JPH1152095A

JPH1152095A - 廃棄物の分離装置および分離方法

Info

Publication number: JPH1152095A
Application number: JP20641197A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Tanaka; 努田中; Seiji Furuhashi; 誠治古橋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 1999-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】特開平８−120356号公報記載の装置では、低
密度溶融層を確実に系外に排出するとともに、低密度溶
融層と高密度溶融層との分離を確実に行うことができな
かった。【解決手段】上坩堝兼用コイル22と下坩堝23とからな
る坩堝21と、多重螺旋コイル30と、材料供給装置40と、
引抜き装置50と、非接触補助加熱装置60と、静磁場発生
装置70とを備え、さらに、上坩堝兼用コイル22の側面で
あって低密度溶融層Ｍ₁の上部自由表面Ｍ₁'を含む位置
に低密度溶融層Ｍ₁を外部へ流出させる開断面構造の分
取路27が取り付けられるとともに、上坩堝兼用コイル22
の内部であって上部自由表面Ｍ₁'を含む位置に、低密度
溶融層Ｍ₁へ供給された廃棄物41が直接に分取路27へ流
出することを防止する自己冷却機能を有する整流部材28
が配置される。これにより、低密度溶融層Ｍ₁と高密度
溶融層とＭ₂との分離と、低密度溶融層Ｍ₁の系外への
連続的な排出とを確実に行いながら、廃棄物41を複数の
溶融体に分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物、窒化物ま
たは炭化物と金属とからなる、汚染された廃棄物の体積
の減少、金属と酸化物、窒化物または炭化物との分離、
さらには分離したそれぞれの固定を行う廃棄物の分離装
置および分離方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】主に、酸化物、窒化物または炭化物 (以
下、本明細書においては「酸化物」を例にとる) と金属
との固化体からなる汚染された廃棄物を溶融し、体積減
少を図りながら処理を行う装置として、米国リテック社
(Retech, Inc. カリフォルニア州ユカヤ) が開発した回
転炉床式プラズマ溶融炉 (ＰＡＣＴ) が、例えば、Jour
nal of the RANDEC No.9(12,1993) 等により、説明され
ている。

【０００３】図３は、このＰＡＣＴ１の構造を示す説明
図である。同図に示すように、ＰＡＣＴ１は、底部中央
に溶湯およびガスの排出口2aを有する鋼製円筒状の回転
炉２、回転炉２を覆う水冷二重壁３、処理対象物に着火
するプラズマトーチ４、回転炉２の下方に設置されるガ
ス／スラグ分離室5aおよびスラグ除去室5b、ガス／スラ
グ分離室5aに連通する２次燃焼室６、回転炉２内へ処理
対象物を供給するドラムフィーダー７、ガス／スラグ分
離室5aを流下する溶融物を受けるスラグコンテナ８等を
備える。

【０００４】操業に際しては、回転炉２内へドラムフィ
ーダー７から処理対象物を供給し、回転炉２を約40rpm
で回転させ、プラズマトーチ４を回転炉２の排出口2aに
周状に設けられた初期着火用リングに近づけプラズマア
ークを着火し、炉内温度上昇とともに処理対象物を溶融
する。溶融された処理対象物は、回転炉２の内部炉壁に
遠心力により押し付けられる。溶融完了後に回転炉２の
回転数を落とすことにより、溶湯が回転炉２の排出口2a
から、ガス／スラグ分離室5aを介してスラグコンテナ８
に収容され、冷却されて固化体として回収される。

【０００５】このように、ＰＡＣＴ１は、回転炉２に処
理対象物を装入し、プラズマアークを発生させて処理対
象物を溶融して体積減少を図りながら処理する溶融炉で
あり、遠心力を溶融状態の処理対象物に作用させるた
めに均一に攪拌することができ、得られる固化体は均質
かつ安定な性状となること、処理対象物の形態に関す
る自由度が大きいこと、回転炉２の回転数調整により
出湯を行うため、特殊な弁機構や炉の傾動機構といった
複雑な機構を必要としないことといった特徴を有する。

【０００６】しかし、処理対象物が、汚染された廃棄
物、特に放射能汚染された廃棄物である場合、このＰＡ
ＣＴ１を用いると次のような問題(1) 〜(3) が生じる。

【０００７】(1) 回転炉２の内張りには耐火物を用いる
ことから不可避的に熱損傷が発生するため、定期的に内
張り交換を行う必要がある。特に、処理対象物が放射能
汚染された廃棄物である場合には、内張り交換時に発生
する使用済みの耐火物も２次汚染廃棄物となるため、さ
らに別工程で処理する必要が生じる。

【０００８】(2) プラズマアークを発生させる必要性か
らArガス等のキャリアガスをプラズマトーチ４に供給す
るため、その排ガス処理設備を大型化することが必要に
なるとともに、ガスの顕熱として失われるエネルギー量
が大きく、エネルギー効率が低い。

【０００９】(3) プラズマトーチ４は消耗品であるため
に定期交換を行う必要があるが、特に、処理対象物が放
射能汚染された廃棄物である場合には、プラズマトーチ
４の交換操作を遠隔で行う必要が生じ、装置が複雑化す
る。

【００１０】これらの問題(1) 〜(3) を解決し、汚染さ
れた廃棄物を処理することができる装置として、本発明
者らは先に特開平８−120356号公報記載の「層分離・相
変化装置」を提案した。図４は、この提案にかかる層分
離・相変化装置10の構成を示す説明図である。

【００１１】同図に示すように、この提案にかかる層分
離・相変化装置10では、同一内径かつ中空円筒状であっ
て周囲に流水路 11a、12a を配設された上部坩堝11、下
部坩堝12が、上下に互いに離間して設置されて、中空柱
状の自己冷却機能を有する坩堝が構成される。上部坩堝
11の高さ方向略中央部には上部坩堝11に連通するととも
に周囲に流水路13a を有する分取管13が接続される。さ
らに、上部坩堝11の高さ方向略全長、下部坩堝12の高さ
方向略中央部より上側には、高周波発振器16、17から高
周波電流を供給される誘導コイル14、15が巻き付けられ
て装着される。

【００１２】まず、下部坩堝12内に、下部坩堝12の内径
と略同一外径の円筒状の母材Ｍを挿入するとともに、上
部坩堝11の上方に設置された振動フィーダ18から、汚染
された廃棄物を上部坩堝11を介して、母材Ｍの上部に投
入する。そして、誘導コイル14、15に高周波電流を供給
すると、母材Ｍは誘導コイル15に誘導加熱されて、その
上部に電磁攪拌されるドーム状の溶湯プールＰが形成さ
れる。投入された廃棄物は、この溶湯プールＰに接触し
ているため、溶湯プールＰからの熱量により加熱溶融さ
れ、さらに温度上昇に伴って誘導コイル14により誘導加
熱されて溶融攪拌される。

【００１３】これにより、廃棄物は、重力により密度に
応じて、上層：低密度溶融層19a(酸化物等) 、下層：高
密度溶融層19b(金属) に分離される。分離された高密度
溶融層19b は下方に引き抜かれる母材Ｍとともに下方に
移動し、誘導コイル15が巻かれていない部分において冷
却されて高密度固化体とされて下部坩堝12の外部へ引き
抜かれる。一方、分離された低密度溶融層19a は分取管
13を介して層分離・相変化装置10の外部へ流出され、そ
の後に冷却されて低密度固化体とされる。

【００１４】このように、この層分離・相変化装置10
は、略鉛直方向に設置された円筒状の坩堝11、12内で廃
棄物を溶融することにより、廃棄物を構成する金属およ
び酸化物それぞれの密度の違いを利用して、低密度溶融
層19a 、高密度溶融層19b に分離し、低密度溶融層19a
を分取管13から排出させて低密度固化体とするものであ
る。

【００１５】特に、この提案にかかる層分離・相変化装
置10では、高密度溶融層19b に発生するジュール熱を伝
導伝熱により低密度溶融層19a へ伝播して低密度溶融層
19aの溶融促進を図るものであり、エネルギー効率の点
からも優れる装置である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、この特
開平８−120356号公報により提案した層分離・相変化装
置10のよりいっそうの性能・効率向上を目指してさらに
研究を重ねた結果、この装置10には、以下に列記する課
題(i) および(ii)が存在することが、新たに判明した。

【００１７】(i) 周囲に流水路13a を有する分取管13を
介して低密度溶融層19a を取り出す際に、分取管13の内
部において、低密度溶融層19a が急冷されて凝固し、分
取管13を閉塞して低密度溶融層19a を外部へ取り出すこ
とができなくなってしまうおそれがある。

【００１８】(ii)低密度溶融層19a の上部自由表面19a'
近傍における温度低下や、低密度溶融層19a と高密度溶
融層19b との界面19c の形状の不安定に起因して、一旦
分離した高密度溶融層19b へ低密度溶融層19a の一部が
再度混入し、高密度溶融層19bと低密度溶融層19a とを
確実に分離することができないおそれがある。

【００１９】これらの課題は、特開平８−120356号公報
により提案した層分離・相変化装置10の本質的効果を減
殺してしまう実用上極めて大きな課題であり、根本的対
策を講じる必要がある。

【００２０】ここに、本発明の目的は、特開平８−1203
56号公報により提案した層分離・相変化装置に内在する
新たな課題を解決し、低密度溶融層を確実に系外に排出
するとともに、低密度溶融層と高密度溶融層との分離を
確実に行うことができる廃棄物の分離技術を提供するこ
とである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、縦向きに配置
されて内部に汚染された廃棄物を挿入される中空柱状の
自己冷却機能を有する坩堝と、装入された廃棄物を加熱
して坩堝内に密度が異なる複数の溶融層を形成する加熱
機構とを備え、廃棄物を複数の溶融体に分離する廃棄物
の分離装置であって、坩堝の側面であって複数の溶融層
のうちで最上部に位置する低密度溶融層の上部自由表面
を含む位置には、低密度溶融層を坩堝外へ流出させる開
断面構造の分取路が取り付けられるとともに、坩堝の内
部であって低密度溶融層の上部自由表面を含む位置に
は、低密度溶融層へ供給された廃棄物が直接に分取路へ
流出することを防止する自己冷却機能を有する整流部材
が配置されることを特徴とする。

【００２２】上記の本発明にかかる廃棄物の分離装置で
は、加熱機構が、低密度溶融層が形成される範囲を誘導
加熱する第１の誘導加熱機構と、低密度溶融層の下方に
おける高密度溶融層が形成される範囲を誘導加熱する第
２の誘導加熱機構とを有することを、例示できる。

【００２３】上記の本発明にかかる廃棄物の分離装置で
は、さらに、坩堝の上方に離間して設置されて低密度溶
融層の上部自由表面を加熱する非接触補助加熱装置を備
えることが、処理速度の上昇を図るためには、望まし
い。

【００２４】上記の本発明にかかる廃棄物の分離装置で
は、さらに、坩堝の周囲に離間して設置されて低密度溶
融層および高密度溶融層の運動を抑制する静磁場発生装
置を備えることが、低密度溶融層および高密度溶融層を
確実に分離するためには、望ましい。

【００２５】別の観点からは、本発明は、縦向きに配置
される中空柱状の自己冷却機能を有する坩堝に汚染され
た廃棄物を装入し、廃棄物に加熱を行って溶解して、坩
堝内に密度が異なる複数の溶融層を形成することによ
り、廃棄物を複数の溶融体に分離する廃棄物の分離方法
であって、複数の溶融層のうちで最上部に位置する低密
度溶融層を、その上部自由表面を含む位置に設置された
開断面構造型の分取路を介して、坩堝の外部に流出させ
ることを特徴とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる廃棄物の分
離装置および分離方法の一実施形態を、添付図面を参照
しながら詳細に説明する。

【００２７】図１は、本実施形態の廃棄物分離装置20の
構造を示す縦説明図であり、図２は、この廃棄物分離装
置20の要部を抽出するとともに一部を破断した状態で示
す斜視図である。

【００２８】廃棄物分離装置20は、内部に廃棄物を収容
して溶解する坩堝21と、坩堝21に収容された廃棄物に高
周波電流を通電する多重螺旋コイル30と、坩堝21内に廃
棄物41を供給する材料供給装置40と、下方へ高密度固化
体を引き抜く引抜き装置50とを主たる構成要素とする。
以下、これらの構成要素について分説する。

【００２９】[坩堝21]本実施形態では、この坩堝21は、
重力が作用する方向 (上下方向) に沿って配置された上
坩堝を兼ねるコイル（以下、本明細書においては「上坩
堝兼用コイル」という。）22、下坩堝23により構成され
る。上坩堝兼用コイル22、下坩堝23は、ともに、同一の
内径を有する中空円柱状を呈しており、上坩堝兼用コイ
ル22の上部開口は入口22a をなすとともに下部開口は出
口22b をなし、一方、下坩堝２３の上部開口は入口２３
ａをなすとともに下部開口は出口23b をなし、それぞ
れが上下方向に直列に配置される。

【００３０】本実施形態では、上坩堝兼用コイル22の出
口22b と下坩堝23の入口23a とが適宜手段により直接接
続されて坩堝21を構成しているが、上坩堝兼用コイル22
の出口22b と下坩堝23の入口23a との間に、例えば中空
円柱状の絶縁壁を介在させて、間接的に接続するように
構成してもよい。

【００３１】また、本実施形態では、図２に示すよう
に、上坩堝兼用コイル22の壁面は概ね重力が作用する方
向に沿って１箇所のみ絶縁性スリットを有する導電性の
巻板24の外周面に、往復状に屈曲した水冷管25を溶接す
ることにより、構成される。また、巻き板24には高周波
電源24' が接続されており、上坩堝兼用コイル22内の略
水平面内において、概ね0.05〜5000kHz の交流電流を通
電可能に、構成してある。これにより、上坩堝兼用コイ
ル22において、低密度溶融層Ｍ₁が形成される。

【００３２】なお、本実施形態以外の上坩堝兼用コイル
22の構造としては、中空の水冷管を螺旋状にほぼ隙間な
く巻いて積層状に積み上げることにより、水冷管により
坩堝を兼ねる構造を例示することができ、この場合に
は、水冷管を端子として交流電流が直接的に通電され
る。いずれの構造にしても、縦向きに配置されて内部に
汚染された廃棄物を挿入されるとともに内部の廃棄物へ
交流電流を通電することができる、中空柱状の自己冷却
機能を有する上坩堝兼用コイル22が構成される。

【００３３】上坩堝兼用コイル22の壁面のうちで入口22
a を含む一部には、巻板24の一部が略矩形に切り欠かれ
ることにより、第２出口26が形成される。この第２出口
26は、後述するように低密度溶融層Ｍ₁の排出口であ
り、第２出口26の底辺が、上坩堝兼用コイル22内に存在
する低密度溶融層Ｍ₁の上部自由表面よりも低い位置に
なるように、形成される。

【００３４】第２出口26の開口面積は、上坩堝兼用コイ
ル22に形成される低密度溶融層Ｍ_１の最大形成速度を排
出速度が上回ることができる程度に、設定される。ま
た、第２出口２６の形状は、本実施形態では略矩形とし
たが、かかる態様に限定されるものではなく、円弧状、
多角形状等の変形が可能である。

【００３５】第２出口26の外面には、分取路27が適宜手
段により固定される。この分取路27は、第２出口26を介
して流出してくる低密度溶融層Ｍ₁を外部へ流出させる
ための排出路であり、第２出口26の開口に隙間なく接続
固定される。

【００３６】分取路27は、上部が開口した断面溝形の開
断面構造を呈する。これにより、分取路27内における低
密度溶融層Ｍ₁の凝固およびこの凝固に伴う閉塞が防止
され、低密度溶融層Ｍ₁を確実に外部へ連続的に排出す
ることができる。

【００３７】なお、内部における低密度溶融層Ｍ₁の排
出を確実にするため、分取路27は下方向きに傾斜して配
置しておくことが望ましい。また、本実施形態では、分
取路27の断面形状は溝形としているが、かかる態様に限
定されるものではなく、第２出口26の開口形状と同様の
変形が可能である。

【００３８】本実施形態では、第２出口26および分取路
27を介して、上坩堝兼用コイル22内に形成される低密度
溶融層Ｍ₁は、その上部自由表面Ｍ₁'側から外部へ向け
て流出して排出される。

【００３９】さらに、上坩堝兼用コイル22の内部であっ
て第２出口26の近傍には、図示しない適宜の支持手段に
より支持された冷却壁28が、整流部材の一例であるじゃ
ま板として配置される。冷却壁28は、図示しない自己冷
却機能により低密度溶融層Ｍ₁との接触により熱損傷が
最小限になるように抑制されており、この冷却壁28によ
り、入口22a および第２出口26が区画される。

【００４０】冷却壁28は、第２出口26から、低密度溶融
層Ｍ₁の上部自由表面Ｍ₁'へ後述する材料供給装置40か
ら供給される廃棄物41の最小粒径よりも少し小さな距離
だけ、離れて、低密度溶融層Ｍ₁の上部自由表面Ｍ₁'を
含む高さに設置される。これにより、低密度溶融層Ｍ₁
に供給される廃棄物41が、低密度溶融層Ｍ₁の上部自由
表面Ｍ₁'を浮遊して第２出口26から直接排出されること
が防止される。

【００４１】なお、冷却壁28の自己冷却機能としては、
例えば、内部に冷却水が循環する流路を埋設された構造
を例示できる。一方、下坩堝23の壁面は、重力が作用す
る方向 (上下方向) に沿って絶縁機能を有するスリット
29a が所定の範囲 (本実施形態では、下坩堝23の上端か
ら下方に向けて下坩堝23の全長の約4/5 程度の範囲) に
設けられることにより区画された多数のセグメント29b
が、円周状に連接されることにより、構成される。各セ
グメント29b 内には水冷管29c が埋設されており、各セ
グメント29b 毎に冷却可能に構成されている。

【００４２】このようにして、本実施形態では、上坩堝
兼用コイル22および下坩堝23により、縦向きに配置され
て内部に汚染された廃棄物41を挿入される中空円柱状の
自己冷却機能を有する坩堝21が構成される。

【００４３】[多重螺旋コイル30]さらに、下坩堝23の上
端部から途中部に相当する範囲 (本実施形態では、下坩
堝23の上端側から下方に向けて下坩堝23の全長の約2/3
程度の範囲) の外面には、離間して、多重螺旋コイル30
が積層された状態で配置される。この範囲は、高密度溶
融層Ｍ₂が形成される範囲である。すなわち、下坩堝23
の高さよりも多重螺旋コイル30の積層高さは、短く設定
される。

【００４４】この多重螺旋コイル30には、高周波電源3
0' が接続されており、概ね0.1 〜100kHzの周波数の高
周波電流を多重螺旋コイル30に供給することにより、下
坩堝23の内部に配置される母材Ｍを誘導加熱し、母材Ｍ
の上部に高密度溶融層Ｍ₂を形成することができる。

【００４５】このようにして、本実施形態では、高周波
電源30' から高周波電流を供給されて高密度溶融層Ｍ₂
を形成する多重螺旋コイル30と、高周波電源24' から高
周波電流を供給されて低密度溶融層Ｍ₁を形成する巻板
24とにより、加熱機構31が構成される。

【００４６】[材料供給装置40]上坩堝兼用コイル22の上
方に離間して、廃棄物41を上坩堝兼用コイル22の内部へ
供給するための材料供給装置40が設置されている。この
材料供給装置40は、適宜寸法に調整された廃棄物41を供
給することができる装置であればよく、特定のものには
限定されない。例えば、振動フィーダーを例示すること
ができる。

【００４７】[引抜き装置50]下坩堝23の下方には、下坩
堝23に挿入された母材Ｍと、この母材Ｍに高密度溶融層
Ｍ₂が凝着して形成される高密度固化体とを引き抜くた
めの引き抜き装置50が設置される。この引抜き装置50
は、母材Ｍの外径と略同距離だけ離間して配置される一
対の駆動ローラ 51a、51b からなる。

【００４８】本実施形態の廃棄物分離装置20は、以上の
ように構成される。なお、図示していないが、廃棄物分
離装置20を、高密度溶融層Ｍ₂、低密度溶融層Ｍ₁と接
触する部分を加熱、減圧あるいはAr等の雰囲気ガスに調
整することができるチャンバーの内部に収容するように
してもよい。

【００４９】さらに、本実施形態の廃棄物分離装置20で
は、これらの主要素に加えて、非接触補助加熱装置60と
静磁場発生装置70とが任意要素として、設置される。以
下、これらについても説明する。

【００５０】[非接触補助加熱装置60]上坩堝兼用コイル
22の入口22a の上方には、ある一定距離離間して非接触
補助加熱装置60が配置される。この非接触補助加熱装置
60は、廃棄物41の種類によっては低密度溶融層Ｍ₁自身
が溶融するのに充分なジュール熱を発生できない場合が
あり、このような場合に廃棄物41を補助的に非接触で加
熱して低密度溶融層Ｍ₁を確実に形成するために、使用
される。

【００５１】本実施形態では、非接触補助加熱装置60と
してプラズマを用いたものを使用したが、低密度溶融層
Ｍ₁を非接触状態で加熱することができるものであれば
よく、例えばマイクロ波や輻射加熱等を用いたであって
もよい。

【００５２】[静磁場発生装置70]坩堝21の外周部には、
静磁場発生装置である静磁場発生コイル18が配置されて
いる。すなわち、巻き板24および多重螺旋コイル30に高
い周波数の交流電流を供給すると、特に低密度溶融体Ｍ
₁の加熱を促進する上では有利となる反面、高電圧に起
因するスパークや給電損失が避けられない。このような
場合には、比較的低い周波数の交流電圧を供給するが、
今度は電磁攪拌が顕著になり、低密度溶融層Ｍ₁と高密
度溶融層Ｍ₂との界面を安定に維持することが困難にな
って両者が混合するおそれがある。

【００５３】そこで、特に、低密度溶融層Ｍ₁と高密度
溶融Ｍ₂との境界において、界面の乱れに起因した両相
の混合を抑制するために、低密度溶融層Ｍ₁や高密度溶
融層Ｍ₂といった液体金属の運動を抑制する作用がある
静磁場発生コイル70、例えば超伝導磁石を用いて、境界
面を安定させる。

【００５４】次に、本実施形態の廃棄物分離装置20によ
り、汚染された廃棄物41の減容、金属と酸化物との相分
離、さらにはそれぞれの固定について、経時的に説明す
る。

【００５５】初めに、上坩堝兼用コイル22、下坩堝23、
多重螺旋コイル30といった被加熱部分に、冷却水を供給
して、所定の冷却状態としておく。さらに、廃棄物分離
装置20を前述のチャンバー内に収容した場合には、高密
度溶融層Ｍ₂、低密度溶融層Ｍ₁との接触部分は、加
圧、減圧あるいはAr等の雰囲気ガスに調整しておく。

【００５６】この状態で、下坩堝23内に、出口23b から
下坩堝23の内径に略等しい外径を有する円柱状の金属で
ある母材Ｍを挿入する。母材Ｍの挿入は、下坩堝23の先
端が下坩堝23の入口23a に到達するまで、行う。

【００５７】母材Ｍを下坩堝23に挿入した後、材料供給
装置40から廃棄物41を上坩堝兼用コイル22内へ投入し、
母材Ｍの上へ所定量だけ装入する。廃棄物41は、一般的
に、金属と酸化物との混合体であるが、単一相ではな
く、溶融過程で還元反応等が進行し金属が得られる廃棄
物、あるいは還元反応が進行しない場合には金属と酸化
物との混合体が得られる廃棄物を用いることができる。
さらに、必要に応じて、廃棄物41とともに、還元剤、還
元ガスあるいは酸化ガス等の補助材料を併せて装入して
もよい。

【００５８】このようにして廃棄物処理の前準備を行
い、上坩堝兼用コイル22および多重螺旋コイル30に、そ
れぞれ高周波電流を供給する。すると、最初に母材Ｍが
誘導加熱され、その上部は溶融して高密度溶融層Ｍ₂を
形成するとともに、電磁気力および重力の作用により高
密度溶融層Ｍ₂はドーム状に隆起する。

【００５９】高密度溶融層Ｍ₂は、さらに誘導加熱され
て昇温し、高密度溶融層Ｍ₂の上方に存在する廃棄物41
を伝導伝熱により加熱・溶融する。廃棄物41の昇温が行
われると、特にイオンが電気伝導の主要な役割を演ずる
低密度溶融層Ｍ₁の電気伝導度が高まり、廃棄物41はや
がて上坩堝兼用コイル22により誘導加熱も行われるため
に一層顕著に昇温する。これにより、上坩堝兼用コイル
22の内部に低密度溶融層Ｍ₁が形成されることになる。

【００６０】すなわち、本実施形態の廃棄物分離装置20
では、高周波電磁場を形成するため、母材 (金属) Ｍに
電磁気力を作用させるため溶融した母材Ｍは坩堝21の中
心に集まるとともに、ジュール熱が発生する。このジュ
ール熱で母材Ｍがさらに溶融して高密度溶融層Ｍ₂が形
成されると、電磁気力および重力のために高密度溶融層
Ｍ₂はドーム状に隆起して、一部に坩堝21とは非接触と
なる領域が現れる。周波数を適切に選択した場合には、
母材Ｍに作用するこのような効果を酸化物に作用する効
果に比べて大きくすることができる。このようにして、
酸化物が未溶融である溶融初期段階では、酸化物は母材
Ｍと坩堝21内で共存し、酸化物は誘導加熱で昇温するよ
りも、むしろ昇温・溶融した母材Ｍからの伝導伝熱によ
り昇温される。

【００６１】一般に、低密度溶融層Ｍ₁と接触する部分
には、未溶融のスカル層が密着して下坩堝23内に残存す
ることがある。このスカル層は一種の焼結層であって放
射性核種の固定が不充分なため、スカル層が系外に流出
されることを確実に防止する必要がある。本実施形態の
廃棄物分離装置20では、高密度溶融層Ｍ₂は誘導加熱を
受けるため、周囲の低密度溶融層Ｍ₁の加熱を促進す
る。このため、スカル層が下方に存在する高密度溶融層
Ｍ₂側に接近するとスカル層は溶融されるため、母材Ｍ
の下方への引き抜きとともに系外に排出されることはな
い。

【００６２】下坩堝23にスリット29a が形成される領域
よりも下方の領域には、磁場が作用しないために母材Ｍ
の誘導加熱は行われない。そのため、高密度溶融層Ｍ₂
は冷却凝固し、高密度溶融層Ｍ₂は高密度固化体とな
る。

【００６３】このようにして、坩堝21の内部において廃
棄物41を低密度溶融層Ｍ₁ 、高密度溶融層Ｍ₂ および高
密度固化体を形成した後、さらに、上坩堝兼用コイル22
の入口22a 側に存在する低密度溶融層Ｍ₁の自由表面
上に材料供給装置40から廃棄物41を装入するとともに、
高密度溶融層Ｍ₂および低密度溶融層Ｍ₁それぞれの界
面を、一定の高さに維持できる引抜き速度で、母材Ｍを
下方へさらに引き抜く。

【００６４】これにより、下坩堝23の出口23b から高密
度固化体が連続的に引き抜かれるとともに、上坩堝兼用
コイル22の分取路26から低密度溶融層Ｍ₁が系外へ排出
される。排出された低密度溶融層Ｍ₁は、図示しない収
容容器に収容されて冷却され、やがて低密度固化体とな
る。

【００６５】このように、本実施形態の廃棄物分離装置
20では、酸化物は金属よりも密度が小さいため、坩堝の
高さが異なる部分に酸化物出口、金属出口をそれぞれ設
けることにより、溶融した後にこれらの出口を利用し
て、低密度溶融層Ｍ₁および高密度溶融層Ｍ₂の分離を
行うことができる。本実施形態では、炉内において溶解
された溶融金属 (高密度溶融層Ｍ₂)、あるいは炉内に供
給された溶融金属 (高密度溶融層Ｍ₂)は、重力が作用す
る方向 (鉛直下方向) に連続的に引き抜かれるととも
に、下坩堝23の多重螺旋コイル30非設置部分により冷却
固化されて、第１出口23b から系外へ排出される。一
方、酸化物 (低密度溶融層Ｍ₁)は上坩堝兼用コイル22に
設けられた第２出口26から系外へ排出される。

【００６６】本実施形態の廃棄物分離装置20によれば、
坩堝21の壁面と冷却板28とは、通常の誘導溶解炉の高温
壁炉を構成する耐火物からなるのではなく、自己冷却機
能を有する冷却壁により形成される。これにより、廃棄
物41の溶解を行っても熱損傷を生じることは殆どなく、
溶損した炉壁が新たな廃棄物となることがない。特に、
廃棄物41が放射能汚染された材料である場合には、炉壁
材料が２次廃棄物になることがないため、寿命が長く放
射性２次廃棄物を発生させることがない (効果１) 。

【００６７】また、本実施形態の廃棄物分離装置20で
は、坩堝21に、高密度固化体を母材Ｍとともに排出する
第１出口23b と、低密度溶融層Ｍ₁を流出させる第２出
口26とが設けられる。第１出口23b に未溶融の酸化物が
接近すると、溶融金属からの伝導伝熱によって溶融が行
われる。一方、第２出口26から未溶融の廃棄物41が系外
に排出されることは、廃棄物41の減容、固定処理が充分
でなく、装置として不完全であることを意味するが、本
実施形態の廃棄物分離装置20では、冷却板28が設置され
るため、未溶融の酸化物 (廃棄物) が直接に分取路27へ
流出することが防止されるとともに、第２出口26は低密
度溶融層Ｍ₁の自由表面の近傍に配置されるために、例
えばプラズマ等を利用した非接触補助加熱装置60を用い
ることが可能となり、酸化物の完全溶融化を図ることが
できる。なお、非接触加熱は加熱の補助的手段であるた
め、仮にプラズマを用いた場合にもキャリアーガス量を
従来よりも顕著に低減することができる。以上のように
して、本実施形態の廃棄物分離装置20によれば、廃棄物
を溶融した後に、酸化物と金属とに確実に分離して取り
出すことができる (効果２) 。

【００６８】また、本実施形態の廃棄物分離装置20で
は、誘導加熱により溶融された廃棄物41から分離された
高密度溶融層Ｍ₂は、母材Ｍが下方へ引き抜かれるとと
もに冷却されて高密度固化体となり、第１出口23b から
系外に連続的に取り出される。一方、低密度溶融層Ｍ₁
は、上坩堝兼用コイル22に設けられた第２出口26から系
外に連続的に排出され、特開平８−120356号公報記載の
装置のように冷却壁で囲まれた流路ではなく、開断面構
造の分取路を介して外部に導かれるため、流路内で閉塞
するおそれがない。したがって、本実施形態の廃棄物分
離装置20によれば、一連の廃棄物処理を連続的に行うこ
とができる。連続処理が可能であるために低密度溶融層
Ｍ₁および高密度溶融層Ｍ₂それぞれの凝固界面の進行
速度を一定とすることができ、低密度固化体、高密度固
化体それぞれの品質を高めることができる。また、連続
処理が可能であるため、例えば回分処理のように炉の昇
温、降温に必要な時間を省くことができ、処理能力を同
一とすれば従来の炉よりも小型化を図ることができる。
このようにして、本実施形態の廃棄物分離装置20によれ
ば、高密度固化体および低密度固化体それぞれの品質を
高めるとともに、装置の小型化を図ることができる (効
果３) 。

【００６９】また、本実施形態の廃棄物分離装置20で
は、炉内の反応を促進するために電磁攪拌が顕著な高周
波の周波数域を選択した場合には、特に、低密度溶融層
Ｍ₁および高密度溶融層Ｍ₂間の境界において、界面の
乱れに起因する両相の混合を抑制する必要があり、その
ために静磁場発生装置、例えば超伝導磁石を坩堝21の外
面に配置して、液体金属の運動を抑制する。このように
して、低密度溶融層Ｍ_１および高密度溶融層Ｍ_２を確
実に分離を実現することができる (効果４) 。

【００７０】以上のようにして、本実施形態の廃棄物分
離装置20によれば、低密度溶融層Ｍ₁を確実に系外に連
続的に排出するとともに、低密度溶融層Ｍ₁と高密度溶
融層Ｍ₂との分離を確実に行うことができる。

【００７１】

【実施例】さらに、本発明にかかる廃棄物の分離装置に
ついて、実施データを参照しながらより具体的に説明す
る。

【００７２】(第１実施例)図１に示す構造を有する本発
明にかかる廃棄物分離装置20を用いて、廃棄物41の分離
を行った。廃棄物装置20のスペックは以下に列記すると
おりであった。

【００７３】下坩堝23 ：内径100mm 、外径150mm 、高さ250mm 、材質銅スリット29a ：スリット長さ180mm 、スリット数20、スリット間隙 0.2mm 多重螺旋コイル30 ：コイル管内径15mm、肉厚1mm 、下坩堝23/ コイル間隙 5mm 、積層高さ100mm 、巻数５ターン上坩堝兼用コイル22 ：内径100mm 、外径105mm 、高さ100mm 、材質銅、スリット数１冷却壁28 ：厚さ8mm 、高さ50mm、幅50mm 第１高周波電源30' ：周波数100kHz、出力100kW 第２高周波電源24' ：周波数20kHz 、出力150kW 引抜き装置50 ：最大引き抜き速度50mm/min 高密度溶融層Ｍ₂ ：密度９g/cm³ 低密度溶融層Ｍ₁ ：密度６g/cm³ 水冷管25 ：管内径15mm 本実施例において、この廃棄物分離装置20を運転するに
あたって、まず、上坩堝兼用コイル22、多重螺旋コイル
30、冷却壁28、第１高周波電源30' 、第２高周波電源2
4' 、水冷管25それぞれに、100 、40、20、50、50、40l
/min の流量で冷却水を供給した後、上坩堝兼用コイル2
2および下坩堝23を、Arガス雰囲気に調整した。

【００７４】続いて、下坩堝23の下方から、長さ200mm
、直径99mmのステンレス鋼製の母材Ｍを、その上端が
概ね下坩堝23の上端に一致する位置まで、装入した。こ
の時、母材Ｍと下坩堝23との間隙からの高密度溶融層Ｍ
₂の流下を防ぐため、母材Ｍの外径は下坩堝23の内径
に、できるだけ接近させた。

【００７５】その後、FP (再処理後の使用済み核燃料)
およびCP (配管腐食生成物) の混合物を化焼・気化処理
した後の使用済み核燃料の処理を想定して、模擬使用済
み核燃料としてCr、Fe、Ni、Se、Rb、Sr、Y 、Zr、Mo、
Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、Cs、Ba、L
a、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gdを主成分とする酸化物500g
と還元剤として機能する窒化珪素130gとの混合体を、上
坩堝兼用コイル22の入口22a から母材Ｍの上へ装入し
た。

【００７６】多重螺旋コイル30および上坩堝兼用コイル
22に、それぞれ、1000A および5000A の高周波電流を供
給した。誘導加熱と磁気圧力との作用により、母材Ｍは
溶融してドーム状に隆起して、溶融プールＰを形成し
た。この溶融プールＰの深さは、約80mmであった。これ
により、下方の領域約120mm では母材Ｍは溶融せず、固
化体の状態であった。

【００７７】母材Ｍの溶融の進行とともに、酸化物材料
中のCr、Fe、Ni、Se、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、I
n、Sn、Sb、Teの各元素は、窒素化珪素により還元され
て溶融した母材Ｍと混合して均一な金属溶融体 (高密度
溶融層Ｍ₂)を形成した。一方、酸化物として存在する残
りの元素は、高密度溶融層Ｍ₂ からの伝導伝熱により昇
温して電気伝導度が高まり、やがて、酸化物自体が誘導
加熱を受けて、溶融と還元反応とが加速度的に一気に上
坩堝兼用コイル22の内部全体へ拡大し、均一な低密度溶
融層Ｍ₁を形成した。

【００７８】このような状態で、高密度溶融層Ｍ₂ は概
ね2000℃の温度に到達した。なお、この時、下坩堝23の
冷却壁近傍で高密度溶融層Ｍ₂から10mm以上離れた領域
では、１mm厚さの酸化物の未溶解層を残して完全に溶解
した。また、この酸化物の層は焼結しており、固定化さ
れていることが後で判明した。

【００７９】このような状態を実現した後、上坩堝兼用
コイル22の上方から材料供給装置40を介して廃棄物41を
500g/minの速度で供給するとともに、5mm/min の速度で
母材Ｍを下方に引いた。この時、冷却壁28の下端側に低
密度溶融層Ｍ₁が回り込んで、上坩堝兼用コイル22に形
成した第２出口27から系外に排出された。

【００８０】冷却後に系外に排出されて冷却固化した低
密度固化体は、ガラス質で深緑色をしていた。このよう
にして、廃棄物を金属と酸化物の形に相分離するととも
に、溶融・固化することで、減容と固定とを図ることが
できた。

【００８１】(第２実施例)第１実施例において、非接触
補助加熱装置60として、最大出力50kWの誘導結合プラズ
マ加熱装置を設置し、酸化物を含む廃棄物41の処理を行
った。

【００８２】第１実施例では、処理速度の上限は500g/m
inであり、これ以上処理速度を上昇して廃棄物を多量に
供給すると、廃棄物41のうちの一部が未溶融のままで低
密度溶融層Ｍ₁の表層に堆積した。これに対し、本実施
例の場合は、処理速度を1000g/min まで高めることがで
きた。このように、非接触補助加熱装置60を設置して補
助加熱を行って、低密度溶融層Ｍ₁を形成することによ
り、処理速度を倍増することができた。

【００８３】(第３実施例)第２実施例において、静磁場
発生装置70として、有効磁束密度5Tの静磁場発生コイル
を設置し、酸化物を含む廃棄物41の処理を行った。

【００８４】第２実施例では、処理速度を1000g/min ま
で高めることができたが、得られた高密度固化体の中に
は低密度固化体 (酸化物) が混入しており、高密度溶融
層Ｍ₂と低密度溶融層Ｍ₁との分離を完全に行うことが
できなかった。これに対し、本実施例の場合は、高密度
固化体の中には低密度固化体は混入しておらず、高密度
溶融層Ｍ₂と低密度溶融層Ｍ₁との分離を完全に行うこ
とができた。このように、静磁場発生コイル70を設置し
て、低密度溶融層Ｍ₁を形成することにより、高密度溶
融層Ｍ₂と低密度溶融層Ｍ₁との分離を確実に行うこと
ができた。

【００８５】これらの第１実施例〜第３実施例の装置
と、従来法：ＰＡＣＴと、比較法：特開平８−120356号
公報記載の装置とを比較した結果を表１にまとめて示
す。

【００８６】なお、表１における評価項目は、閉塞する
まで連続処理が可能であった連続処理可能時間(Hr)、廃
棄物の処理量に対する２次廃棄物発生割合 (％）、系外
に排出される低密度溶融層に含まれる未溶融酸化部が顕
在化してくる処理速度である「0.1 ％未溶融酸化物発生
限界処理速度」、系外に排出される高密度溶融層中に含
まれる未溶融の酸化部が顕在化してくる処理速度である
「0.1 ％酸化物混入限界処理速度」の３種である。

【００８７】

【表１】

【００８８】表１から、実施例１は、従来例および比較
例に比較すると、２次廃棄物の発生割合を顕著に低減し
ながら、金属と酸化物とを確実に分離することができた
ことがわかる。また、実施例２は、実施例１に対して、
処理速度を倍増することができたことがわかる。

【００８９】さらに、実施例３は、実施例２と同等の処
理速度を維持したまま、確実に相分離を行うことができ
たことがわかる。このように、実施例１〜実施例３によ
れば、汚染された酸化物と金属、窒化物と金属、炭化物
と金属等の異なる層からなる廃棄物を対象として、体積
の減容および金属と他の相の相分離と固定とを行うこと
ができ、しかも従来に比較して、２次廃棄物の発生量を
顕著に低減することができた。

【００９０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明で
は、汚染された廃棄物、特に放射能汚染された廃棄物で
あって、溶融過程において溶融体の相分離が進行する系
を対象として、(1) 溶融炉の寿命が長く、２次廃棄物を
発生させないこと、(2) 酸化物と金属とを溶融した後、
それぞれを分離して系外に取り出すことができること、
(3) 固化体の品質を高めるとともに、装置の小型化が可
能であること、および(4) 相分離が実現できることとい
う効果を得ることができた。かかる効果を有する本発明
の意義は、極めて著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の廃棄物分離装置の構造を示す縦説明
図である。

【図２】実施形態の廃棄物分離装置の要部を抽出すると
ともに一部を破断した状態で示す斜視図である。

【図３】回転炉床式プラズマ溶融炉ＰＡＣＴの構造を示
す説明図である。

【図４】特開平８−120356号公報記載の層分離・相変化
装置の構成を示す説明図である。

【符号の説明】

20 廃棄物分離装置 21 坩堝 22 上坩堝兼用コイル 23 下坩堝 27 分取路 28 冷却板 (整流部材) 30 多重螺旋コイル 40 材料供給装置 41 廃棄物 50 引抜き装置 60 非接触補助加熱装置 70 静磁場発生装置Ｍ₁低密度溶融層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ２７Ｂ 14/10 Ｃ２２Ｂ 7/00 ＦＦ２７Ｄ 9/00 Ｂ０９Ｂ 3/00 ＺＡＢ // Ｃ２２Ｂ 7/00 ３０３Ｋ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】縦向きに配置されて内部に汚染された廃
棄物を挿入される中空柱状の自己冷却機能を有する坩堝
と、装入された前記廃棄物を加熱して前記坩堝内に密度
が異なる複数の溶融層を形成する加熱機構とを備え、前
記廃棄物を複数の溶融体に分離する廃棄物の分離装置で
あって、前記坩堝の側面であって複数の前記溶融層のうちで最上
部に位置する低密度溶融層の上部自由表面を含む位置に
は、前記低密度溶融層を坩堝外へ流出させる開断面構造
の分取路が取り付けられるとともに、前記坩堝の内部であって前記上部自由表面を含む位置に
は、前記低密度溶融層へ供給された前記廃棄物が直接に
前記分取路へ流出することを防止する自己冷却機能を有
する整流部材が配置されることを特徴とする廃棄物の分
離装置。
【請求項２】前記加熱機構は、前記低密度溶融層が形
成される範囲を誘導加熱する第１の誘導加熱機構と、前
記低密度溶融層の下方における高密度溶融層が形成され
る範囲を誘導加熱する第２の誘導加熱機構とを有する請
求項１記載の廃棄物の分離装置。
【請求項３】さらに、前記坩堝の上方に離間して設置
されて前記低密度溶融層の前記上部自由表面を加熱する
非接触補助加熱装置を備えることを特徴とする請求項１
または請求項２記載の廃棄物の分離装置。
【請求項４】さらに、前記坩堝の周囲に離間して設置
されて前記低密度溶融層および前記高密度溶融層の運動
を抑制する静磁場発生装置を備えることを特徴とする請
求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の廃棄物
の分離装置。
【請求項５】縦向きに配置される中空柱状の自己冷却
機能を有する坩堝に汚染された廃棄物を装入し、当該廃
棄物に加熱を行って溶解して、前記坩堝内に密度が異な
る複数の溶融層を形成することにより、前記廃棄物を複
数の溶融体に分離する廃棄物の分離方法であって、複数の前記溶融層のうちで最上部に位置する低密度溶融
層を、その上部自由表面を含む位置に設置された開断面
構造型の分取路を介して、前記坩堝の外部に流出させる
ことを特徴とする廃棄物の分離方法。