JP5816962B2 - 放射性セシウム汚染物の処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、特に福島第一原子力発電所事故により原子力発電所の敷地内で大量に発生している放射性セシウム汚染物の処理方法に関するものである。
２０１１年３月１１日に発生した福島第一原子力発電所事故により、放射性セシウムに汚染した災害廃棄物（以下、放射性セシウム汚染物）が原子力発電所の敷地内外で大量に発生している。
現在、原子力発電所の敷地外で発生した災害廃棄物に関しては、これらの放射性セシウム汚染物の処分に関する環境省の指針として、放射能濃度が８０００Ｂｑ/ｋｇ以下のものについては一般廃棄物最終処分場において埋立処分を行い、放射能濃度が８０００Ｂｑ/ｋｇ超のものについては、放射性セシウムの挙動を適切に把握し、国によって処分の安全性が確認されるまでの間、管理型最終処分場で一時保管することが示されている（非特許文献１）。
これに対し、原子力発電所の敷地内で災害により発生している放射性廃棄物の処分に関しては、国の指針は示されていないが、廃棄物の減容化の観点から、可燃物については焼却処理して焼却灰とした後に、一時保管をすることが望ましい。
今回、原子力発電所の敷地内では、樹木等や事故処理作業に従事する作業者が着用する衣類等、新たな可燃物が大量に発生しており、これらを減容処理するために焼却炉の増設が急務となっている。
ところで、通常の原子力発電所内で発生する可燃性雑固体廃棄物の処理技術に関しては、本願出願人らが各種技術を開示している。例えば、非特許文献１には、原子力施設での焼却処理では、廃棄物に含まれる放射性セシウムの６９％が焼却主灰中に残存することが示されている。今回処理対象としている放射性セシウム汚染物でも同様の挙動を示すことが予想される。この場合、放射性セシウムの３１％が飛灰として排ガス系に飛散してセラミックフィルタやＨＥＰＡフィルタ等で捕集されることになる。
排ガス系の設計に関し、セシウム濃度レベルに応じて、所謂「溶接管理」のレベルも厳しく規定されており、例えば、今回の災害廃棄物である大量の放射性セシウム汚染物を焼却処理し、その３１％が飛灰として排ガス系に飛散すると想定した場合、「溶接管理」は、Ｘ線による検査等、各種の厳しい検査が求められるレベルになり、コスト高になる問題や、排ガス系のメンテナンス管理が困難になる問題がある。
ｖｏｌ.３０，ｎｏ．６（１９８８）放射性固体廃棄物焼却設備の排ガス処理系における除染性能 Ｐ.４７〜５４
本発明の目的は前記の問題を解決し、福島第一原子力発電所事故により大量に発生している放射性セシウム汚染物の内、原子力発電所の敷地内外で大量に発生している樹木や作業者の衣類等の可燃物を焼却灰として減容化するための焼却炉において、排ガス系に飛散する放射性セシウムのセシウム濃度レベルを低減する技術を提供することである。
上記課題を解決するためになされた本発明に係る放射性セシウム汚染物の処理方法は、Ｃｓ２ＣＯ３型及びＣｓ２Ｏ型の放射性セシウムが付着した可燃物と塩素化合物とを、回転可能に支持された横型の回転ドラムを備えたロータリーキルン型の焼却炉内に投入後、回転ドラムを回転させることによって混合しながら該Ｃｓ２ＣＯ３型及びＣｓ２Ｏ型の放射性セシウムの分解温度域になるまで加熱し、該分解温度域で生じた放射性セシウムを塩化セシウムとすると同時に、可燃物を塩化セシウムの融点以上かつ沸点以下の焼却温度で焼却し、該焼却により生じた焼却主灰に、該塩化セシウムを取り込むことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の放射性セシウム汚染物の処理方法において、該焼却炉が、炉内に向けて塩素化合物を噴霧する噴霧ノズルを備えたロータリーキルンであることを特徴とするものであり、請求項３記載の発明は、該焼却炉が、炉内に向けて塩化ナトリウム水溶液を噴霧する塩化ナトリウム水溶液噴霧ノズルを備えたロータリーキルンであることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項２または３記載の放射性セシウム汚染物の処理方法において、ロータリーキルンが、回転可能に支持された横型の回転ドラムと、その外周を覆う密閉構造の外殻と、外殻を貫通して該回転ドラムの一端に達する放射性廃棄物投入部と、該回転ドラムの他端に接続された排ガス出口部とを備え、該放射性廃棄物投入部及び排ガス出口部は、各々、外殻と気密にフランジ接続されており、該排ガス出口部には該回転ドラム内に火炎を吹き込む放射性廃棄物燃焼用バーナを設け、該排ガス出口部の底部には焼却残渣排出口を設けたことを特徴とするものである。
本発明に係る放射性セシウム汚染物の処理方法は、Ｃｓ２ＣＯ３型及びＣｓ２Ｏ型の放射性セシウムが付着した可燃物と塩素化合物とを、回転可能に支持された横型の回転ドラムを備えたロータリーキルン型の焼却炉内に投入後、回転ドラムを回転させることによって混合しながら該Ｃｓ２ＣＯ３型及びＣｓ２Ｏ型の放射性セシウムの分解温度域になるまで加熱し、該分解温度域で生じた放射性セシウムを塩化セシウムとすると同時に、可燃物を塩化セシウムの融点以上かつ沸点以下の焼却温度で焼却し、該焼却により生じた焼却主灰に、該塩化セシウムを取り込むことにより、放射性セシウムが飛灰として焼却炉外の排ガス系に飛散する現象を効果的に抑制することができる。
放射性セシウムが飛灰として焼却炉外の排ガス系に飛散する現象を効果的に抑制することにより、排ガス系の「溶接管理」を、各種の厳しい検査が求められるレベルから引き下げることができ、「溶接管理」に伴うコストを削減することができる。その他、排ガス系の設備構成の簡素化や、メンテナンス作業時における作業者の被ばく事故の危険性も回避することができる。
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
震災で発生した放射性セシウムは、事故直後には金属Ｃｓで存在するが、大気と接触後Ｃｓ２Ｏとなり、最終的にはＣｓ２ＣＯ３となった後、降雨等により水中に溶け込みＣｓ２ＣＯ３として地上に降り注いで樹木等に付着していると想定される。
Ｃｓ２ＣＯ３は、６１０℃で溶融し、かつ、同時に分解するという化学的性質があり、分解により、Ｃｓ２Ｏ（４００℃で分解）またはＣｓ（沸点６７８℃）となるが、いずれも、一般的な焼却温度である８００℃では分解温度、沸点以上であり、理論上では焼却灰中にセシウムは残存できず、飛灰中に飛散することになる。
これに対し、本発明は、焼却炉内に塩化ナトリウム水溶液を供給しながら、放射性セシウム汚染物の処理を行い、放射性セシウムを塩化セシウムとして焼却主灰に残留させ、放射性セシウムが飛灰中へと飛散すること回避するものである。
塩化セシウムは融点が６４５℃、沸点が１２９０℃であり、焼却温度７００〜９００℃の範囲では液体であり、揮発しにくく、かつ、固体粒子ではないため、飛散しにくく、焼却主灰に残留させることができる。焼却温度域は、塩化セシウムの融点以上で沸点以下とし、特に、７００〜９００℃とすることが好ましい。
焼却炉形式は、ロータリーキルン式が好適で、特に、本願出願人により出願済の密閉構造のロータリーキルン（特開２０１０−３８５３４）に、更に、炉内に向けて塩化ナトリウムを噴霧する塩化ナトリウム噴霧ノズル６を備えたものが最適である。
具体的には、図１に示すように、放射性廃棄物投入部１と排ガス出口部２と回転ドラム３と外殻４とから構成されたものであり、回転ドラム３は、ＳＵＳまたは炭素鋼の内面に耐火材をライニングした構造を有し、放射性廃棄物投入部１と排ガス出口部２との間で、中心線が略水平となるように回転可能に支持され、外殻４は、炭素鋼からなり、回転ドラム３を回転式支持手段２０により回転可能に内装する構造を有するものである。
前記外殻４両端に設けられた開口部８のうち、一端には放射性廃棄物投入部１がフランジ接続され、他端には排ガス出口部２がフランジ接続され、外殻４内を密閉構造としている。外殻４は燃焼空気導入口１２と燃焼空気供給手段１３とを備えている。外殻４の内部は、負圧に保たれている。放射性廃棄物投入部１は、投入口に放射性廃棄物投入用ダンパ９a、９bを二重に重ねて備え、下部にはプッシャー１０を備えている。排ガス出口部２の下部には回転ドラム３方向に開口したノズルを備えた放射性廃棄物燃焼用バーナ１１、底部には焼却残渣排出口１７が設けられている。更に、排ガス出口部は温度測定用孔１８と回転ドラム方向に開口した水噴霧ノズル１９とを備えるものである。その他、焼却残渣排出口１７の下部には、密閉式のストーカ炉５を接続してもよい。ストーカ炉５は、外面全体が鋼製外殻で密閉され、内面に耐火物が施工されたものとすることが好ましい。
ロータリーキルンによれば、廃棄物と塩化ナトリウム水溶液を同一方向から供給し、かつ回転機能により、いち早く、炭酸セシウムなどが付着している廃棄物と、塩化ナトリウムを混合でき、炭酸セシウムが分解する５００℃の温度域になるまでに十分混合し、接触させることができる。その結果、より確実に塩化セシウムとすることができる。ロータリーキルンに投入された廃棄物中の可燃物は、塩化セシウムの融点以上かつ沸点以下の焼却温度で焼却される。ロータリーキルンの前段で生成された塩化セシウムの大部分は、ロータリーキルンの中段以降で生成された焼却主灰に付着して取り込まれる。
塩化ナトリウムの形態で焼却主灰に付着した放射性セシウムは、ロータリーキルンでは連続的に排出されるため、炉内で放射性セシウムの沸点近い高温となることはなく、飛灰として排ガス系に飛散する現象を確実に回避することができる。また、ロータリーキルン式の焼却炉とすることで、炉内での滞留時間を充分確保できるため、安定したセシウムの残留率を得ることができる。
なお、塩化ナトリウムは、塩化ナトリウム水溶液の噴霧水として供給する方法が最適である。当該方法によれば、塩化ナトリウムを廃棄物に均一に供給することができる。例えば、原子力発電所で多用されている保護具（タイベック）などは、ポリエチレンの袋に入れ、保管されており、これをロータリーキルンに投入すると、供給されたばかりのときは、ポリエチレン袋は元の形状を保っているが、時間とともに熱収縮し、内部の保護具が露出し炉内でばらけた状態となる。次に保護具の熱収縮がはじまり、約５００℃の分解温度となるとガス化し燃焼を開始する。このような燃焼経過をたどるため、塩化ナトリウムは、水溶液として、連続的に噴霧することが必要となる。
ロータリーキルンを用いて、模擬廃棄物（木材、布、紙、ポリエチレン、ゴム）を８００℃で焼却処理した。セシウムの形態は、Ｃｓ２ＣＯ３として模擬廃棄物にふりかけて添加した。
ロータリーキルンでは、炉内温度コントロールのために水を噴霧することもあるが、本実施例では、この水に塩化ナトリウムを加え、１％濃度として炉内に連続的に噴霧供給した。この場合の塩素供給量は、模擬廃棄物量に対して、０．６７ｗｔ%である。ロータリーキルン式の焼却炉に、噴霧状態の塩化ナトリウム水溶液を廃棄物に吹き付けるとともに、投入される廃棄物は、炉の回転で撹拌され、塩化ナトリウムと十分に混合されるため、放射性セシウムを塩化セシウムの形態に変換するのに極めて好都合である。噴霧状態の塩化ナトリウムは、廃棄物の投入側から供給することが優先的に放射性セシウムと塩素を反応させる面より望ましい。従来原子力発電所で使用されている竪型、或いは横型の固定床式焼却炉では、このように塩化ナトリウムと廃棄物の混合ができないため、通常の廃棄物の性状では、例え、塩化ナトリウムを供給してもロータリーキルンのような効果は得られない。
上記条件で焼却主灰を作成した。尚、比較評価のため、塩化ナトリウムを含まないで処理した焼却主灰も作成した。
焼却主灰中のＣｓ濃度を測定した結果、焼却灰中のセシウム残存率は、塩化ナトリウムを供給したものは９５％で、供給しないものは６０％であり、本発明の方法によれば放射性セシウムを塩化セシウムとして焼却主灰に取り込み、飛灰として焼却炉外の排ガス系に飛散する現象を効果的に抑制できることが確認された。これにより、排ガス煙道中の放射能濃度を低下できるため、下流の排ガス処理装置の放射能濃度を低減でき、しゃへい設計の簡易化か、メンテナンスが容易になるという利点も生じる。
以上は、原子力発電所内の可燃物について記載したが、原子力発電所外で放射性セシウムに汚染した可燃物処理において、排ガス系の放射能濃度を低減する手段として適用できることは、自明のことである。
１ 放射性廃棄物投入部
２ 排ガス出口部
３ 回転ドラム
４ 外殻
６ 塩化ナトリウム噴霧ノズル
８ 開口部
９a、９b 放射性廃棄物投入用ダンパ
１０ プッシャー
１１ 放射性廃棄物燃焼用バーナ
１２ 燃焼空気導入口
１３ 燃焼空気供給手段
１７ 回焼却残渣排出口
１８ 温度測定用孔
１９ 水噴霧ノズル
２０ 回転式支持手段
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Claims (4)
- Ｃｓ２ＣＯ３型及びＣｓ２Ｏ型の放射性セシウムが付着した可燃物と塩素化合物とを、回転可能に支持された横型の回転ドラムを備えたロータリーキルン型の焼却炉内に投入後、回転ドラムを回転させることによって混合しながら該Ｃｓ２ＣＯ３型及びＣｓ２Ｏ型の放射性セシウムの分解温度域になるまで加熱し、
該分解温度域で生じた放射性セシウムを塩化セシウムとすると同時に、可燃物を塩化セシウムの融点以上かつ沸点以下の焼却温度で焼却し、該焼却により生じた焼却主灰に、該塩化セシウムを取り込むことを特徴とする放射性セシウム汚染物の処理方法。 - 該焼却炉が、炉内に向けて塩素化合物を噴霧する噴霧ノズルを備えたロータリーキルンであることを特徴とする請求項１記載の放射性セシウム汚染物の処理方法。
- 該焼却炉が、炉内に向けて塩化ナトリウムを噴霧する塩化ナトリウム噴霧ノズルを備えたロータリーキルンであることを特徴とする請求項１記載の放射性セシウム汚染物の処理方法。
- ロータリーキルンが、回転可能に支持された横型の回転ドラムと、その外周を覆う密閉構造の外殻と、外殻を貫通して該回転ドラムの一端に達する放射性廃棄物投入部と、該回転ドラムの他端に接続された排ガス出口部とを備え、該放射性廃棄物投入部及び排ガス出口部は、各々、外殻と気密にフランジ接続されており、該排ガス出口部には該回転ドラム内に火炎を吹き込む放射性廃棄物燃焼用バーナを設け、該排ガス出口部の底部には焼却残渣排出口を設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の放射性セシウム汚染物の処理方法。
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