JP5772556B2

JP5772556B2 - 放射性セシウム含有無機物の処理方法

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Publication number: JP5772556B2
Application number: JP2011268495A
Authority: JP
Inventors: 内山　武; 武内山; 多田　光宏; 光宏多田
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: JP2013120136A

Description

本発明は、放射性セシウムを含有する焼却灰や土壌などから放射性セシウムを除去する方法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汚染土壌や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以下の焼却灰等については、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

大規模な原子力発電所事故によって放射性物質が大量に飛散した場合には処理すべき放射性汚染物質が大量になり、これらは無機物の形で埋立処理されるが、埋め立てる場所や施設の確保が容易でない。ところで、放射性物質には種々あり、原子力発電所等から排出される放射性物質としては、主にセシウムとヨウ素であるがヨウ素は半減期が非常に短いため、問題になるのはセシウムである。

そこで、本発明の目的は、広大な敷地を要する、放射性セシウム含有無機物の埋立問題に対処できる、放射性セシウム含有無機物の処理方法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、焼却灰や土壌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、これらの無機物を塩素の存在下で還元ガス雰囲気で溶融することによって、放射性セシウムを塩化物の形態に変えて飛灰側に濃縮することができ、残ったスラグは放射性セシウムのほとんど含有しない無害なものになることを見出した。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものであり、放射性セシウムを含有する無機物を塩素の存在下で還元ガス雰囲気で溶融し、ガス排出口から排出される飛灰を捕集することを特徴とする放射性セシウム含有無機物の処理方法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有する無機物を放射性セシウムをほとんど含有しないスラグ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。

本発明の処理方法に用いることができるシャフト式ガス化溶融炉の概略構造を示す図である。同じく電気抵抗式灰溶融炉の概略構造を示す図である。

無機物は放射性セシウムを含有するものであれば特に制限されないが、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、放射性セシウムを含有する下水汚泥を焼却した際に発生する焼却灰、放射性セシウムで汚染された土壌、瓦礫、コンクリートなどを例に挙げることができる。特に、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とがある。

放射性セシウムの含有量は特に限定されないが、通常、大規模な原子力発電所事故によって影響を受けた地域では、不検出〜６，０００Ｂｑ／ｋｇ程度、特に発電所から１００ｋｍ圏内では、３，０００Ｂｑ／ｋｇ程度である。

塩素は、溶融時にセシウム化合物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。放射性セシウムを含有する可燃物を焼却した際に発生する焼却灰中には、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、無機物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、無機物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。

また、塩素の含有量が１０重量％以上の場合、スラグの品質劣化をもたらすため、塩素の含有量は１０重量％未満であることが好ましい。

無機物の溶融に用いる溶融炉は特に限定されないが、一般廃棄物の処理に用いられているシャフト式ガス化溶融炉や電気抵抗式灰溶融炉等を例示することができる。

図１は、シャフト式ガス化溶融炉の概略構造を示す図である。
図１において、１は炉頂部に設けられたコークス、石灰石、塩素源、無機物の投入口、２は炉側壁の下部に設けられた主羽口、３は主羽口２より上部の炉側壁に設けられた副羽口である。主羽口２および副羽口３は、それぞれ炉の中心軸線を中心として放射状に設けられ、各羽口２、３からは、酸素および空気の少なくとも１つの燃焼ガスが炉内に送風される。４は炉上部に設けられたガス排出口、５は炉底に設けられたスラグ排出口である。

図２は、電気抵抗式灰溶融炉の概略構造を示す図である。
図２において、１１は無機物の投入口、１２は電極、１３はガス排出口、１５は溶融スラグ排出口である。灰溶融炉１０内に投入された無機物は、電極１２間の通電により生じる電気抵抗熱によって千数百度の高温に加熱された溶融スラグ１４上で溶融し、溶融スラグとなって炉底に溜まる。炉底の溶融スラグ１４は、溶融スラグ排出口１５から適宜炉外に排出される。

溶融は還元ガス雰囲気で行う。この還元ガス雰囲気は、水素ガスや一酸化炭素ガスを存在させることによって形成することができる。炉内を還元ガス雰囲気に保つためには、外からの空気が可及的少量しか炉内に進入しないように、炉を密閉構造とする必要がある。

さらに、一酸化炭素ガスを還元ガスとする雰囲気は、コークスを熱源とする場合にはコークス中の炭素が一酸化炭素に変化するのに必要な空気量、すなわち概ね４．４４Ｎｍ^３−空気／ｋｇ−炭素の空気量を添加することで形成され、電気により加熱する場合には電極の黒鉛と投入した無機物中の酸化物との反応により形成される。

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。

溶融温度は、無機物を溶融できればよいが、通常１２００〜１６００℃程度でよく、１〜２時間程度溶融を続ければよい。

この溶融処理によって、無機物はスラグ化され、このスラグには放射性セシウムがほとんど除去されているので、そのまま廃棄処理し、あるいは有効利用できる。

一方、無機物に含まれていた放射性セシウムの大部分は溶融処理中に炉から発生する飛灰に移行するため、この飛灰は、例えば、非特許文献１の指針に従って、埋立処分することになるが、飛灰の量は無機物より大幅に少ない量になっているので埋立地の確保が容易である。

原子力発電所から排出された焼却灰（主灰）を使用して、図２に示されるような電気抵抗式灰溶融炉を用いて溶融処理した。

用いた焼却灰の組成は、Ｓｉ：１３．２重量％、Ａｌ：５．８重量％、Ｆｅ：２．８重量％、Ｃａ：１６．０重量％、Ｎａ：１．８重量％、Ｋ：１．３重量％、Ｃｌ：０．１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２，０００Ｂｑ／ｋｇである。

上記の焼却灰１００ｋｇと塩素源である塩化カルシウム１．１５ｋｇとを混合して電気抵抗式灰溶融炉に投入した。ここで、塩化カルシウムの量を１．１５ｋｇに設定した理由は次のとおりである。

焼却灰１００ｋｇ中の鉛および亜鉛の含有量を基に、必要な塩素当量を求めると、
必要塩素当量＝（０．１／［Ｐｂ原子量］＋０．４／［Ｚｎ原子量］）×２
＝０．０１３［ｋｍｏｌ］
ここで、Ｐｂ原子量は２０７．１３、Ｚｎ原子量は６５．３７である。

次に、焼却灰中には塩素成分が０．１重量％含まれているため、この塩素成分の当量は、
塩素成分当量＝０．１／［Ｃｌ原子量］＝０．００２８［ｋｍｏｌ］
ここで、Ｃｌ原子量は３５．４５３である。
したがって、添加すべき塩素当量は、０．０１３−０．００２８＝０．０１０４［ｋｍｏｌ］となり、添加する塩化カルシウムの量を計算すると、
塩化カルシウム量＝（［Ｃａ原子量］＋［Ｃｌ原子量］×２）×０．０１０４
＝１．１５［ｋｇ］
ここで、Ｃａ原子量は４０．０８である。

このようにして、塩素源としての塩化カルシウムを電気抵抗式灰溶融炉に投入し、炉内から排出されるＣＯガスの濃度が５〜４０体積％で、（ＣＯ／ＣＯ_２）が０．６〜１．０の範囲で炉内を還元ガス雰囲気に保ちながら、１５００℃で１時間溶融処理した。

その結果、炉からは９５ｋｇのスラグが得られ、スラグ中に含まれる放射性セシウム濃度は３０Ｂｑ／ｋｇであった。一方、炉から排出されて捕集された飛灰量は２ｋｇであり、飛灰中に含まれる放射性セシウム濃度は９８，０００Ｂｑ／ｋｇであった。

また、上記組成の焼却灰１ｋｇを大気雰囲気下で、電気炉にて１２００℃で１時間溶融処理を行ったところ、炉から得られた０．８５ｋｇのスラグに含まれる放射性セシウム濃度は６００Ｂｑ／ｋｇであった。一方、炉から排出されて捕集された飛灰量は０．０２ｋｇであり、飛灰中に含まれる放射性セシウム濃度は７１，０００Ｂｑ／ｋｇであった。

本発明の方法によれば、放射性セシウム含有無機物から放射性セシウムを分離して飛灰に溶融できるので埋立量を大幅に節減でき、従って、各種の放射性セシウム含有廃棄物の処理に利用できる。

１投入口
２主羽口
３副羽口
４ガス排出口
５スラグ排出口
１０灰溶融炉
１１投入口
１２電極
１３ガス排出口
１４溶融スラグ
１５溶融スラグ排出口

Claims

放射性セシウムを含有する無機物を塩素の存在下で還元ガス雰囲気で溶融し、ガス排出口から排出される飛灰を捕集する放射性セシウム含有無機物の処理方法であって、
前記放射性セシウムを含有する無機物中の塩素成分の当量が、無機物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放射性セシウム含有無機物の処理方法。
放射性セシウムを含有する無機物を塩素の存在下で還元ガス雰囲気で溶融し、ガス排出口から排出される飛灰を捕集する放射性セシウム含有無機物の処理方法であって、
前記放射性セシウムを含有する無機物に塩素源を添加して、塩素の当量を無機物に含まれる鉛の当量と亜鉛の当量との合計以上にすることを特徴とする放射性セシウム含有無機物の処理方法。