JP5890742B2 - 遠心薄膜乾燥機 - Google Patents

Description

本発明は、排液処理設備などに適用する遠心薄膜乾燥機に係り、特に凝結物による給液配管の閉塞を好適に抑制する遠心薄膜乾燥機に関する。

排液処理設備においては、排液物量の減容を測ることが主要目的の一つとされている。特に、敷地内の廃棄物貯蔵スペースが問題となる原子力発電プラントにおいては、乾燥機を用いることにより発生する濃縮排液の水分を蒸発させて得られた残さ固形分の粉体化が行われる。この粉体化された濃縮排液は、セメントと混合されて固化されたり、プラスチックと混合されて固化されたり、造粒、ペレット化された後センメントやプラスチックで固化されたりして廃棄される。

また、原子炉の復水や排水を浄化する粒状イオン交換樹脂や粉末イオン交換樹脂、ろ過助剤などの小粒径の固体廃棄物は、脱水や乾燥処理後、セメントおよびプラスチックと混合されて固化処理されて廃棄される。

排液の乾燥処理は、体積を１／１０程度に減少できるため、廃棄物の減容という観点から非常に有用な単位操作である。従来、これらの乾燥処理には遠心薄膜乾燥機が多く用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

この遠心薄膜乾燥機は、主に排液の水分を蒸発・乾燥させる伝熱面を供えた縦長円筒状の伝熱胴、および固形化して伝熱面に付着した排液を掻き落とす回転ブレードを備えた回転シャフトを備える。また、伝熱胴上部には、排液を給液するための給液用配管が設けられる。排液は、給液用配管から遠心薄膜乾燥機内に供給された後、所定温度に加熱された伝熱面に触れ、水分の蒸発・乾燥が進行するに連れて固形化される。回転ブレードは、伝熱面上で固形化した排液を掻き取ることで粉体化して剥離させ、下方に落下させる。粉体化された排液は、最終的には機体下方に設けられた排出口より排出される。

従来、この遠心薄膜乾燥機の伝熱胴内面に発生する汚泥のスケーリングを防ぎ、伝熱効率の低下を回避する技術が知られている（例えば、特許文献２、３、４参照。）。

特開昭６４−３０６０１号公報 特開昭５７−２１９０１号公報 特開平１１−２４８３５３号公報 特開２０１１−３３２４１号公報

排液は給液用配管を経由して遠心薄膜乾燥機内に供給される。この給液用配管は、伝熱胴上部に設けられているため、排液を乾燥固化するための伝熱面からの熱により温度が上昇してしまう。このため、排液が伝熱胴内へ供給される前に、給液用配管の内部で排液が乾燥固化し、給液用配管が閉塞する可能性があるという課題があった。

この課題に対し、排液に添加物を添加するなどして改質を行い、給液用配管内面に対する排液の付着を抑制することが考えられる。また、給液配管の形状を工夫して、排液が乾燥固化しにくい構造とすることも考えられる。

しかし、現段階では排液の改質や給液用配管の形状変更では十分な効果が得られず、現実的な解決方法が得られないという実状があった。

また、給液用配管の内面に撥水性皮膜を形成することも検討されていたが、皮膜の耐性に課題があり、さらなる向上が望まれていた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、給液用配管表面における排液の乾燥固化に伴う閉塞を抑制することができる遠心薄膜乾燥機を提供することを目的とする。

遠心薄膜乾燥機において、処理液を加熱する伝熱面を備えた中空状の伝熱胴と、内管と外管とから構成される二重管であり、前記内管が撥水性材料から構成され、前記外管が金属で構成され前記内管を保持してなる内挿管と、前記伝熱胴内に前記処理液を導入する前記伝熱胴と一体形成された管台と、前記管台に対して着脱可能に内挿された前記内挿管で構成された処理液入口と、前記伝熱胴の軸心位置に配置された回転軸と、前記回転軸に放射状に設けられ、濃縮および乾燥により前記伝熱面に生成される前記処理液の粉体を掻き落とすブレードとを備え、前記処理液入口には、その内部を前記処理液が流通し、撥水性材料から構成される管が配置され、前記内挿管の処理液出口側端部は前記外管のみが配置されていることを特徴とする。

本発明に係る遠心薄膜乾燥機によれば、給液用配管表面における排液の乾燥固化に伴う閉塞を抑制し、乾燥効率を向上させることができる。

本実施形態における遠心薄膜乾燥機の全体的な構成を示す部分縦断面図。 図１の遠心薄膜乾燥機の領域IIの拡大断面図。 図２に示した伸長管の要部拡大断面図。 図２に示した伸長管の他の実施例を示す要部拡大断面図。

本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。本実施形態においては、本発明に係る遠心薄膜乾燥機を原子力発電プラントの稼働中に生成された放射性排液を薄膜状に乾燥させ、粉体化させる乾燥処理を行う場合に用いられる例を適用して説明する。なお、この遠心薄膜乾燥機は、原子力発電プラント以外の産業廃棄物処理施設などのプラント施設から発生する各種排液処理についても適用することができる。

図１は、本実施形態における遠心薄膜乾燥機の全体的な構成を示す部分縦断面図である。

遠心薄膜乾燥機１は、中空状の円筒形を有する伝熱胴１１を備える。また、伝熱胴１１の外側には、加熱ジャケット１２が設けられる。この加熱ジャケット１２には、外部に突出した加熱蒸気入口１３が上部位置に、外部に突出した蒸発ドレン排出口１４が下部位置に設けられる。

伝熱胴１１の内表面は、所定温度に加熱される伝熱面１５として機能する。伝熱面１５は、加熱蒸気入口１３から供給された加熱蒸気が供給されることにより、所定温度（例えば約１７０℃）に加熱される。

伝熱胴１１には、排液入口１６および蒸発蒸気出口１７が上部位置に設けられる。排液入口１６は、排液を伝熱胴１１の内部に導入するための給液口としての配管である。蒸発蒸気出口１７は、放射性排液（排液）の一部である蒸発した蒸気を排出させる排出口としての配管である。また、伝熱胴１１には、排液乾燥粉体排出口１８が下端位置に設けられる。この排液乾燥粉体排出口１８は、円錐コーン状で構成され、排液の乾燥によって生じる排液乾燥粉体を排出するための排出口である。

伝熱胴１１の中空部には、回転シャフト１９が配置される。回転シャフト１９は、図示上下方向に伸びた軸状に構成され、伝熱胴１１の軸心位置に配置される。回転シャフト１９は、図示しない駆動モータによって回転自在に構成される。

回転シャフト１９には、回転ブレード２０および分散環２１が設けられる。

回転ブレード２０は、回転ブレード取付座２２を介して回動自在に取り付けられる。また、回転ブレード２０は、回転シャフト１９の軸方向および周方向に放射状に整列されて配置される。回転ブレード２０の先端部は、それぞれ伝熱胴１１内面の伝熱面１５に対してわずかな間隙をあけて対向配置される。分散環２１は、排液入口１６に対して外周面を対向させて配置され、回転シャフト１９と一体回転可能に設けられる。分散環２１は、排液入口１６から供給される排液を円環状の外周面で反射させ、伝熱面１５に遠心方向に分散させるようになっている。

図２は、図１の遠心薄膜乾燥機１の領域IIの拡大断面図である。

遠心薄膜乾燥機１の排液入口１６は、排液入口管台３１およびこの排液入口管台３１に内挿される内挿管としての伸長管３２から構成され、この伸長管３２は内管４１と外管４２とから構成される二重管で構成されている。

排液入口管台３１は、伝熱胴１１に対して溶接などにより接合されて一体形成される。排液入口管台３１は、伝熱胴１１から外部に向かって突出した先端部に入口管台フランジ部３１ａを備える。この入口管台フランジ部３１ａには、排液を供給するための外部配管３３の外部配管フランジ部３３ａが、ボルト３５およびナット３６により着脱可能に連結される。

伸長管３２は、両端部が開口し、外部配管３３側から供給された排液を伝熱胴１１側に供給するための構成を有する。また、伸長管３２は、外部配管３３側に開口した端部３２ｂに伸長管フランジ部３２ａを有する。この伸長管フランジ部３２ａは、入口管台フランジ部３１ａと外部配管フランジ部３３ａとの接合面部に狭持固定される。狭持固定された伸長管フランジ部３２ａは、排液入口管台３１内に液密かつ強固に固定される。

伸長管３２は、排液入口管台３１よりも小さい所定径を有する配管である。伸長管３２は、排液入口管台３１に着脱自在となっている。伸長管３２の径は、伸長管３２を通流する排液の性状、流量を含む特性に対応して設定される。このため、伸長管３２は、遠心薄膜乾燥機１で取り扱う排液に応じて、適切な形状を有する配管に取替え自在に構成される。伸長管３２を取替え可能とすることで、遠心薄膜乾燥機１内には排液の特性に応じた排液の供給を可能とし、乾燥効率をより高めることができる。また、排液入口管台３１の内径は、排液に対応した各種の外径を有する伸長管３２が収容可能なように設定され、例えば従来の排液入口管台３１の内径よりも大径とされる。

伸長管３２は、内管４１がフッ素樹脂、外管４２が金属で構成される二重管からなる。内管４１および外管４２の厚みは、強度を保持し変形を防止するという観点から、それぞれ０．５ｍｍ以上が好ましく、また伸張管３２をよりコンパクトにして作業性を向上させるという観点からそれぞれ２ｍｍ以下が好ましい。

二重管の内側を構成する内管４１の材料は、少なくともフッ素樹脂であることが好ましい。フッ素樹脂は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニールエーテル共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体）などを適用することができる。耐熱性、撥水性、耐放射線性、耐アルカリ性の観点から、内管４１を構成するフッ素樹脂材料には、特にＰＦＡ（テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニールエーテル共重合体）が好適である。

内管４１を外管４２に固定する方法としては、例えば、外管４２の金属管端部（排液乾燥部入口部）の内表面にステンレス鋼の肉盛溶接を行いストッパーを形成することで対応できる。また、逆に外部配管３３側に開口した端部（排液乾燥部入口から離れた部分）３２ｂの内管４１側に突起あるいはフランジを設けストッパーとすることもできる。さらに外管４２内表面と内管４１外表面との間に無機接着材等の耐アルカリ性の優れた接着剤を塗布して内管４１を外管４２内に固定することもできる。

次に、本実施形態における遠心薄膜乾燥機１の乾燥処理運転時における作用について説明する。

原子力発電プラントの稼動中に生成され、図示しない排液貯蔵タンクに貯蔵された放射性排液は、排液入口１６から一定流量で伝熱胴１１内部に供給される。このとき、回転シャフト１９は図示しない駆動モータによって回転している。また、伝熱胴１１は、加熱ジャケット１２への蒸気供給により例えば１７０℃に加熱されている。

本実施形態において遠心薄膜乾燥機１に供給される放射性排液は、例えば、ホウ酸排液を水酸化ナトリウムで中和して生成したホウ酸ナトリウム系水溶液である。なお、本実施形態における遠心薄膜乾燥機１に供給される放射性排液は、ホウ酸ナトリウムを主成分とする排液に限らず、他の溶解性および不溶解性を持った成分を主成分とするものであっても適用可能である。

伝熱胴１１内部に導かれた放射性排液は、回転シャフト１９の上部位置であって、排液入口１６の近傍に設けられた分散環２１に付着し、遠心力によって伝熱面１５に分散される。

伝熱面１５に飛散した放射性排液は、重力によって伝熱面１５を流下する。このため、伝熱面１５には、放射性排液の薄膜が形成される。薄膜状に形成された放射性排液は、加熱蒸気入口１３から供給され、伝熱胴１１の外側に設けられた加熱ジャケット１２を流れる蒸気によって加熱される。放射性排液は、揮発成分の蒸発により濃縮されながら重力によってさらに流下する。

放射性排液由来の蒸発蒸気は、蒸発蒸気出口１７から排出され、図示しない蒸発蒸気処理装置によって処理される。また、蒸発蒸気により発生するドレンは、蒸発ドレン排出口１４から排出される。

回転シャフト１９に取り付けられた回転ブレード２０の先端部は、伝熱胴１１とわずかな間隙（例えば０．５ｍｍ程度）を有して回転する。伝熱胴１１に薄膜状に付着した放射性排液は、回転ブレード２０の先端部により掻き落とされて乾燥粉体となり、遠心薄膜乾燥機１内を降下して排液乾燥粉体排出口１８から排出される。

ここで、遠心薄膜乾燥機１においては、蒸気により加熱された伝熱胴１１の温度上昇に伴い、排液入口１６を構成する給液用配管までもが温度上昇される。また、排液が伝熱胴１１に供給される前に、排液が給液用配管の熱により配管内で乾燥固化してしまうという現象が発生する。これに伴い、給液用配管内部は乾燥固化した排液により閉塞され、十分な流量の排液を伝熱胴１１内部に供給することができない。ひいては、遠心薄膜乾燥機１の乾燥効率の低下につながる。

これに対し、本実施形態における遠心薄膜乾燥機１は、上述した問題点の発生を防止するため、排液入口１６を構成する排液入口管台３１に内挿された伸長管３２は、内管４１側がフッ素樹脂、外管４２側が金属からなる二重管であり、排液の流出力等による破れ等の破損が防止でき、供給された放射性廃棄物が給液用配管内に凝結物として付着することを好適に抑制し、排液を効率よく伝熱胴１１内部へ供給することができる。ここで、二重管の内側に配置するフッ素樹脂製の内管４１を外管４２側の金属管に固定する方法としては、図３に示すように金属管端部（排液乾燥部入口部）の内表面にステンレス鋼の肉盛溶接によりストッパー４３を形成する方法を用いた。

ここで、排液入口１６として排液入口管台３１に内挿された伸長管３２の内側にフッ素樹脂製の内管４１を配置したことによる排液の付着抑制効果を確認するため、フッ素樹脂としてのＰＦＡを内管に、ステンレス鋼を外管に配置した二重管を用いて試験を行った。管の厚みはそれぞれ１ｍｍとした。なお、排液としてホウ酸ナトリウム系水溶液を用いた。また、遠心薄膜乾燥機１は８時間の連続運転を行った。

この結果、ステンレス鋼のみからなる伸張管においては、排液の乾燥固化による閉塞が見られた。これに対し、フッ素樹脂の一種であるＰＦＡを内管に、ステンレス鋼を外管に配置した二重管を用いた遠心薄膜乾燥機１の伸長管３２においては、排液の乾燥固化による閉塞は見られず、良好な乾燥処理を行うことができた。

すなわち、内管にＰＦＡ等のフッ素樹脂を、外管にステンレス等の金属を配置した二重管を用いることにより、供給用配管内の乾燥固化を好適に抑制することができた。

この遠心薄膜乾燥機１によれば、遠心薄膜乾燥機１に排液を供給する排液入口１６を構成する給液用配管の内管にフッ素樹脂を配置することにより、排液入口１６の温度上昇に伴う排液の乾燥固化を好適に抑制することができる。このため、遠心薄膜乾燥機１は、乾燥効率を低下させることなく、好適に排液の乾燥処理を行うことができる。

また、配管に対する内管４１の形成により閉塞を抑制することができ、排液の改質や給液用配管の形状変更などに比べて簡便に効率よく効果を得ることができる。

なお、本実施形態における遠心薄膜乾燥機１は、排液入口１６の給液用配管（排液入口管台３１）内側に排液の特性に応じて取り替え可能な伸長管３２を内挿し、内管４１がＰＦＡ、外管４２がステンレス鋼の二重管を形成する例を説明した。しかし、内管４１が形成される配管は伸長管３２に限らず、伸長管３２を有しない管で構成された給液用配管の場合にはその給液用配管の内側に撥水性材料から成る管を配置してもよい。

さらに、伸長管３２において端部（排液乾燥部入口部）で排液由来の乾燥粉体または回転構造物によって削られる現象が内管４１に発生する可能性がある場合には図４に示すように当該現象が発生する可能性のある端部のみ内管４１を削除して外管４２のみとすることも可能である。

この場合、当該端部に排液の乾燥固化に伴う堆積物が生ずる可能性もあるが、端部のみであることから排液の流出力によって堆積しないことを確認しており、本発明の効果は十分得ることができる。

１ 遠心薄膜乾燥機
１１ 伝熱胴
１２ 加熱ジャケット
１３ 加熱蒸気入口
１４ 蒸発ドレン排出口
１５ 伝熱面
１６ 排液入口
１７ 蒸発蒸気出口
１８ 排液乾燥粉体排出口
１９ 回転シャフト
２０ 回転ブレード
２１ 分散環
２２ 回転ブレード取付座
３１ 排液入口管台
３１ａ 入口管台フランジ部
３２ 伸長管
３２ａ 伸長管フランジ部
３２ｂ 端部
３３ 外部配管
３３ａ 外部配管フランジ部
３５ ボルト
３６ ナット
４１ 内管
４２ 外管
４３ ストッパー

Claims (6)

1. 処理液を加熱する伝熱面を備えた中空状の伝熱胴と、
   内管と外管とから構成される二重管であり、前記内管が撥水性材料から構成され、前記外管が金属で構成され前記内管を保持してなる内挿管と、
   前記伝熱胴内に前記処理液を導入する前記伝熱胴と一体形成された管台と、前記管台に対して着脱可能に内挿された前記内挿管で構成された処理液入口と、
   前記伝熱胴の軸心位置に配置された回転軸と、
   前記回転軸に放射状に設けられ、濃縮および乾燥により前記伝熱面に生成される前記処理液の粉体を掻き落とすブレードとを備え、
   前記処理液入口には、その内部を前記処理液が流通し、撥水性材料から構成される管が配置され、
   前記内挿管の処理液出口側端部は前記外管のみが配置されていることを特徴とする遠心薄膜乾燥機。
2. 前記内挿管の処理液出口側の外管端部の内表面にはステンレス鋼の肉盛溶接による前記内管のストッパーを形成したことを特徴とする請求項１記載の遠心薄膜乾燥機。
3. 前記撥水性材料は、フッ素樹脂であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の遠心薄膜乾燥機。
4. 前記フッ素樹脂は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニールエーテル共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン-
   エチレン共重合体）から選択された一部材であることを特徴とする請求項３記載の遠心薄膜乾燥機。
5. 前記外管を構成する金属はステンレス鋼であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の遠心薄膜乾燥機。
6. 前記処理液は、原子力発電プラントで発生する放射性排液であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の遠心薄膜乾燥機。

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