値、およびさらなる精製への適合性を決定します。

プラスチック熱分解の核心的な課題は、単にプラスチックを油に変換することではなく、元の廃棄物から避けられない汚染物質を管理することです。あらゆる熱分解操作の商業的実現可能性は、クリーンな原料を調達するか、または最終製品を精製するために費用のかかるアップグレード手順を実行する能力にかかっています。

汚染物質の起源：廃棄物から油へ

化学原理は単純です。反応器に入れるものが、出てくるものです。何千年もの間に自然に精製されてきた原油とは異なり、プラスチック廃棄物はポリマー、添加剤、非プラスチック材料の複雑な混合物です。

ヘテロ原子：非炭化水素元素

理想的な燃料は純粋な炭化水素（水素と炭素）です。しかし、多くの一般的なプラスチックには、ヘテロ原子と呼ばれる他の元素が含まれており、これらは油の分子構造に組み込まれます。

最も重要なのは、ポリエチレンテレフタレート（PET）やポリ乳酸（PLA）からの酸素、およびポリアミド（ナイロン）やポリウレタンからの窒素です。これらの元素は、油のエネルギー含有量と安定性を低下させる酸素化化合物および窒素化合物を生成します。

ハロゲン：塩素と臭素

ハロゲンは特に問題のある汚染物質です。塩素は最も悪名高く、主にポリ塩化ビニル（PVC）から発生します。熱分解中に、非常に腐食性の高い塩化水素（HCl）ガスを形成し、機器を著しく損傷させ、下流の精製触媒を毒化する可能性があります。

臭素は、電子機器用プラスチック（例：ABS）や建築材料に一般的に使用される臭素系難燃剤（BFR）に由来します。塩素と同様に、非常に腐食性が高く、触媒毒となります。

金属と無機物

プラスチックには、多種多様な無機添加剤が含まれています。これらには、顔料（例：白色用の二酸化チタン）、充填剤（例：かさ増し用の炭酸カルシウム）、および亜鉛、鉛、カドミウムを含む可能性のある安定剤が含まれます。

熱分解中、これらの材料は主に固形チャー副産物に濃縮されます。しかし、一部は微細な粒子として、または揮発性の有機金属化合物として油中に持ち越され、灰の形成に寄与し、触媒毒として作用する可能性があります。

残留チャーと灰

熱分解中にすべての有機物が気化するわけではありません。常にチャーとして知られる固形残留物が生成されます。このチャーの微細な粒子は、油蒸気に巻き込まれて液体とともに凝縮し、パイプを詰まらせたり機器を汚損したりする物理的なスラッジを生成することがあります。

汚染物質の影響を理解する

これらの汚染物質は軽微な不純物ではなく、熱分解油の使用を根本的に制限し、重大な運用上の危険を生み出します。

腐食と機器の損傷

塩化水素（PVC由来）と臭化水素酸（BFR由来）は、特に熱分解システムの高温下で鋼鉄に対して極めて腐食性が高いです。これにより、高価な合金の使用と堅牢なメンテナンススケジュールが必要となり、設備投資と運用コストが増加します。

触媒毒

おそらく、熱分解油の使用に対する最大の障壁は触媒毒です。従来の石油精製所では、流動接触分解（FCC）や水素化処理などのプロセスに非常に敏感な触媒を使用しています。

塩素、硫黄、窒素、鉛、亜鉛などの元素は、たとえppmレベルであっても、これらの触媒を永久に不活性化させます。これにより、広範で費用のかかる前処理なしでは、熱分解油を従来の原油と共処理することは不可能になります。

燃料品質と安定性の低下

酸素含有化合物は油の発熱量を低下させ、同じ量のエネルギーを生成するためにより多くの油を燃焼させる必要があります。さらに、酸素や窒素を含む化合物は反応性が高く、貯蔵中に油が徐々に劣化し、重合してガムや堆積物を形成する原因となります。

一般的な落とし穴と軽減戦略

汚染物質への対処には、コスト、複雑さ、最終製品の品質の間のトレードオフを伴うシステムレベルのアプローチが必要です。

「クリーンな」原料の神話

ポリプロピレンのような単一のプラスチックの、一見クリーンに見える流れであっても、安定剤、顔料、加工助剤の独自のブレンドが含まれています。現実世界のプラスチック廃棄物が「純粋」であると仮定することは、一般的で費用のかかる間違いです。

上流ソリューション：原料選別

最も効果的な戦略は、問題のあるプラスチックが反応器に入る前に除去することです。高度な選別技術は、最も厄介な塩素と酸素汚染物質の発生源であるPVCとPETを識別し、分離することができます。これによりコストと複雑さが増しますが、結果として得られる油の品質が劇的に向上します。

下流ソリューション：油のアップグレード

生産後、熱分解油は製油所の仕様を満たすように「アップグレード」する必要があります。これは、以下の多段階プロセスです。

• ガードベッド：吸着剤を使用して塩素などの特定の毒物を捕捉します。
• 蒸留：従来の製油所と同様に、油を異なる留分に分離します。
• 水素化処理：高圧、高温のプロセスで、水素と触媒を使用してヘテロ原子（Cl、N、O、S）を除去し、不安定な分子を飽和させます。これは効果的ですが、エネルギー集約的で費用がかかります。

目標に合った適切な選択をする

汚染物質を管理するための戦略は、最終製品の目標と一致している必要があります。

• 製油所対応の原料生産が主な焦点である場合：塩素（PVC）を除去するための積極的な前処理と、特に水素化処理を含む包括的な下流アップグレードが絶対的な優先事項でなければなりません。
• 炉やボイラー用の低品位燃料の製造が主な焦点である場合：一部の汚染物質の許容レベルは高くても構いませんが、腐食や運用上の問題を防止するために、塩素と金属は依然として最小限に抑える必要があります。
• 熱分解プロジェクトの経済的実現可能性を評価することが主な焦点である場合：汚染物質除去のコスト（上流の選別と下流のアップグレードの両方）は、財務モデルの中心的な項目でなければなりません。なぜなら、それがしばしば収益性を決定するからです。

これらの汚染物質を理解し管理することは、理論的なプロセスを商業的に成功する循環経済ソリューションに変えるための中心的な工学的課題です。

要約表：

汚染物質の種類	主な発生源	主な影響
塩素（ハロゲン）	PVC、難燃剤	腐食、触媒毒
酸素/窒素（ヘテロ原子）	PET、ナイロン、ポリウレタン	燃料安定性の低下、エネルギー価値の低下
金属および無機物	顔料、充填剤、安定剤	灰の形成、触媒の不活性化
チャーおよび固体	不完全な熱分解	スラッジ、機器の汚損

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