JP2003269870A - マイクロ波溶融方法 - Google Patents

マイクロ波溶融方法

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JP2003269870A
JP2003269870A JP2002069864A JP2002069864A JP2003269870A JP 2003269870 A JP2003269870 A JP 2003269870A JP 2002069864 A JP2002069864 A JP 2002069864A JP 2002069864 A JP2002069864 A JP 2002069864A JP 2003269870 A JP2003269870 A JP 2003269870A
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microwave
melted
melting furnace
melting
waste liquid
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Yasushi Sakakibara
康史 榊原
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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  • Gasification And Melting Of Waste (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】マイクロ波によるアーク放電の発生を抑制し、
マイクロ波を効率良く被溶融物に照射できるようにす
る。 【解決手段】マイクロ波加熱により被溶融物を加熱・溶
融させるマイクロ波溶融装置において、溶融炉を空気ま
たは二酸化炭素などの電気絶縁性の高いガスで大気圧以
上に加圧しながら、被溶融物を加熱・溶融する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子力施設から排
出される放射性の廃液、あるいはゴミ焼却炉から排出さ
れる焼却灰などを、マイクロ波により加熱・溶融し、化
学的に安定な固化体とするマイクロ波溶融方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】マイクロ波とは、周波数が300MHz
〜300GHzの範囲の電波につけられた通称である。
誘電体物質(被溶融物)にマイクロ波を照射すると、誘
電体の内部に侵入したマイクロ波の電界により分子振動
が生じ、振動摩擦によって、誘電体が発熱する。この時
の発熱量は、 Q=0.556×10-10・f・E2・εr・tanδ[W/m2]:(1) f:マイクロ波周波数[Hz] E:マイクロ波の電界強度[V/m] εr:誘電体の比誘電率 tanδ:誘電体の誘電正接 で表される。マイクロ波加熱は、被溶融物自体が発熱体
となるため、一般に熱効率が良い。
【0003】図2は従来のマイクロ波溶融炉である。1
は金属製の円筒状の溶融炉本体である。2はマイクロ波
を溶融炉に導入する導波管である。導波管の先には、E
Hチューナ3、パワーメータ4、アイソレータ5、マイ
クロ波電源6の順にマイクロ波の伝送系が接続されてい
る。アイソレータ5は、負荷から反射してきたマイクロ
波が再びマイクロ波電源に戻らないようにするものであ
る。パワーメータ4は、マイクロ波電力の進行波と反射
波とを測定するものである。EHチューナ3は、負荷と
のマッチングを調整して、負荷に消費されるマイクロ波
電力を最大となるようにするものである。
【0004】金属製円筒状溶融炉1には、被溶融物の供
給口7、被溶融物の加熱に伴い発生する水蒸気その他の
ガスを排出する排気口9が設けられている。また、供給
口7には、図示しない被溶融物の定量供給手段が接続さ
れている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のマイクロ波溶融
炉には、次のような問題がある。それは、溶融炉内で、
アーク放電を生じることである。これは、マイクロ波電
界による気中放電であり、このようなアーク放電が発生
すると、投入したマイクロ波はアーク放電にエネルギを
吸収され、被溶融物には吸収されにくくなる。また、同
時に、マイクロ波のインピーダンス不整合を生じ、マイ
クロ波の反射が増大し、これによっても被溶融物のマイ
クロ波吸収が小さくなる。結果として、このようなアー
ク放電が炉内に発生すると、被溶融物の加熱・溶融は実
質的に停止する。
【0006】従来は、このようなアーク放電の発生に対
し、フォトセンサなどで炉内のアーク発光を捉え、放電
の発生を検知し、マイクロ波を一旦停止し、放電消弧後
にマイクロ波を再出力するという方法を採用していた。
しかし、アーク放電が頻発する場合、マイクロ波を度々
停止させなければならず、溶融時間が大幅に延び、処理
能力が低下する。このアーク放電を防止するため、マイ
クロ波の出力を制限したりするなど、アーク放電の発生
による処理能力の低下が問題となっていた。
【0007】アーク放電の発生機構は次のように考えら
れる。炉内のマイクロ波電界は一様ではなく、電界の強
いところと弱いところとが存在する。被溶融物の発熱量
は、(1)式に示すように、マイクロ波電界の二乗に比
例する。したがって、被溶融物は、先ず電界の強いとこ
ろから加熱される傾向がある。さらに、(1)式に示し
た発熱量は物質の誘電正接tanδにも比例するが、こ
のtanδは温度上昇とともに急激に増大するので、被
溶融物内の発熱量の比は、さらに大きくなる。
【0008】被溶融物が、例えば、軽石状の、熱伝導が
悪く、比熱の小さい物質であった場合、微小領域がきわ
めて高温になり易く、その部分のtanδが急激に上昇
し、金属物質に相当するほどの導電性を示すようにな
る。その結果、あたかも電子レンジ内に金属片を置くよ
うに、導電率の大きくなった被溶融物近傍で火花放電を
生じ、気中の絶縁破壊を生じて、アーク放電にいたるの
である。
【0009】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたもので、マイクロ波によるアーク放電の発生を抑
制し、マイクロ波を効率良く被溶融物に照射できるよう
にすることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明によれば、マイクロ波加熱により被溶融物
を加熱・溶融させるマイクロ波溶融方法において、被溶
融物を加熱する溶融炉と溶融炉に接続されるマイクロ波
導波管との間に電気絶縁性の高周波透過窓を設けるとと
もに排気口と溶融物供給口とに弁を設け、排気口の弁を
調節しながら溶融炉内にガスを供給して、溶融炉内をガ
スにより大気圧以上に加圧しながら、被溶融物を加熱・
溶融することとする。
【0011】ここで、ガスが、空気、N2、N2O、CO
2、ならびにこれらの混合ガスから選ばれたものである
ことが好ましい。すなわち、本発明は、溶融炉を密閉可
能な状態とし、溶融炉内を大気圧以上の圧力に加圧した
状態でマイクロ波加熱を行なうものである。一般に、圧
力が高くなるほど放電が起こりにくい。さらに、溶融炉
内を加圧するガスに、空気もしくは空気より電気絶縁性
の高いガス、例えば上記のガスを用いれば効果が高ま
る。
【0012】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例を詳細に
説明する。図1は、本発明が適用される放射性ホウ酸廃
液のガラス化装置の構成図である。放射性ホウ酸廃液と
は、PWR原子力発電所において、原子力の出力制御に
使用されたホウ酸を、水酸化ナトリウムにより中和した
廃液である。マイクロ波により、このホウ酸廃液を乾燥
させ、その乾燥残渣をガラス化助剤(SiO2を主成分
とするガラス原料)とともにさらに加熱・溶融し、ガラ
ス化する。この方法により、ホウ酸および他の放射性物
質はガラス質としてSiO2と網目構造を形成し、均質
で安定な一体化した物質になる。放射性物質はガラスと
混ざるのではなく、色ガラスと同様に、ガラス成分の一
つとしてガラスそのものになる。したがって、ガラスが
割れても放射性物質は、ガラスと一体となっていて移行
しにくい。
【0013】図1において、1は、金属製の円筒状の溶
融炉本体である。溶融炉の内径はφ280mmである。
2は、マイクロ波を溶融炉に導入する導波管である。導
波管と溶融炉本体との接続部には、石英製のマイクロ波
透過窓11が設けられており、マイクロ波を透過しつつ
炉内の気密がとれる構造となっている。ここで、マイク
ロ波透過窓11は、マイクロ波を透過させるために、電
気絶縁性の材料で形成する。マイクロ波の透過率は、理
想的には100%が好ましいが、透過窓11に用いる材
料の誘電正接と比誘電率とで決まる。石英はマイクロ波
が損失される程度が小さいので、透過窓11の材料とし
て好適である。
【0014】導波管の先には、EHチューナ3、パワー
メータ4、アイソレータ5、マイクロ波電源6の順にマ
イクロ波の伝送系が接続されている。マイクロ波電源6
の発振周波数は915Hz、最大出力は25kWであ
る。アイソレータ5は、負荷から反射してきたマイクロ
波が再びマイクロ波電源に戻らないようにするもので、
パワーメータ4は、マイクロ波電力の進行波と反射波と
を測定するものである。EHチューナ3は、負荷とのマ
ッチングを調整して、負荷に消費されるマイクロ波電力
を最大となるようにする。
【0015】金属製円筒状溶融炉1には、他に、廃液と
ガラス化助剤との供給口7、ガス供給口8、排気口9が
設けられている。排気口9には、開度を調節できる圧力
調整バルブ10が設けられている。尚、供給口7の溶融
炉1側にはバルブが設けられ、加圧時の溶融炉1の気密
を保つ。溶融炉1には、その下部に横線で示すようにフ
ランジが設けられており、このフランジにより、溶融炉
1の上部と下部とが分割され、下部に、後述するガラス
化された固化体が溜まり、この固化体を、フランジの部
分から取り出す。
【0016】また、廃液供給口7は、図示しない廃液の
定量供給手段、およびガラス化助剤の定量供給手段と接
続されている。本構成において、図示しない廃液供給手
段により定量されたホウ酸廃液10リットルが、円筒状
溶融炉1に、廃液供給口7より供給される。廃液投入と
同時に、図示しないガラス化助剤定量供給手段により定
量されたガラス化助剤3kgが、円筒状溶融炉1に、供
給口7より供給される。ガラス化助剤の組成はSiO2
を主成分とし、他にAl23、MgO、CaOを含むも
のである。
【0017】この状態において、廃液供給口7に設けら
れたバルブを閉じた後にマイクロ波電源6よりマイクロ
波を20kW、金属製円筒状溶融炉1内に照射する。マ
イクロ波は、廃液に吸収され、廃液の温度が上昇し、水
分を蒸発させる。この時、ガス供給口8より乾燥空気を
供給する。蒸発の進行とともに廃液量が減少し、やがて
乾燥し、ホウ酸を主成分とする廃液残渣とガラス化助剤
との混合物が得られる。廃液は乾燥により、もとの質量
の10%程度となる。この状態に廃液を10リットル追
加投入し、さらに蒸発プロセスを続ける。
【0018】廃液の乾燥工程を二回繰り返した後、さら
にマイクロ波照射を続け、被溶融物である、廃液残渣と
ガラス化助剤との混合物の加熱(800℃〜1200℃
程度)、溶融、ガラス化を行なう溶融工程を実施する。
マイクロ波出力は20kWである。溶融工程において、
従来の方法によればアーク放電が発生していた。そこ
で、本発明の実施例の方法によれば、この溶融工程にお
いて、ガス導入口8よりCO2ガスを溶融炉内に導入し
つつ、排気口9に設けられた圧力調節バルブ10の開度
を調節し、溶融炉内の圧力を大気圧以上の圧力である2
気圧に保った。係る方法によれば、溶融炉内でアーク放
電が生じることは無く、安定して被溶融物を溶融するこ
とが可能になる。
【0019】また、別のガスとして、空気、N2、N
2O、ならびにその混合ガスが挙げられるのは前記のと
おりである。すなわち、電気絶縁性の高いガスは各種の
ものがあるが、高温雰囲気(〜1200℃)で使用でき
るガスは少ない。例えば、SF6は電気絶縁性の高いガ
スとして知られているが、分解してフッ素を発生するの
で、本発明では用いることができない。加圧する圧力と
しては、例えばN2の場合、大気圧(0.1MPa)〜
1.5MPaまでは、リニアに絶縁性が向上する。した
がって、加圧の程度としては、15気圧くらいまでが目
安である。
【0020】上記の実施例においては、廃液の乾燥工程
を2回繰り返している。この繰り返しの回数は、第一に
ガラス化できるガラス層の厚さで決まる。すなわち、周
波数2.45GHzでは、ガラス層の厚さ30mmま
で、周波数915MHzでは、ガラス層の厚さ50mm
までガラス化できる。これは、マイクロ波の浸透深さが
周波数により変化するためであり、周波数が高い程マイ
クロ波の浸透深さが浅くなる。上記の厚さはガラス化が
終了したときの厚さで示してある。尚、この厚さは、ガ
ラスの成分によっても多少変化する。このように、所定
のガラス量になる乾燥残渣量まで、乾燥工程を繰り返し
て残渣を形成することができる。繰り返しの回数は、第
二に廃液中の残渣成分の量で決まる。廃液を乾燥した時
の残渣が少ない場合は乾燥工程の繰り返し数を多くする
ことができ、残渣が多い場合は繰り返し数を減らすこと
ができる。
【0021】図1では、放電が生じないように構成して
いるのでフォトセンサは必要ではないが、万一放電が生
じた時の安全のためにフォトセンサを備えても良い。
【0022】
【発明の効果】本発明の方法を用いることにより、マイ
クロ波による溶融炉内のアーク放電の発生を抑制し、マ
イクロ波を効率良く被溶融物に照射できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用するマイクロ波溶融装置の構成図
【図2】従来のマイクロ波溶融装置の構成図
【符号の説明】
1 :溶融炉 2 :導波管 3 :EHチューナ 4 :パワーメータ 5 :アイソレータ 6 :マイクロ波電源 7 :溶融物供給口 8 :ガス供給口 9 :排気口 10:圧力調整バルブ 11:マイクロ波透過窓
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G21F 9/30 H05B 6/64 D H05B 6/64 6/80 A 6/80 B09B 3/00 303L Fターム(参考) 3K061 NB01 3K090 AA02 AA11 AB14 BB13 BB14 BB17 CA02 CA18 CA21 PA06 4D004 AA36 CA29 CB33 CC01 CC02 DA03 DA07 4K063 AA04 AA12 AA15 BA13 CA01 FA82

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マイクロ波加熱により被溶融物を加熱・溶
    融させるマイクロ波溶融方法において、 被溶融物を加熱する溶融炉と溶融炉に接続されるマイク
    ロ波導波管との間に電気絶縁性の高周波透過窓を設ける
    とともに排気口と溶融物供給口とに弁を設け、排気口の
    弁を調節しながら溶融炉内にガスを供給して、溶融炉内
    をガスにより大気圧以上に加圧しながら、被溶融物を加
    熱・溶融することを特徴とするマイクロ波溶融方法。
  2. 【請求項2】ガスが、空気、N2、N2O、CO2、なら
    びにこれらの混合ガスから選ばれたものである請求項1
    記載のマイクロ波溶融方法
JP2002069864A 2002-03-14 2002-03-14 マイクロ波溶融方法 Pending JP2003269870A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100491827C (zh) * 2006-09-11 2009-05-27 山东大学 一种利用微波热解生物质的方法及装置
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WO2014077478A1 (ko) * 2012-11-19 2014-05-22 한국수력원자력 주식회사 유리용융로 바닥용 금속섹터 및 유리용융로
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