JP2013108782A - 放射性セシウムの除去方法及び除去装置 - Google Patents

放射性セシウムの除去方法及び除去装置 Download PDF

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Abstract

【課題】放射性セシウムを含む廃棄物から低コストで放射性セシウムを除去する方法及び装置を提供する。
【解決手段】放射性セシウムで汚染された可燃性廃棄物を燃焼焼却する焼却炉２２と、焼却炉から排出される燃焼排ガスＧ５及び可燃物Ｃの焼却灰の顕熱を用いて、酸化カルシウム源又は／及び酸化マグネシウム源から酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウムを生成する、サイクロンを多段に配列したサスペンションプレヒータ２３と、放射性セシウムで汚染された無機物Ｓを、酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウム並びに焼却灰Ｄ３と共に焼成するロータリーキルン２１と、ロータリーキルンにおいて揮発したセシウムを回収する回収装置３１、３２とを備える放射性セシウムの除去装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射性セシウムを含有する廃棄物から放射性セシウムを除去すると共に、除染後に得られた焼成物を粉砕して得られるセメント混合材、及び、該焼成物からなる土工資材等として有効利用する方法及び装置に関する。
放射性セシウム等の放射性物質を含有する廃棄物から放射性物質を除染する手段及び装置について、従来種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、硝酸塩の形態で存在する核分裂で生じた放射性廃棄物を、外部に周回する通電コイルを備えたスリットを有する冷却容器内で電磁誘導加熱により溶解し、セシウム等の長寿命核種を揮発させ、分離・回収する方法が開示されている。
特開平５−１５７８９７号公報
しかし、今般の原子力発電所の事故により我が国で生じた解決すべき課題は、上記特許文献１に記載のような、核関連施設内での通常運転によって生成される廃棄物の除染ではなく、外界へ放出されて樹木や土壌等へ取り込まれた放射性物質を除染処理することである。とりわけ、このような放射性廃棄物は膨大な量に及ぶことが予想されることから、単なる除染手段の提案ではなく、いかに放射性物質を大量にかつ効率よく揮発除去して回収し、そのコストを低減し得る手段を提供することが重要である。
放射性物質を含む廃棄物をキルンなどの焼成装置に石灰石と共に投入して加熱すれば、放射性物質を揮発させ、かつ除染生成物を得ることができるが、キルンなどの焼成装置のみで廃棄物を加熱する従来の方法では、石灰石をそのまま混合するために脱炭酸に要するエネルギーが必要となり、多くのエネルギーを浪費すると予想される。そこで、廃熱を有効利用するためにプレヒータなどの予熱器を用いて石灰石の脱炭酸を行うと、焼成装置から揮発した放射性セシウムが固体となり再度焼成装置に戻り、循環濃縮し、確実に除染生成物が除染されない虞があった。
そこで、本発明は、上記解決課題に鑑みてなされたものであって、放射性セシウムを含む廃棄物からより低エネルギーで、かつ確実に放射性セシウムを除去する方法及び装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、放射性セシウムの除去方法であって、放射性セシウムで汚染された可燃性廃棄物を燃焼させ、その燃焼排ガスと焼却灰の顕熱を用いて、酸化カルシウム源又は／及び酸化マグネシウム源から酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウムを生成し、該酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウムと放射性セシウムで汚染された無機物とを焼成して除染生成物を得ることを特徴とする。
そして、本発明によれば、放射性セシウムで汚染された可燃性廃棄物を燃焼させ、廃棄物から放射性セシウムを揮発させ、又は焼却灰中に濃縮させることができると共に、生成した除染生成物を粉砕して得られるセメント混合材、及び該焼成物からなる土工資材等に有効利用することができるため、低コストで効率よく放射性セシウムを除去することが可能となる。
上記放射性セシウムの除去方法において、前記除染生成物を冷却する際に生ずる熱を前記放射性セシウムで汚染された可燃性廃棄物の燃焼における熱源の少なくとも一部として利用することができる。
上記放射性セシウムの除去方法において、前記焼成において揮発する放射性セシウムを回収する工程をさらに備えることができる。
上記放射性セシウムの除去方法において、前記放射性セシウムで汚染された無機物を、前記酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウム並びに前記焼却灰と共に焼成する際に、該焼成対象物が含有するセシウム総量に対して当量以上の塩素源を添加することができる。これにより、セシウムを塩化セシウムとして効率よく揮発させることができる。
また、本発明は、放射性セシウムの除去装置であって、放射性セシウムで汚染された可燃性廃棄物を燃焼焼却する焼却炉と、該焼却炉から排出される燃焼排ガス及び前記可燃物の焼却灰の顕熱を用いて、前記酸化カルシウム源又は／及び酸化マグネシウム源から酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウムを生成する、サイクロンを多段に配列したサスペンションプレヒータと、放射性セシウムで汚染された無機物を、前記酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウム並びに前記焼却灰と共に焼成するロータリーキルンと、該ロータリーキルンにおいて揮発したセシウムを回収する回収装置とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、焼却炉で放射性セシウムで汚染された可燃性廃棄物を燃焼焼却し、サスペンションプレヒータで焼却炉から排出される燃焼排ガス及び前記可燃物の焼却灰の顕熱を用い、前記酸化カルシウム源又は／及び酸化マグネシウム源から酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウムを生成し、ロータリーキルンで放射性セシウムで汚染された無機物を、前記酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウム並びに前記焼却灰と共に焼成することで、セメント混合材及び土工資材等に有効利用可能な除染生成物を得ることができると共に、回収装置で揮発したセシウムを回収することで、放射性セシウムを含有する廃棄物から放射性セシウムを除去することができる。また、従来の可燃物を燃焼焼却する焼却炉と無機物を加熱するロータリーキルンから排出される燃焼ガスの２種が別に処理されるため、除染生成物から確実に放射性セシウムが除去され、廃棄物に含まれる可燃物の燃焼熱と除染生成物を冷却した際に発生した熱を有効利用できるために、より低エネルギー、低コストに廃棄物の除染を行うことができる。
上記放射性セシウムの除去装置において、前記焼却炉を、流動床式、流動層式、噴流層式又は気流式とすることができる。
また、上記放射性セシウムの除去装置において、前記焼却炉から排出される酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウム並びに焼却灰を、前記サスペンションプレヒータの最下段のサイクロンの原料出口部に連結されたシュートから前記ロータリーキルンに投入することができる。焼却炉から酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウム並びに焼却灰をロータリーキルンへ投入することで、脱炭酸に要するエネルギーが減少し、除染処理に要するエネルギーを低減することができる。また、酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウム並びに焼却灰を直接投入すれば、キルンへの持込み顕熱が増加するのでより好ましい。
上記放射性セシウムの除去装置において、前記回収装置を、前記ロータリーキルンの排ガスを冷却する冷却塔と、該冷却塔の排ガス中のダストを回収する集塵機とすることができ、放射性セシウムを回収することができる。
以上のように、本発明によれば、放射性セシウムを含む廃棄物から放射性セシウムを除染すると共に、低エネルギーで除染後の廃棄物をセメント混合材等として利用することで、低コストで効率よく放射性セシウムを除去することが可能となる。また、放射性廃棄物を減容化処分することができる。
本発明に係る放射性セシウムの除去装置の一実施の形態を示す全体構成図である。
次に、本発明を実施するための形態について、図１を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明では、本発明に係る放射性セシウムの除去装置によって、放射性セシウムを含有する廃棄物から放射性セシウムを除去すると共に、除染後の廃棄物からセメント混合材及び土木資材を製造する場合を例にとって説明する。ここで、放射性セシウムとは、セシウムの放射性同位体であるセシウム１３４及びセシウム１３７である。
図１は、本発明に係る放射性セシウムの除去装置の一実施の形態を示し、この除去装置１は、大別して、焼成装置２と、除染系排ガス処理装置３と、可燃物焼却系排ガス処理装置４とで構成される。
焼成装置２は、ロータリーキルン２１と、焼却炉２２と、サスペンションプレヒータ（以下、「プレヒータ」という）２３と、クリンカクーラ２４とで構成される。
ロータリーキルン２１は、ロータリーキルン２１へ直接焼成対象物を供給するための投入口２１ａと、微粉炭等の化石燃料を噴出してロータリーキルン２１内への供給物を焼成するためのバーナ２１ｂを備える。
焼却炉２２は、放射性セシウムで汚染された伐採木等の可燃物Ｃを燃焼焼却するために備えられ、微粉炭等の化石燃料を噴出するバーナ（不図示）と、可燃物Ｃの投入口２２ａとを備え、炉の底部にクリンカクーラ２４からの高温の抽気ガスＨが燃焼用空気として導入される。この焼却炉２２には、流動床式、流動層式、噴流層式又は気流式の焼却炉を使用することができる。
プレヒータ２３は、サイクロンが多段にわたって配列され、最上段サイクロン２３ａの入口ガスダクトに酸化カルシウム源又は／及び酸化マグネシウム源の原料Ｒ１が供給され、最下段サイクロン２３ｂの原料出口部に連結されたシュート２３ｃがロータリーキルン２１の投入口２１ａに接続される。
除染系排ガス処理装置３は、焼成装置２の後段に配置され、ロータリーキルン２１から排出された排ガスＧ１を冷却する冷却塔３１と、冷却塔３１の後段に配置された１次集塵機３２及び２次集塵機３３と、集塵機３２、３３によって濃縮セシウム塩等のダストが除去された排ガスＧ４を系外へ排気するファン３４から構成される。
冷却塔３１は、ロータリーキルン２１の排ガスＧ１を冷却し、汚染廃棄物から揮発した放射性セシウム等を固体状として回収するために備えられる。排ガスＧ１の冷却は、冷却塔３１の下端部に設置された散水装置３１ａから水を噴霧することにより行う。尚、この散水装置３１ａは、揮発した塩化セシウムを固体状として排ガスＧ１に含まれるダストに付着させて回収し得る程度の機能を備えていればよく、散水装置３１ａの設置箇所は、冷却塔３１の下端部に限定されない。さらに、水による冷却ではなく、冷却塔内に冷却空気を導入することによって冷却してもよく、水による冷却、空気による冷却を各々単独で用いてもよく、両者を併用してもよい。
１次集塵機３２は、上述のようにして濃縮されたセシウム塩等を含むダストＤ１を集塵するために備えられ、バグフィルタ等が用いられる。
２次集塵機３３は、セシウム塩等を除去した後の排ガスＧ３に含まれる酸性ガス等を除去するために設けられ、酸性ガス等を吸着したダストＤ２が回収される。この２次集塵機３３にもバグフィルタ等が用いられる。
可燃物焼却系排ガス処理装置４は、焼成装置２のプレヒータ２３の最上段サイクロン２３ａから排出される排ガスＧ６を処理するために備えられ、集塵機４１と、その後段にファン４２が配置される。集塵機４１は、排ガスＧ６に含まれる燃焼灰を含むダストＤ３を除去するために備えられ、バグフィルタ等が用いられる。
次に、上記構成を有する放射性セシウムの除去装置１の動作について、図１を参照しながら説明する。
焼成装置２のプレヒータ２３に石灰石粉（ＣａＯ源）等の原料Ｒ１を投入すると共に、放射性セシウムで汚染された伐採木等の可燃物Ｃを、微粉炭等の燃料Ｆ２と共に焼却炉２２に投入し、燃焼焼却する。この際、後述するように、除染生成物を冷却する際に生ずる熱を利用するため、クリンカクーラ２４からの抽気ガスＨを燃焼用空気の少なくとも一部として燃焼させてもよい。
焼却炉２２の排ガスＧ５は、プレヒータ２３の最下段サイクロン２３ｂ〜最上段サイクロン２３ａへと流れ、この際、排ガスＧ５や排ガスＧ５に含まれる燃焼灰の顕熱によって、プレヒータ２３に投入された原料Ｒ１が脱炭酸され、酸化カルシウム（ＣａＯ）と二酸化炭素（ＣＯ2）に分解する。
脱炭酸された原料Ｒ２は、焼却炉２２から最下段サイクロン２３ｂ、シュート２３ｃを経て投入口２１ａからロータリーキルン２１へ供給される。
一方、プレヒータ２３の最上段サイクロン２３ａからの排ガスＧ６は、集塵機４１へ導入され、排ガスＧ６に含まれる可燃物Ｃの焼却灰等からなるダストＤ３が回収された後、清浄化された排ガスＧ７がファン４２によって系外へ排出される。回収されたダストＤ３は、原料Ｒ２と共に、ロータリーキルン２１の投入口２１ａへ供給される。
可燃物Ｃに含まれていた放射性セシウムは、焼却炉２２内で揮発するか、揮発せずに焼却灰と共に焼却炉２２から排出されるが、いずれにしてもプレヒータ２３における排ガスＧ５の温度の低下に伴ってダストＤ３又は原料Ｒ２に取り込まれた状態でロータリーキルン２１の投入口２１ａに供給される。
ロータリーキルン２１には、上記原料Ｒ２及びダストＤ３と共に、放射性セシウムで汚染された土壌等の無機物Ｓを投入口２１ａから投入し、上記原料Ｒ２及びダストＤ３と無機物Ｓとを焼成する。また、無機物Ｓに加え、反応促進剤Ｂとしてロータリーキルン２１内のセシウム総量に対して当量以上の塩素源を投入口２１ａからロータリーキルン２１内へ投入する。塩素源としては、塩化カルシウム（ＣａＣｌ2）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩素を有する廃プラスチック等があるが、このうちＣａＣｌ2は、それ自体は揮発せずに塩素のみを供給することになるので好ましい。
無機物Ｓ、原料Ｒ２及びダストＤ３に含まれていた放射性セシウムは、ロータリーキルン２１内で塩素源から生じた塩素と反応して塩化セシウムとなって揮発し、排ガスＧ１に含まれた状態で冷却塔３１へ導入される。
冷却塔３１において、排ガスＧ１は、散水装置３１ａから噴霧された水（若しくは冷却塔内に導入された冷却空気、又はこれらの混合物）によって急激に冷却され、排ガスＧ１に含まれていた塩化セシウムが固体状のセシウム塩となってダストに付着する。
セシウム塩を含有する冷却塔３１からの排ガスＧ２は、１次集塵機３２に導入され、固体状の濃縮セシウム塩を含むダストＤ１が回収される。回収したダストＤ１から、必要に応じて水洗、吸着等により、さらに減容化処置をした後、コンクリート製の容器等に密閉して保管することができ、放射性セシウムを含む廃棄物を外部に漏洩させることなく、減容化し、保管することができる。
一方、濃縮セシウム塩を回収した後の排ガスＧ３には、酸性ガス等の有害ガスが含まれている場合は、２次集塵機３３によって、セシウム塩等を除去した後の排ガスＧ３に含まれる酸性ガス等を吸着したダストＤ２を回収し、清浄化した排ガスＧ４をファン３４を介して系外に排気してもよい。
一方、ロータリーキルン２１へ投入された無機物Ｓ、原料Ｒ２及びダストＤ３は、ロータリーキルン２１内でバーナ２１ｂから吹き込まれた微粉炭の燃焼熱により、放射性セシウムが揮発除去された後に焼成され、クリンカクーラ２４によって冷却され、セメント混合材及び土工資材等として利用可能なクリンカ（除染生成物）Ｐが生成される。クリンカクーラの抽気ガスＨは、冷却の際に生ずる熱を有しており、この抽気ガスＨを焼成装置２に導いて、焼成装置２における焼成の熱源の一部としてもよい。
以上のように、本実施の形態によれば、放射性セシウムを含む廃棄物（可燃物Ｃ、無機物Ｓ）から放射性セシウムを除染すると共に、除染後の廃棄物を燃料及び原料として利用し、除染生成物としてセメント混合材等を製造することができ、低コストで放射性セシウムを除去することが可能となる。
尚、上記実施の形態においては、原料Ｒ２、ダストＤ３、無機物Ｓ及び反応促進剤Ｂを投入口２１ａからロータリーキルン２１内へ供給したが、この際各々を直接ロータリーキルン２１へ投入してもよく、予め混合して供給してもよい。廃棄物の水分が多いなど取り扱いが困難な場合には、事前に原料Ｒ２を混合することで、性状を改善することができる。
また、上記実施の形態においては、放射性セシウムで汚染された廃棄物として、放射性セシウムで汚染された伐採木、土壌を例示したが、これらの他に、都市ごみ焼却灰、ごみ由来の溶融スラグ、下水汚泥、下水汚泥乾粉、浄水汚泥、建設汚泥、下水スラグ、貝殻、草木、がれき等の廃棄物であって放射性セシウムを含むものをすべてを対象とすることができ、これらの群に含まれる１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて用いることができる。さらに、放射性セシウムをほとんど含まない部分（土壌の場合には、砂や石）を予め取り除いて得られる、放射性セシウムが濃縮された中間処理物も、本発明における放射性セシウムで汚染された廃棄物に含まれる。
さらに、上記実施の形態において、ＣａＯ源として石灰石粉等のセメント混合材用原料を例示したが、炭酸カルシウム、生石灰、消石灰、石灰石、ドロマイト、高炉スラグ等を含む物をＣａＯ源としてもよく、セメント混合材の他に、骨材や、ＣａＯのみを生成してもよい。
また、ＣａＯ源に代えて、又はＣａＯ源と共にＭｇＯ源を用い、ＭｇＯ、又はＭｇＯ及びＣａＯを生成してもよく、この際、ＭｇＯ源として、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、ドロマイト、蛇紋岩、フェロニッケル合金スラグ等を含む物を用いることができ、これらの群に含まれる１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
放射性セシウムを含む廃棄物（可燃性廃棄物の焼却灰又は／及び土壌等の無機物）をＣａＯ又は／及びＭｇＯと共に焼成することで、被焼成物の塩基度を高め、焼成過程における液相の発生を抑えることができる。このため、放射性セシウムを効率よく揮発させることができる。
さらに、上記実施の形態においては、ロータリーキルンと、流動床式、流動層式、噴流層式又は気流式の焼却炉と、プレヒータと、クリンカクーラとで構成される焼成装置を備えた放射性セシウムの除去装置について説明したが、本発明は、このような焼成装置を備えた放射性セシウムの除去装置に限定されず、焼成装置としてバッチ式の焼成炉を備えたものであってもよく、放射性セシウムで汚染された廃棄物をＣａＯ源又は／及びＭｇＯ源と共に加熱し、汚染廃棄物から放射性セシウムを揮発させると共に、ＣａＯ又は／及びＭｇＯを生成することができれば、他の装置構成を採用することもできる。
また、除染系排ガス処理装置３の１次集塵機３２で固体状の濃縮セシウム塩を含むダストＤ１を回収したが、スクラバー等を用いて固体状の濃縮セシウム塩を回収してもよい。
１ 放射性セシウム除去装置
２ 焼成装置
２１ ロータリーキルン
２１ａ 投入口
２１ｂ バーナ
２２ 焼却炉
２２ａ 投入口
２３ サスペンションプレヒータ
２３ａ 最上段サイクロン
２３ｂ 最下段サイクロン
２３ｃ シュート
２４ クリンカクーラ
３ 除染系排ガス処理装置
３１ 冷却塔
３１ａ 散水装置
３２ １次集塵機
３３ ２次集塵機
３４ ファン
４ 可燃物焼却系排ガス処理装置
４１ 集塵機
４２ ファン
Ｂ 反応促進剤（塩素源）
Ｃ （放射性セシウムで汚染された）可燃物
Ｄ１〜Ｄ３ ダスト
Ｆ１、Ｆ２ 燃料
Ｇ１〜Ｇ７ 排ガス
Ｈ （クーラ）抽気ガス
Ｒ１、Ｒ２ （セメント混合材の）原料
Ｐ クリンカ（除染生成物）
Ｓ （放射性セシウムで汚染された）無機物

Claims (8)

  1. 放射性セシウムで汚染された可燃性廃棄物を燃焼させ、
    その燃焼排ガスと焼却灰の顕熱を用いて、酸化カルシウム源又は／及び酸化マグネシウム源から酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウムを生成し、該酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウムと放射性セシウムで汚染された無機物とを焼成して除染生成物を得ることを特徴とする放射性セシウムの除去方法。
  2. 前記除染生成物を冷却する際に生ずる熱を前記放射性セシウムで汚染された可燃性廃棄物の燃焼における熱源の少なくとも一部として利用することを特徴とする請求項１に記載の放射性セシウムの除去方法。
  3. 前記焼成において揮発する放射性セシウムを回収することを特徴とする請求項１又は２に記載の放射性セシウムの除去方法。
  4. 前記放射性セシウムで汚染された無機物を、前記酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウム並びに前記焼却灰と共に焼成する際に、該焼成対象物が含有するセシウム総量に対して当量以上の塩素源を添加することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の放射性セシウムの除去方法。
  5. 放射性セシウムで汚染された可燃性廃棄物を燃焼焼却する焼却炉と、
    該焼却炉から排出される燃焼排ガス及び前記可燃物の焼却灰の顕熱を用いて、前記酸化カルシウム源又は／及び酸化マグネシウム源から酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウムを生成する、サイクロンを多段に配列したサスペンションプレヒータと、
    放射性セシウムで汚染された無機物を、前記酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウム並びに前記焼却灰と共に焼成するロータリーキルンと、
    該ロータリーキルンにおいて揮発したセシウムを回収する回収装置とを備えることを特徴とする放射性セシウムの除去装置。
  6. 前記焼却炉は、流動床式、流動層式、噴流層式又は気流式であることを特徴とする請求項５に記載の放射性セシウムの除去装置。
  7. 前記焼却炉から排出される酸化カルシウム又は／及び酸化マグネシウム並びに焼却灰を、前記サスペンションプレヒータの最下段のサイクロンの原料出口部に連結されたシュートから前記ロータリーキルンに投入することを特徴とする請求項５又は６に記載の放射性セシウムの除去装置。
  8. 前記回収装置は、前記ロータリーキルンの排ガスを冷却する冷却塔と、該冷却塔の排ガス中のダストを回収する集塵機であることを特徴とする請求項５、６又は７に記載の放射性セシウムの除去装置。
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