JPH077102B2 - 廃棄物処理用溶融炉及びその加熱方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は、産業廃棄物、特に高レベル放射性廃棄物を
処理するための廃棄物処理用溶融炉及びその加熱方法に
関するものである。

＜従来の技術＞ 従来より、溶融ガラス中に廃棄物を投入して冷却し、廃
棄物入りのガラス固化物を得る方法が産業廃棄物、特に
高レベル放射性廃棄物を処理するために利用されてい
る。

このための従来のガラス溶融炉は溶融ガラスと接触する
壁材の種類により金属製溶融炉と耐火物製溶融炉の２種
類に大別される。

また、溶融ガラスを得るための加熱方法としては、通
常、金属製溶融炉に対しては中周波誘導加熱又は抵抗発
熱体の加熱により外部から加熱する方法（外部加熱方
法）とマイクロ波により内部のガラスを直接加熱する方
法（マイクロ波加熱方法）が採用され、耐火物製溶融炉
に対しては電極を用いて内部のガラスを通電加熱する通
電加熱方法が採用されている。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、従来の金属製溶融炉は、一般に溶融ガラ
スと接触する金属壁材が腐食し、また、この腐食が加熱
により促進されるため、使用寿命が短いという欠点があ
る。これに対し、耐火物製溶融炉は、例えばクロミア−
アルミナ系耐火レンガ等耐食性の高い壁材を選んで溶融
炉の使用寿命を延ばすことができるものの、使用寿命に
達した後の壁材等の二次廃棄物の発生量が多く、香港で
1987年11月29日から12月５日にわたって開催された1987
国際廃棄物管理会議の議事録（Proceedings of the
1987 International Waste Management Conferenc
e）の259頁に記載されたシー・ジー・ソンブレット（Ｃ
・Ｇ・Sombret）の‘放射性廃棄物に対して使用される
炉及び溶融装置（Melters and furnance equipment
used for radioactive waste conditioning）’
（以下、文献１と言う）において、この種の溶融炉で80
g/kg・ガラスの二次廃棄物発生量が報告されている。

他方、金属製溶融炉に採用されている前記外部加熱方法
の場合には、溶融するガラスと接触する壁面からの熱伝
達により内部のガラスに必要な熱量を与えるので、ある
処理能力以上では処理能力の増大に見合うだけ接触表面
積を増加することが難しく、１基当りの処理能力に限界
がある。例えば、前記文献１において報告されているフ
ランスの高レベル放射性廃棄物を処理するためのガラス
固化プラストの１基当りの最大処理能力は35kg・ガラス
/hrである。従って上記放射性廃棄物を工業的に処理す
るためには、溶融炉等を複数台設置する必要があり、溶
融炉等を複数台設けた場合には、運転操作が複雑化する
などの問題が生じる。

マイクロ波加熱方法の場合は、溶融炉が大型化すると炉
内に収容されているガラスの表面付近のみ加熱され、内
部のガラスを充分に溶融できず、この方法も放射性廃棄
物を工業的に処理する方法としては不適当である。

また、耐火物製溶融炉に採用されている通電加熱方法の
場合は、例えば原子力発電所の使用済燃料の再処理時に
発生する高レベル放射性廃棄物の処理において、この廃
棄物に含まれる白金族元素が溶融ガラスに難溶性の導電
性物質を形成して炉底に堆積し通電電流がこの導電性の
堆積物に集中して流れ、従ってこの導電性物質の堆積後
には電流効率が低下して廃棄物の処理性能が低下すると
いう問題がある。

この発明は上記問題点を解決するためにされたもので、
耐食性に優れ、従って使用寿命が長く、かつ、二次廃棄
物の発生量の少ない廃棄物処理用溶融炉並びに加熱効率
が良好で大量の廃棄物処理に適した該溶融炉の加熱方法
の提供を課題とする。

＜課題を解決するための手段＞ この発明は、上記課題を解決するため、ガラス原料及び
廃棄物の供給口、並びに廃棄物を含む溶融ガラスの排出
口が設けられた耐熱合金製の浴壁を有する円筒状の浴槽
中に該浴壁を対極とする加熱電極を配設し、かつ、該浴
壁の外側に空冷式の冷却手段を配設した廃棄物処理用溶
融炉、並びに冷却手段を作動して浴壁を冷却しながら加
熱電極と浴壁との間のガラスを通電加熱する前記溶融炉
の加熱方法を提供するものである。

また、前記溶融炉において、溶融ガラスの排出口の周辺
に加熱手段を配設し、例えば廃棄物を含む溶融ガラスを
排出口から取出す際に、浴槽底部に蓄積しているガラス
を加熱手段で排出口から流出可能に加熱することが好ま
しい。この加熱手段には、例えば誘導加熱用コイル又は
抵抗発熱体を具備したものが使用される。更に浴槽底部
の溶融ガラス浴壁にはの排出口に向う傾斜を設けること
が好ましい。

加熱電極としては冷却手段を内蔵した耐熱合金製の電極
が好ましい。

冷却手段には、例えば浴壁内面又は加熱電極表面を外壁
とする冷却空気の流路を設けたものが使用され、この場
合の流路の流入口から冷却空気が流入される。

更に浴槽上方に例えばマイクロ波照射用の電磁ホーンを
浴槽内部に設けて設け、前記通電加熱の際にこの電磁ホ
ーンで浴槽表面のガラス及び廃棄物を更に溶融温度以上
に加熱することが好ましい。

＜作 用＞ 本発明によれば、前記溶融炉の浴槽の供給口からガラス
及び廃棄物を炉内に供給し、浴壁と加熱電極との間のガ
ラスを通電加熱することにより廃棄物を含む溶融ガラス
が形成される。

また、この通電加熱の際に前記浴壁の外側及び所望によ
り加熱電極に内蔵された冷却手段により高温の溶融ガラ
スと接する耐熱合金製の電極表面は冷却され、低温に維
持される。この冷却手段に冷却空気の流路を設けたもの
を使用し、この流入口から冷却空気を供給した場合、こ
の冷却空気は浴壁及び加熱電極表面から熱を奪って昇温
し、この過程で浴壁及び加熱電極表面を冷却するととも
に、流出口から流出される際には、冷却空気の流入条
件、例えば温度、流量によりガラス原料及び廃棄物の溶
融を促進得る程度まで高温となる。

溶融ガラスの排出口の周辺に加熱手段を配設し、この加
熱手段で浴槽底部に蓄積しているガラスを加熱すること
により、このガラスの流動性が増加し、従って廃棄物及
び高レベル放射性廃棄物を処理した場合の溶融ガラスに
難溶性の導電性物質を含む溶融ガラスがスムーズに排出
口から排出される。

＜実 施 例＞ 以下に図面を参照してこの発明の実施例を示し、この発
明を更に具体的に説明する。

第1,2図は、この発明の廃棄物処理用溶融炉の一例を示
すもので、この溶融炉には、上端の縁1aが外側に突出し
た円筒状のガラス溶融化部分1bと、この下端から30゜〜
60゜の傾斜角で窄まり、先端にフリーズバルブ方式の溶
融ガラス排出ノズル２が設けられた溶融ガラス排出部分
1cとを有する耐熱合金製の浴槽１がその周囲に設けられ
た耐火物３及びこの耐火物３を収容する金属ケース４に
より支持されて垂直に固定されている。

この浴槽１の上端の縁1a上には絶縁材５を介して浴槽１
内にガラス原料及び廃棄物を供給するための供給口６及
び浴槽１内で発生したガスを排気するための排ガス口７
を有する上蓋８が設けられ、供給口６にはそれと嵌合す
る供給ノズル９が貫通して設けられている。また、上蓋
８の中央部には円形の開口が形成され、この開口を貫通
して下端の塞がった円筒状の耐熱合金製の加熱電極10が
上蓋８との間に絶縁材11を介して垂直に、かつ、その下
端が溶融ガラス中に位置するように嵌められているとと
もに、加熱交流電源12を介して浴槽１に電気的に接続さ
れている。

更に浴槽１のガラス溶融化部分1bの外側には、耐火物３
との間に溶融ガラス排出部分1cとの境を下端として浴槽
１に連設された円筒状の囲いと、この間に形成された空
間を内外両側空間に仕切る浴槽１の上端の縁1aから垂設
された邪魔板によって冷却空気の流路13が形成されてお
り、この流路13には、内外側空間の間に連通口が設けら
れ、また、外側空間に冷却空気を流入し、内側空間から
冷却空気を流出するための流入口13a及び流出口13bがそ
れぞれ浴槽１の上端の縁1a近くに設けられている。ま
た、加熱電極10の円筒内部にも、その内壁との間に空間
を有する管14が設けられ、この管14と、加熱電極10との
間の空間とからなる冷却空気の流路15及び後者の空間か
ら冷却空気を流出するための流出口15bが設けられてい
る。

他方、浴槽１の溶融ガラス排出部分1cと耐火物３との間
の部分及び溶融ガラス排出ノズル２の周囲には誘導加熱
用コイル又は抵抗発熱体からなる発熱体16が設けられ、
この発熱体16は図示されていない外部加熱電源に接続さ
れている。

以上の構成の廃棄物処理用溶融炉に、まず供給ノズル９
を通して浴槽１内の供給ノズル９の下方のガラス溶融化
部分1bと加熱電極10との間にガラス原料及び廃棄物を投
入する。

次いで、流路13の流入口13a及び流路15の流入口15a,即
ち加熱電極10内の管14の上部開口から冷却空気を流入し
ながら加熱交流電源12を印加すると、浴槽１のガラス溶
融化部分1b及び加熱電極10の表面がそれぞれ流路13及び
流路15を通る冷却空気により強制的に冷却されつつ、浴
槽１の浴壁と加熱電極10との間のガラスが通電され、そ
のジュール熱により溶融し、溶融ガラス中に廃棄物が取
込まれ、廃棄物を含有する溶融ガラスが形成される。ま
た、流路13及び流路15を通る冷却空気は浴槽１のガラス
溶融化部分1b及び加熱電極10から熱を奪って昇温し、そ
れぞれの流出口13b及び15bから流出する際には高温とな
る。他方、ガラス原料及び廃棄物が溶融される過程で浴
槽１内に生じたガスは排ガス口７から排出される。

上記過程で形成された廃棄物を含有する溶融ガラスを取
出す際には、図示されていない外部加熱電源により発熱
体16を発熱させる。すると、浴槽１の溶融ガラス排出部
分1c及び溶融ガラス排出ノズル２が発熱体16により加熱
され、内部の廃棄物を含むガラスが充分に溶融し、流動
性良く溶融ガラスノズル２から排出される。次いでこの
廃棄物を含む溶融ガラスはキャニスタと呼ばれる缶に注
入されて冷却固化した状態にて保管又は貯蔵される。

上述した廃棄物の処理において、浴槽１のガラス溶融化
部分1b及び加熱電極10の表面を冷却しながら浴槽１内の
ガラスを溶融する加熱方法が採用されているので、冷却
を行わない場合に比較して上記それぞれの電極表面の温
度が下がり、従って浴槽１内の雰囲気により腐食が抑制
される。即ち、電極間距離が短く、従って電流密度が高
く、浴槽１内でも高温となり易く、このため腐食の進行
に激しいガラスの詰まったガラス溶融化部分1bと対向す
る加熱電極10との間の電極表面の腐食が冷却により大幅
に抑制することができ、廃棄物処理用溶融炉は冷却を行
わない場合に比較して長寿命化する。

また、浴槽１及び加熱電極10には耐熱合金が使用されて
いるので、耐火物製の浴槽を用いた溶融炉に比較して上
記構成の溶融炉は二次廃棄物の発生量が少ない。

更に、浴槽１の内壁と加熱電極10の相互の表面の間の全
てのガラスに通電加熱が行われ、かつ、加熱電極10が溶
融するガラス中に配置されているため、浴槽１及び加熱
電極10の形状及び大きさ、相互の間の電極間距離及び加
熱交流電源のパワー等を適宜選定することにより溶融炉
１基当りの処理能力を高めることができる。

更にまた、白金族元素を含む高レベル放射性廃棄物の処
理を行う場合においても、浴槽１の溶融ガラス排出部分
1cに30゜〜60゜の傾斜が設けられ、かつ、この部分及び
溶融ガラス排出ノズル２内のガラスが発熱体16を用いて
加熱することにより充分に溶融し、前記廃棄物から生成
した難溶性の導電性物質が溶融ガラスとともにスムーズ
に浴槽１外に排出されるため、この導電性物質の堆積に
よる電流効率、従って加熱効率の低下が防止される。

加えて、耐火物３が浴槽１の周囲に設けられているの
で、万一、浴槽１が損壊し、溶融ガラスが浴槽１から漏
洩してもこの溶融ガラスは耐火物３により保持されるの
で安全である。また、浴槽１の上端の縁1aと上蓋８及び
上蓋８と加熱電極10との間の絶縁材５及び11により浴槽
1,上蓋８及び加熱電極10のそれぞれの電気的接触が防止
され、従って電気的短絡が生じることはない。更に流路
13を流れる冷却空気の流入条件、例えば温度、流量を適
当に調整することにより、浴槽１内のガラス表面近くの
流路13を流れる空気の温度をガラス原料及び廃棄物の溶
融を促進し得る程度まで高温とすることができ、この高
温空気からの輻射熱を前記表面のガラス原料及び廃棄物
の溶融に利用することにより更に溶融炉１基当りの処理
能力を高めることもできる。

更に、この発明の溶融炉は、例えば１基当りの処理能力
を高めるため複数の加熱電極を設けたり、あるいは上蓋
８にマイクロ波照射用の電磁ホーン17を設け、溶融ガラ
スの形成のための前記通電加熱に加えてマイクロ波を浴
槽１内のガラス表面に照射することもでき、また、前記
通電加熱と発熱体16による浴槽１の溶融ガラス排出部分
1cの加熱とを同時に行ってもよく、この発明の特許請求
の範囲を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

＜発明の効果＞ 以上の説明から明らかなようにこの発明の廃棄物処理溶
融炉は、耐熱合金製の浴壁を有する浴槽中に該浴壁を対
極とする加熱電極が配設されているので、該浴壁と加熱
電極の相互の表面の間の全てのガラスに通電加熱が行わ
れ、かつ、加熱電極が溶融するガラス中に配置されてい
るため、溶融炉１基当りの処理能力を高めることがで
き、浴槽、従って溶融炉の小型化を可能とするものであ
る。また、該浴壁の外側に冷却手段が配設され、加えて
冷却手段により該浴壁を冷却しながら加熱電極と溶融ガ
ラス浴壁との間のガラスを通電加熱する方法が用いられ
るので、浴壁が冷却され、このため浴槽１内の雰囲気に
よる腐食が抑制され、浴槽、従って溶融炉が長寿命化す
る。更に浴槽の浴壁が耐熱合金でできており、浴槽が寿
命に達した時は浴槽のみを交換すればよいので耐火物製
のものに比較して二次廃棄物の発生量が少ない。

従って、この発明によれば、１基の溶融炉で長期間にわ
たり大量の廃棄物処理が可能となり、寿命の後の浴槽等
の二次廃棄物の処理に必要とされる労力及び費用の低減
が行えるものである。

更に、溶融ガラスの排出口の周辺に加熱手段を配設した
り、浴槽底部の溶融ガラスに溶融ガラスの排出口に向う
傾斜を設け、浴槽底部に蓄積しているガラスを該加熱手
段で排出口から流出可能に加熱した場合、白金族元素を
含む高レベル放射性廃棄物を処理する場合でも、この廃
棄物から生成する難溶性の導電性物質が溶融ガラスとと
もにスムーズに浴槽外に排出されるため、この導電性物
質の堆積による電流効率の低下が防止され、従って加熱
効率の向上がなされる。

また、浴壁および加熱電極の冷却手段を空冷式としたた
め、水冷式の冷却手段に比べて次のような利点がある。
すなわち水冷式の冷却手段を使用した場合には、電極が
損耗すると冷却水が電極から溶融ガラス内に漏出する。
このとき水は水蒸気となって急激に膨脹し、溶融炉内の
圧力を上昇させる。一般的には、溶融物の粘性が低いと
水蒸気爆発と呼ばれる現象が発生することも知られてい
る。この場合、溶融物を内包する構造物の強度によって
は構造物が損傷するおそれがある。かような水冷式の冷
却手段を放射性廃棄物処理用の溶融炉に適用すると、溶
融炉の構造により高い強度が求められ、溶融炉のコスト
と重量が増大するので好ましくない。冷却手段を空冷式
とすることによって上記のごとき危険を確実に防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の廃棄物処理用溶融炉の一例を示す
垂直断面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線の水平断面図で
ある。 １……浴槽、２……溶融ガラス排出ノズル、６……供給
口、９……供給ノズル、10……加熱電極、12……加熱交
流電源、13,15……流路、16……発熱体。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガラス原料及び廃棄物の供給口、並びに廃
   棄物を含む溶融ガラスの排出口が設けられた耐熱合金製
   の浴壁を有する円筒状の浴槽中に該浴壁を対極とする加
   熱電極を配設し、かつ、該浴壁の外側に空冷式の冷却手
   段を配設したことを特徴とする廃棄物処理用溶融炉。
2. 【請求項２】溶融ガラスの排出口の周辺に加熱手段を配
   設した請求項１記載の溶融炉。
3. 【請求項３】加熱手段が、誘導加熱用コイル又は抵抗発
   熱体を具備したものである請求項２記載の溶融炉。
4. 【請求項４】浴槽底部の浴壁に溶融ガラスの排出口に向
   う傾斜を設けた請求項１ないし３のいずれか１項記載の
   溶融炉。
5. 【請求項５】加熱電極が、空冷式の冷却手段を内蔵した
   耐熱合金製の電極である請求項１ないし４のいずれか１
   項記載の溶融炉。
6. 【請求項６】空冷式の冷却手段が、浴壁内面又は加熱電
   極表面を外壁とする冷却空気の流路を設けたものである
   請求項１ないし５のいずれか１項記載の溶融炉。
7. 【請求項７】冷却手段を作動して浴壁を冷却しながら加
   熱電極と浴壁との間のガラスを通電加熱する請求項１記
   載の溶融炉の加熱方法。
8. 【請求項８】浴槽底部に蓄積している溶融ガラスを請求
   項２記載の加熱手段で排出口から流出可能な温度に加熱
   する請求項７記載の溶融炉の加熱方法。
9. 【請求項９】冷却空気の流路の流入口から冷却空気を流
   入する請求項６記載の溶融炉の請求項７記載の加熱方
   法。
10. 【請求項１０】請求項１ないし６のいずれか１項記載の
    溶融炉の浴槽上方にマイクロ波照射用の電極ホーンを浴
    槽内部に向けて設け、該電極ホーンから浴槽表面のガラ
    ス及び廃棄物を更に加熱する請求項７記載の加熱方法。