JP2016148667A

JP2016148667A - 放射性セシウムの酸化物を含有する灰の処理装置

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Publication number: JP2016148667A
Application number: JP2016031048A
Authority: JP
Inventors: 多田　光宏; Mitsuhiro Tada; 光宏多田; 泰敏平本; Yasutoshi Hiramoto
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2016-02-22
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: JP6070970B2

Abstract

【課題】放射性セシウムの酸化物を含有する灰から放射性セシウムを効率よく除去して灰をセメント原料などに有効利用できる装置を提供する。
【解決手段】放射性セシウムの酸化物を含有する灰の投入口と、炉内ガスの排気口と、灰の排出口と、塩素源の投入口を有し、放射性セシウムの酸化物を含有する灰を前記灰中に存在する塩素成分あるいは添加した塩素源を用いて還元ガス雰囲気下で還元して放射性セシウムを塩化セシウムとして揮発させる還元揮発炉を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射性セシウムの酸化物を含有する灰から放射性セシウムを除去し、さらにこの灰を有効利用しうる装置に関するものである。

原子力発電所等の放射性物質を取扱う施設から排出される廃棄物のうち可燃性のものは焼却処理されるが、その焼却の際に発生する焼却灰には放射性物質が含まれており、そのなかで放射性セシウムは半減期が¹³⁴Ｃｓで約２年、¹³⁷Ｃｓで約３０年と長いので、その保管には細心の注意を払う必要がある。特に、最近では福島県の原子力発電所の事故により多量の放射性物質が放出されて広範囲にわたって汚染を引起し、その汚染地域から出される可燃物の焼却灰の処理も問題になっている。

そこで、環境省では、放射性セシウム濃度が８，０００Ｂｑ／ｋｇを超え１００，０００Ｂｑ／ｋｇ以下の焼却灰については、セメントを加えて固化物とし、セメント固化物の周囲を覆って埋立処分する指針を示している（非特許文献１）。

また、放射性廃棄物の焼却灰をセメントで固化する際に、焼却処理によって生じた塩化鉛等の重金属塩化物を水への溶解性が低い状態に変換する方法も開示されている（特許文献１）。この変換には、アルカリ金属水酸化物やアルカリ土類金属水酸化物などが用いられている。

特開２００８−２５６６６０号公報

環境省環廃対発第１１０８３１００１号、環廃産発第１１０８３１００１号、平成２３年８月３１日

焼却灰のセメント固化物には亀裂が入っていることがあり、その場合、雨水が浸透するとこの亀裂から放射性セシウムが溶出してくる。そこで、従来の埋立方法では、埋立処分場の構造を変えて、隔壁層を設けたり、コンクリート容器に入れたり、処分場からの廃水を処理する方法などが挙げられている。しかしながら、放射性セシウムは漏出しないよう細心の注意を払う必要があり、これらの方法でも、運搬中のトラブルや地震などによる処分場の地割れや廃水処理設備のトラブルなどの不測の事態が起これば放射性セシウムが漏出する懸念がある。

また、埋立ではなく、セメント原料として利用しようとする場合、放射性セシウムが残留していて、有効利用の基準であるクリアランスレベルの１００Ｂｑ／ｋｇを超えているため有効利用できなかった。

本発明の目的は、放射性セシウムの酸化物を含有する灰から放射性セシウムを効率よく除去して灰をセメント原料などに有効利用できる装置を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討の結果、灰に含まれている放射性セシウムは主に酸化物等の形態で存在していることを見出した。そして、これを塩素の存在下で還元ガス雰囲気で加熱することによって、放射性セシウムを塩化物の形態に変えて揮発させ飛灰側に濃縮することができ、残った灰は放射性セシウムをほとんど含有しない無害なものになることを見出した。

そして、さらに、炭材を炉に投入して還元ガス雰囲気を形成し、放射性セシウムを除去した後、残存している炭材を燃焼させて除去することにより、この灰をセメント原料などに有効利用できることを見出した。

本発明は、これらの知見に基いてなされたものであり、放射性セシウムの酸化物を含有する灰の投入口と、炉内ガスの排気口と、灰の排出口と、塩素源の投入口を有し、放射性セシウムの酸化物を含有する灰を前記灰中に存在する塩素成分あるいは添加した塩素源を用いて還元ガス雰囲気下で還元して放射性セシウムを塩化セシウムとして揮発させる還元揮発炉を備えたことを特徴とする放射性セシウムの酸化物を含有する灰の処理装置と、
前記還元揮発炉における塩素の含有量が、放射性セシウムの酸化物を含有する灰に含まれる鉛の当量と亜鉛の当量との合計以上であることを特徴とする上記の放射性セシウムの酸化物を含有する灰の処理装置を提供するものである。

本発明により、放射性セシウムの酸化物を含有する灰から放射性セシウムをほとんど含有しない灰に変えることができ、その際発生する飛灰のみを埋立処理すればよいので埋立量を大幅に減少させることができる。また、放射性セシウムを除去した灰はセメント原料などに有効利用することができる。

本発明の装置の一例の概略構造を示す図である。

本発明の装置が適用される灰は、放射性セシウムの酸化物を含有する灰であり、例えば、放射性セシウムを含有する可燃物を焼却した際に発生する焼却灰やその主灰を溶融してスラグ化する際に発生する溶融飛灰などである。放射性セシウムを含有する可燃物を焼却した際に発生する焼却灰には、焼却炉の炉底に溜まる炉底灰である主灰と、燃焼排ガスに含まれてバグフィルター等の集塵機で捕集される飛灰がある。また、この主灰を溶融炉で加熱溶融してスラグ化する際に発生してバグフィルター等の集塵機で捕集される溶融飛灰もある。これら飛灰のセシウムの含有量は通常０．１〜１０ｐｐｍ程度であり、そのうち、放射性セシウムの含有量は、放射能濃度により異なるが、初期の灰の放射線濃度を¹³⁴Ｃｓと¹³⁷Ｃｓが等しく、たとえば、それぞれ５００Ｂｑ／ｋｇ（すなわち、合計で１，０００Ｂｑ／ｋｇ）とすると、¹³⁴Ｃｓは約１０ｐｇ／ｋｇ、¹³⁷Ｃｓは約１５５ｐｇ／ｋｇと極微量である。

本発明の装置は、放射性セシウムの酸化物を含有する灰を還元して揮発させるための還元揮発炉から構成される。

還元揮発炉では、還元ガス雰囲気下で炭材を添加して灰を加熱し、灰中の酸化セシウムを還元し、灰中に存在する塩素成分あるいは添加した塩素源を用いて塩化セシウムとする。また、本来灰中に存在している塩化セシウムについては、還元ガス雰囲気にすることにより酸化を抑制することができる。このようにして、放射性セシウムの酸化物を塩化セシウムとして揮発させ、次工程の燃焼炉において灰中の炭素分を燃焼除去する。

塩素は、加熱時に酸化セシウムを塩化セシウムの形態に変えるものであり、多種多様のものを用いることができる。放射性セシウムの酸化物を含有する灰中には、０．４〜２重量％の塩素成分を含むことが多く、塩素成分の含有量が０．４重量％未満の場合には塩素源を添加する必要がある。

塩素源として、例示すれば、塩化ビニル樹脂、アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物等が挙げられる。アルカリ金属の塩化物として、塩化ナトリウム、塩化カリウムなどがあり、アルカリ土類金属の塩化物として、塩化カルシウム、塩化マグネシウムなどがある。

塩素の含有量としては、放射性セシウムの酸化物を含有する灰に含まれる鉛の当量と亜鉛の当量との合計以上であることが好ましい。これは、鉛および亜鉛は塩化し易く、しかもセシウムよりも揮発し易い元素であるためである。なお、鉛および亜鉛の各当量は、鉛および亜鉛の各物質量（モル数）の２倍で計算することができ、灰中に塩素成分が含まれていれば、これも塩素の含有量として含んで計算してもよい。

灰を加熱する炉は、粉、粒体を１０００℃程度に加熱できる炉であればよいが、密閉型のものであり、攪拌機構が付いているものが好ましい。その外、灰や塩素源、炭材等の投入口、炉内ガスの排気口、放射性セシウムを除去した灰の排出口などが必要である。本発明を適用できる炉を例示すれば、ロータリーキルン、ストーカ炉等を挙げることができる。

還元揮発炉において、炉内を還元ガス雰囲気にするために、炉内ガスは、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガス、窒素ガス、水および１体積％未満の酸素ガスから構成されることが好ましい。

一酸化炭素ガスを還元ガス雰囲気とする場合には、炉内に炭材を投入して、これを不完全燃焼、あるいは液体燃料や気体燃料を不完全燃焼させればよい。

炭材としては、コークス、無煙炭、黒鉛などを用いることができる。液体燃料としては、重油、廃油などを用いることができ、気体燃料としては、液化天然ガス、液化石油ガスなどを用いることができる。

一酸化炭素ガスの濃度としては、５〜４０体積％程度であることが好ましく、特に２０〜３０体積％程度であることがより好ましい。さらに、一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスとの濃度比（ＣＯ／ＣＯ_２）は、０．１〜１００程度であることが好ましく、特に０．５〜２０程度であることがより好ましい。

一酸化炭素ガスの濃度が５体積％未満の場合、酸化性が強まるため、セシウムの塩化が進行しなくなる。一方、一酸化炭素ガスの濃度が４０体積％を超えた場合ではセシウムが塩化する効果はほとんど変わらない。

また、一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスとの濃度比（ＣＯ／ＣＯ_２）が０．１未満の場合、酸化性が強まるため、セシウムの塩化が進行しなくなる。一方、一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスとの濃度比（ＣＯ／ＣＯ_２）が１００を超えた場合ではセシウムが塩化する効果はほとんど変わらない。

還元揮発炉の炉内は、放射性セシウムの酸化物を還元して塩素と反応させて塩化セシウムを形成させ、これを揮発させるために７００℃以上、８００〜１１００℃程度とすることが好ましい。

揮発した塩化セシウムは、炉内に供給されるガス、例えば加熱のためのバーナーから供給される燃焼ガスによって炉外に排出され、燃焼炉から排出されたガスとともに混合され、燃焼炉において空気を吹き込むことによってガス中の一酸化炭素と水素を燃焼させる。

排出されたガス中には、ダイオキシン類が含まれることがあるため、排ガスは燃焼炉内で、必要に応じてバーナーを用いて滞留時間を２秒以上確保した上で、８５０℃以上に加熱し、約２００℃まで冷却した後、飛灰とともに集塵機で捕集される。集塵機には煙道の煤塵を捕集するものなどを用いることができ、例えばバグフィルターを利用できる。

こうして、放射性セシウムを除去した灰は、還元ガス雰囲気を、炭材を用いて形成した場合には、炭材が残存している可能性がある。そこで、この残存している炭材がその後の灰の有効利用を阻害する場合にはこれを予め除去しておく必要がある。例えば灰の熱しゃく減量が５重量％以上の場合には、残存する炭素分を燃焼させて除去しておくことが好ましい。ここで、灰の熱しゃく減量とは、６００℃で３時間強熱することにより、ごみ焼却残渣中に残っている未燃分の重量％を表す値で、熱しゃく減量が小さいほど良好な燃焼ができたことになる。

燃焼炉は、前記の還元揮発炉とは別の炉で行うのがよい。両炉は別体であってもよく、一つの炉を２室に仕切った形態のものでもよい。燃焼は炭素分を充分に燃焼させるよう酸素を供給して行う。この酸素の供給は空気の吹込みで行うことができる。

用いた灰の組成は、Ｓｉ：１０重量％、Ａｌ：９重量％、Ｃａ：２０重量％、Ｎａ：４重量％、Ｋ：１重量％、Ｃｌ：１重量％、Ｐｂ：０．１重量％、Ｚｎ：０．４重量％であり、放射性セシウムの濃度（¹³⁴Ｃｓと¹³⁷Ｃｓの合計）は１０，０００Ｂｑ／ｋｇである。

炉には、図１に示すものを用いた。この炉は、二段式のロータリーキルンで構成され、還元揮発炉の左端の投入口から灰を１ｋｇ／ｈｒ、コークスを０．０３ｋｇ／ｈｒ、ＣａＣｌ_２を０．０１ｋｇ／ｈｒで炉内に連続投入した。還元揮発炉の右端のバーナーから火炎を吹込んで還元ガス雰囲気で加熱した。この雰囲気でのＣＯ濃度は３０体積％であり、炉内の温度は１０００℃であった。灰の炉内での平均滞留時間は１時間であった。還元揮発炉のガス排気口から排出される排ガスは、燃焼炉から排出された排ガスと混合し、燃焼炉で一酸化炭素を燃焼させた後冷却し、煙道の途中に設けられたバグフィルター（図示されていない。）で集塵し、大気中に放出された。集塵した飛灰中の放射性セシウムの濃度は５００，０００Ｂｑ／ｋｇであった。

還元揮発炉から排出された灰は燃焼炉に移り、そこで、燃焼用空気とともに供給されるバーナーの火炎でさらに熱せられて残留する炭素分が燃焼除去された。この炉内の温度は１０００℃であり、灰の炉内での平均滞留時間は１時間であった。

得られた灰の放射性セシウムの濃度は５０Ｂｑ／ｋｇであり、そのままセメントの原料に用いても何ら問題がないことが分った。

本発明によれば、放射性セシウムの酸化物を含有する灰から放射性セシウムをほぼ完全に除去できるので埋立量をその際分離された飛灰のみ大幅に節減でき、かつ、放射性セシウムを除去された灰はセメント原料などに有効利用できるので、各種の放射性セシウムの酸化物を含有する灰の処理に利用できる。

Claims

放射性セシウムの酸化物を含有する灰の投入口と、炉内ガスの排気口と、灰の排出口と、塩素源の投入口を有し、放射性セシウムの酸化物を含有する灰を前記灰中に存在する塩素成分あるいは添加した塩素源を用いて還元ガス雰囲気下で還元して放射性セシウムを塩化セシウムとして揮発させる還元揮発炉を備えたことを特徴とする放射性セシウムの酸化物を含有する灰の処理装置。
前記還元揮発炉における塩素の含有量が、放射性セシウムの酸化物を含有する灰に含まれる鉛の当量と亜鉛の当量との合計以上であ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酸化物を含有する灰の処理装置。