JP2021173591A - 放射性セシウムを含む灰の処理方法と処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射性物質を含む廃棄物を焼却して生成されたスラグから放射性物質が溶出しても、的確に放射性物質を吸着し除去することが可能な放射性物質を含む灰の処理方法及びその処理装置を提供する。【解決手段】上記課題は、放射性セシウムを含む灰を溶融炉に投入して溶融し、生成したスラグを排出させるとともに排出されたスラグにセシウムを吸着する吸着剤を加え、冷却固化することを特徴とする、放射性セシウムを含む灰の処理方法と装置によって解決される。【選択図】図１

Description

本発明は、放射性セシウムを含む灰の処理方法と処理装置に関するものである。

東日本大地震に伴う原子力発電所の事故により、周辺地域は放射性物質で汚染され、今もなお除染作業が進められている。この除染作業を進めるにあたり、周辺地域から回収された放射性物質を含む土壌等からなる廃棄物の処理に関する対策が急務となっている。例えば、特許文献１では、放射性セシウムで汚染された廃棄物から放射性セシウムを除去することが可能な放射性セシウムの除去方法に関する技術が開示されている。この技術によれば、放射性物質を含有する灰や放射性物質で汚染された土壌を熱処理することにより、放射性物質を気散させるとともに、放射性物質の含有濃度が低くなった残渣から焼成処理した焼成物もしくは溶融処理したスラグを生成しセメント混合材等に利用できる。

特開２０１６−２２４０５５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、溶融処理を行う際、熱処理条件によっては、スラグに残留する放射性物質濃度が高くなる場合があり、そのような場合には、スラグから放射性物質が溶出してしまうという課題があった。また、スラグの中に一定程度の放射性物質が残留した場合、熱処理条件によっては放射性物質の保持能力が低い場合があり、自然環境下に放置されると、放射性物質が溶出するという課題があった。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、放射性物質を含む廃棄物を焼却して生成されたスラグから放射性物質が溶出しても、的確に放射性物質を吸着し除去することが可能な放射性物質を含む灰の処理方法及びその処理装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討を進め、放射性セシウムを含む灰を溶融して得たスラグにセシウムを吸着する吸着剤を加えることを考えた。そして、この吸着剤を確実に働かせるために灰の溶融物内に存在する形で添加することにしたが、溶融炉内に添加すると温度が高すぎて吸着剤が失活してしまうことがわかった。そこで、吸着剤を炉から取り出した溶融物に添加して冷却固化すれば吸着活性を残存させることができることを見出して本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は放射性セシウムを含む灰を溶融炉に投入して溶融し、生成されたスラグを排出させるとともに、排出されたスラグにセシウムを吸着する吸着剤を加え、冷却固化することを特徴とする、放射性セシウムを含む灰の処理方法と、放射性セシウムを含む灰を溶融する溶融炉と、該溶融炉で溶解され生成されたスラグを溶融炉から排出する手段と、排出された溶融スラグにセシウムを吸着する吸着剤を添加する手段と、この吸着剤が添加されたスラグを冷却固化する手段を備えたことを特徴とする、放射性セシウムを含む灰の処理装置を提供するものである。

本発明により、放射性セシウムを含む灰を加熱溶融することによって放射性セシウムを気化させて除去し、除去しきれなかった放射性セシウムは、吸着剤で吸着することによって外に溶出しないようにしている。そして、この溶融によって灰を減容化し、処理を容易にしている。

本発明の一実施態様を模式的に示す図である。 セシウム吸着剤の別の添加形態を示す模式図である。 溶融スラグを水砕設備で水砕する状態を示す模式図である。 放射性セシウムを含む灰の処理フローの概略を示す図である。 ゼオライトを投入してその残存吸着能を調べたラボ実験の手順を模式的に示した図である。

放射性セシウムを含む灰は、放射性セシウムを含む草木類や下水汚泥等の可燃物を焼却した際に発生する焼却灰などであり、焼却炉の炉底に溜まる主灰と燃焼排ガスから捕集される飛灰がある。放射性セシウムは、主に酸化物の形で存在していると考えられる。

この灰１は、図４に示すように、溶融炉２に投入され加熱溶融されて生じた溶融スラグが炉底に溜まって随時取り出されたもので、そこから鋳型３に入れられる。溶融炉２からの排ガス４は冷却塔５で冷却され、集塵器６で集塵されて、煙突７から放出される。

灰を溶融する溶融炉には、コークスベッド式溶融炉、シャフト式ガス化溶融炉、電気抵抗式溶融炉、プラズマ式溶融炉、バーナー式溶融炉などがあり、いずれも利用できる。これらのなかで、コークスベッド式溶融炉は、熱源にコークスを用いており、電気抵抗式溶融炉は電極の黒鉛と灰中の酸化物との反応により、いずれも密閉された炉内で一酸化炭素の還元ガス雰囲気で加熱溶融される。その間に、灰に含まれているセシウムは、やはり灰に含まれている酸化物と反応して塩化セシウムに変わり、これによって放射性セシウムが６０〜９９％程度揮発除去されるので好ましい。

炉内の温度は１２００〜１６００℃程度に加熱されており、炉内に投入された灰は溶融スラグとなって炉底に溜まる。これを排出する手段として、炉底の取り出し口から弁を開けて、連続的あるいは間欠的に取り出し、鋳型あるいは水砕水槽で受ける。出湯時の溶融スラグの温度は約１２００〜１４００℃程度であり、流動性がなくなり固化するのは約１３００℃前後である。

本発明では、この出湯した溶融スラグが固化する前にセシウムを吸着する吸着剤を加える。

このセシウム吸着剤は、溶融したスラグに投入されるものであるから、それに耐える耐熱性を有するものであり、各種のゼオライト、ケイチタン酸、黒雲母が風化した黒ボク土などを用いることができる。

温度が非常に高いので、これらであっても長時間高温が続くとセシウム吸着力が失われる。例えば、ゼオライトを８００℃で２時間加熱するとセシウム吸着力はほぼ失われる。これを図５に示す手段で調べた。まず、セシウムを含まない、焼却灰のスラグ各４０ｇを２つの酸化アルミニウムを主成分とする耐火物製ルツボに入れて電気炉内で１３５０℃にし１０分加熱して溶融した。これを取り出して、その一つのルツボに篩分して得た粒径が２．０〜４．０ｍｍのゼオライト１ｇを入れ、もう一つのルツボ内の溶融スラグを加えて、電気炉内で８００℃又は１０００℃で２時間加熱し、次いで冷却した。冷却は、耐火物製ルツボを耐火性煉瓦の上に置いて大気中で空冷する。固化したスラグを耐火物製ルツボから取り出して粉砕し、セシウム濃度が１１ｍｇ／Ｌの塩化セシウム溶液８００ｍｌに加えて３時間撹拌し、水溶液のセシウム濃度を分析した。その外、このスラグのｐＨと電気伝導率も測定した。得られた結果を表１に示す。

この結果からわかるように、ゼオライトは８００℃で２時間保持するとセシウムの吸着能力が全くなくなる。一方、ゼオライトを２倍量の炭酸カルシウムでコーティングしておくと若干の吸着能力が残り、セシウム約１８％を吸着除去できた。セシウム濃度が１１ｍｇ／Ｌのセシウム水溶液に、ゼオライトを単独で加えたならば、Ｃｓは１ｍｇ／Ｌ未満となるので、９０％吸着除去することができる。

この高温下でセシウム吸着能力を残す手段として、粒径の大きなものを用いることは有効であり、それによって表面の吸着能力が失われても内部の吸着能力を残せる。好ましい粒径は平均粒径で２ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上、さらに好ましくは６ｍｍ以上である。一方、粒径があまり大きすぎると、均一分散性や発揮できる吸着力等に問題が生じるので、最大で４０ｍｍ程度までである。この平均粒径は篩分けにより、質量分布をとり、累積の質量百分率が５０％に相当する粒径としている。

セシウム吸着剤の添加量は、スラグ１００重量部に対し１〜３０重量部程度、好ましくは５〜１０重量部程度が適当である。

セシウム吸着剤の添加時期は、溶融スラグの出湯後固化する前までである。添加手段としては、セシウム吸着剤がスラグ内になるべく均一に分散するように行い、例えば、図１に示すように、出湯したスラグを鋳型に投入しながら、併せてセシウム吸着剤をパイプから投入していく方法がある。その場合、投入位置を順次移動させたり、複数のパイプを用いて複数方向から投入することもできる。その外、図２に示すように耐熱性の篩を用いて撒布しながらスラグを投入していく方法もある。スラグの比重は２．５〜３．０程度であり、ゼオライトの比重は１．２〜１．４程度であるが、溶融スラグは粘性があるので、投入したゼオライト等のセシウム吸着剤は浮上せずほぼその位置にとどまる。

その外、セシウム吸着剤の粒子の表面を吸熱材で覆って溶融スラグに投入する方法も吸着力を残すために有効である。吸熱材には、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、水酸化カリウム、酸化鉄、水酸化鉄、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化けい素、水酸化けい素、またはこれらの複合塩などの粉末を用いることができる。吸熱材は、例えば水に懸濁させてスラリーとし、そこにセシウム吸着剤を加えて混合し、乾燥することによって、セシウム吸着剤の表面にコーティングすることができる。吸熱材の添加量は、セシウム１重量部に対し５〜１０重量部程度が適当である。

また、セシウム吸着力をなるべく多く残すために、冷却に注意を払うことも重要である。流出したスラグを耐火物製の冷却壁を持った鋳型や砂型の鋳型に入れて空冷したのでは、通常５〜６時間後に８００℃になる程度である。冷却固化する手段としては、空冷と水冷がある。空冷は、耐火物製の冷却壁を持った鋳型や砂型の鋳型にスラグを入れ、大気中でそのまま冷却する。水冷は、冷却水管が埋め込まれている鋳型の冷却水管に水を通して冷却する方法と溶融スラグの表面に水を吹きかけて水砕する方法がある。空冷は冷却速度が遅いので、ゼオライトへの熱影響が大きく、粒の周囲から熱影響を受け吸着能が減少し、残存活性が損なわれやすい。一方、水冷は冷却が早いので、残存活性はほぼ損なわれない。冷却はなるべく早く行い、セシウム吸着剤の吸着力がほぼ失われなくなる約８００℃まで５時間以内、好ましくは１時間以内で到達するように行うのがよい。

冷却したスラグ内には、セシウム吸着剤の吸着力が０．１ｍｇ・Ｃｓ/ｇ・吸着剤〜１．０ｍｇ・Ｃｓ/ｇ・吸着剤程度、好ましくは０．４〜０．７程度存在するようにする。必要により、破砕したスラグにセシウム吸着剤を更に添加してもよい。

溶融炉には、容積２０ｍ^３のコークスベッド式溶融炉を用い、鋳型には、図１に示す、側壁及び底面の壁に酸化けい素の耐火物を設け、側壁が上方に開いた傾斜面になっている容積１．２ｍ^３の方形皿状のものを用いた。セシウムを含まない焼却灰を４ｔ／ｈで溶融炉に連続投入して１４００℃で加熱溶融した。炉底に溜まった溶融スラグを３ｔ／ｈで、炉底部に近い溶融炉の側壁に設けた出湯口を開けて、樋から下に待機している鋳型に流し込んだ。出湯口は通常、耐火物製の粘土で閉塞されているが、出湯においては、穿孔機で、耐火物製の粘土に孔をあけて、スラグが流れ出せるようにする。その際、併せてパイプから、篩分して得た粒径が２〜４ｍｍのゼオライト２０ｋｇを２９分間で投入した。このとき、鋳型表面のスラグを熱電対で測定すると、１２３５℃であった。

投入終了後、鋳型を大気中に放置して自然冷却させた。

次いで、鋳型を反転させて固化したスラグを取り出し、油圧ショベル、バックホウ、パワーショベルなどの掘削用建設機械に付いている先端部で打ち壊す。鋳型の各部位のスラグのセシウム除去率、ｐＨおよび電気伝導度を測定した。得られた結果を表２に示す。

注入口（１）、（２）、注口近傍は、鋳型にスラグを流しこむ樋の先端近傍の３箇所であり、サンプルが違うだけでほぼ同じものである。

セシウム除去率は、それぞれの部位の粉砕したスラグ５０ｇをセシウム濃度が１１ｍｇ／Ｌの塩化セシウム溶液５００ｍｌに加えて３時間撹拌し、水溶液のセシウム濃度を分析して求めた。

表１の結果からわかるように、セシウムの吸着除去率は約２５％で、ほぼ均一に分散していた。ゼオライトは、スラグに対して１ｗｔ％加えた。

４ｔ/ｈで出湯しているスラグを樋で受け、その樋にゼオライトを４００ｋｇ／ｈで定量的に供給することにより、スラグに混合した。ゼオライトが添加されたスラグは、図３に示すように、下方に設けた水砕設備から供給される水により水砕され、さらに下方に設けた水砕水槽の水中に落下して冷却される。水は、おおむねスラグの２０倍量の水量を噴射した。こうして得られたゼオライトが添加されたスラグの水溶液からのセシウム除去能力は、９０％であった。

本発明は、放射性セシウムを含む灰の処理に広く利用できる。

１ 灰
２ 溶融炉
３ 鋳型
４ 排ガス
５ 冷却塔
６ 集塵器
７ 煙突

Claims (8)

1. 放射性セシウムを含む灰を溶融炉に投入して溶融し、生成された溶融スラグを排出させるとともに、排出されたスラグにセシウムを吸着する吸着剤を加え、冷却固化することを特徴とする、放射性セシウムを含む灰の処理方法。
2. セシウムを吸着する吸着剤がゼオライト又はケイチタン酸である請求項１に記載の放射性セシウムを含む灰の処理方法。
3. セシウムを吸着する吸着剤の粒径が２ｍｍ〜１０ｍｍである請求項１または２に記載の放射性セシウムを含む灰の処理方法。
4. セシウムを吸着する吸着剤が吸熱材でコーティングされている請求項１ないし３のいずれかに記載の放射性セシウムを含む灰の処理方法。
5. セシウムを吸着する吸着剤を溶融スラグに添加後８００℃まで１時間以内に冷却する請求項１ないし４のいずれかに記載の放射性セシウムを含む灰の処理方法。
6. 放射性セシウムを含む灰を溶融する溶融炉と、該溶融炉で溶解され生成されたスラグを溶融炉から排出する手段と、排出された溶融スラグにセシウムを吸着する吸着剤を添加する手段と、この吸着剤が添加されたスラグを冷却固化する手段を備えたことを特徴とする、放射性セシウムを含む灰の処理装置。
7. 溶融炉が還元ガス雰囲気で加熱溶融する炉である請求項６に記載の放射性セシウムを含む灰の処理装置。
8. 冷却固化する手段が溶融スラグに水を吹きかけて水砕する手段である請求項６又は７に記載の放射性セシウムを含む灰の処理装置。

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