(57)【要約】【課題】高粘度の廃棄物をガラス化するために必要なガラス／スラグ組成工程を開発し、ＰＴＭ運転安定性と最終生成物としてのガラスまたはスラグの溶融粘度を排出部位温度（１３００℃〜１５００℃）で１００ｐｏｉｓｅ以下に低く維持するようにした、不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法は、ＳｉＯ２を４０ｗｔ％以上含有した不燃性廃棄物内の酸化物組成を用いて溶融温度１５００℃で酸化物組成調節剤を追加して組成の変化を維持し、前記不燃性廃棄物の低粘度を１００ｐｏｉｓｅ以下に調整することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＯ２を４０ｗｔ％以上含有した不燃性廃棄物内の酸化物組成を用いて溶融温度１５００℃で酸化物組成調節剤を追加して組成の変化を維持し、前記不燃性廃棄物の低粘度を１００ｐｏｉｓｅ以下に調整することを特徴とする、不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法。
【請求項２】
前記酸化物組成調節剤は、コンクリートの廃棄物の場合にはＳｉＯ２５０〜６０ｗｔ％、ＣａＯ６〜２０ｗｔ％、ＦｅＯ０．１〜４ｗｔ％、ＣａＦ２０．１〜４ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３２〜１２ｗｔ％、ＭｇＯ０．１〜２ｗｔ％、およびＮａ２Ｏ０．１〜２ｗｔ％から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度方法。
【請求項３】
前記酸化物組成調節剤は、コンクリートのガラス−セラミックの場合にはＳｉＯ２５５〜６５ｗｔ％、ＣａＯ８〜１２ｗｔ％、ＦｅＯ１０〜１５ｗｔ％、ＣａＦ２０．１〜２ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３８〜１５ｗｔ％、ＭｇＯ１〜４ｗｔ％、およびＮａ２Ｏ１〜４ｗｔ％から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度方法。
【請求項４】
前記酸化物組成調節剤は、土壌の廃棄物の場合にはＳｉＯ２６０〜７０ｗｔ％、ＣａＯ１〜４ｗｔ％、ＦｅＯ１〜８ｗｔ％、ＣａＦ２０．１〜５ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３８〜１８ｗｔ％、ＭｇＯ０．１〜５ｗｔ％、およびＮａ２Ｏ１〜５ｗｔ％から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度方法。
【請求項５】
前記酸化物組成調節剤は、土壌のガラス−セラミックの場合にはＳｉＯ２６５〜７５ｗｔ％、ＣａＯ１〜５ｗｔ％、ＦｅＯ０．１〜３ｗｔ％、ＣａＦ２１〜８ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３０．１〜５ｗｔ％、ＭｇＯ０．１〜５ｗｔ％、およびＮａ２Ｏ０．１〜５ｗｔ％から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法に係り、特に、原子力発電所から発生する不燃性廃棄物、たとえば金属、コンクリート、土壌などをプラズマトーチ溶融炉(plasma torch melter)を用いて溶融する場合、溶融炉の安全性および排出口からの円滑な排出のために溶融物の低粘度溶融状態を保持するための不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子力発電所から発生する廃棄物の処分要件の充足と廃棄物低減化の新しい方案としてガラス化(vitrification)が研究されており、可燃性廃棄物の場合にはコールドクルーシブル誘導加熱溶融炉（cold crucible induction melter、以下「ＣＣＩＭ」という）、不燃性廃棄物の場合にはプラズマトーチ溶融炉（plasma torch melter、以下「ＰＴＭ」という）を用いた処理が行われている。
特に、韓国内では、ハンウル原子力発電所に可燃性廃棄物のガラス化のためにＣＣＩＭが採用された商用ガラス化設備が稼働中であり、雑固体および廃樹脂をガラス化している。
また、米国、フランスなどではＣＣＩＭを用いて高準位および中低準位の放射性廃棄物に対するガラス化についての研究が相当進んできたが、ガラス化商用フラント建設運営が伴われておらず、日本およびロシアなどではＰＴＭを用いた放射性同位元素廃棄物または低準位放射性廃棄物に対する溶融処理を行っている。
全世界的に原電発生廃棄物をガラス化するために、ホウ酸濃縮廃液(concentrated boric acid)のようなスラッジや、空気調和系統(heating ventilating and air conditioning)から発生したアルミニウムなどに対する処理法の案として、ＣＣＩＭまたはＰＴＭを用いた処理に多くの関心がある。
特にガラス化の主要運転因子の一つである粘度は、高粘度の溶融物を排出する場合、ガラス化設備の健全性に影響を与えることができるため、これに関する技術開発も主要事項の一つであって、高粘度特性を有する廃棄物の溶融特性研究についても多くの関心がある状況である。
【０００３】
韓国水力原子力（株）は、土壌やコンクリートなどの高粘度廃棄物をガラス化するためのＰＴＭ適用商用技術の開発を行っている。
プラズマを用いた高温溶融技術は、産業現場で発生するコンクリート、金属、土壌などの非伝導性または不燃性廃棄物から、高温状態で有機化合物を分解し無機物を溶かしてガラス化し或いは結晶状態にセラミック化する技術であって、廃棄物減容効果が大きく且つ２次廃棄物の発生が殆どない環境調和型技術として評価されている。
高温のプラズマ技術は、有機化合物を速くかつ安全に分解することができるうえ、無機物を溶融して体積を減少させ、分子の構造を変化させてスラグ(slag)またはガラスセラック(glass-ceramic)固化体を生成する。
この際、生成される最終固化体は、優れた物理的・化学的・機械的特性がある。
よって、プラズマ高温を用いた廃棄物溶融によって廃棄物をガラスまたはスラグ化することにより、固化体からの有害物質の溶出問題も少なくて安定的に溶融廃棄物を処分することができるという利点がある。
【０００４】
廃棄物溶融の際に成分含量に応じて溶融炉の運転条件が変わるが、溶融プールにおける溶融物の流動性および溶融物の健全性を維持する因子としては粘度がある。
一例として金属を溶融する場合、溶融物の粘度は金属層とスラグ間の物質交換速度に影響を与えるが、スラグ粘度が低ければ、対流が良好になってスラグと金属との混合による熱伝導が容易であるが、耐火物に対する侵食影響は高くなる。
【０００５】
ところが、粘度が高ければ、スラグを形成するイオンの拡散動きが鈍くなり、電気伝導度を低下させる要因となる。
これは溶融温度とスラグの化学組成に応じてプラズマ運転に影響を与える。
廃棄物溶融の際に成分含量（または重量比）に応じて溶融炉の運転条件が異なるが、金属を除いた一般廃棄物（コンクリート、土壌、灰など）に対する組成を見ると、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯなどが大部分を占め、その他にＮａ２Ｏ、ＭｇＯなどが少量存在している。
溶融物中には、高温（１５００℃以上）で粘度を低くすることが可能な酸化物の含量が低いため、１５００℃以下の環境では排出が円滑でないことがある。
一般に、純粋ＳｉＯ２に対する粘度に関連しては、ＣａＯなどの塩基性酸化物を添加すると流動性が向上すると報告されてきた。
一般に、金属スラグは、１５００℃以上の溶融炉条件で粘度が低くて流動性がよく、電気伝導度が高くてプラズマアーク花火発生強度が良好であるため、溶融条件に優れる。
塩基性物質（ＣａＯ／ＳｉＯ２）における溶融温度は、ＦｅＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏなどの成分が多い場合には低くなり、ＭｇＯ、Ｆｅ２Ｏ３などの成分が多い場合には高くなるという特性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した諸般問題点を解決するためになされたもので、その目的は、高粘度の廃棄物をガラス化するために必要なガラス／スラグ組成工程を開発し、ＰＴＭ運転安定性と最終生成物としてのガラスまたはスラグの溶融粘度を排出部位温度（１３００℃〜１５００℃）で１００ｐｏｉｓｅ以下に低く維持するようにした、不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法は、ＳｉＯ２を４０ｗｔ％以上含有した不燃性廃棄物内の酸化物の組成を用いて溶融温度１５００℃で酸化物組成調節剤を追加して組成の変化を維持し、前記不燃性廃棄物の低粘度を１００ｐｏｉｓｅ以下に調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上述したように、本発明に係る不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法は、次の効果がある。
第一、本発明は、産業現場から発生した物質などに対する溶融運転処理をＰＴＭを用いて円滑にし、排出を容易にすることができる。
第二、本発明は、ＰＴＭ処理のためのガラスまたはスラグ組成の開発による不燃性廃棄物溶融固化体の品質管理の締結を確立することができる。
第三、本発明は、ＰＴＭ運転健全性の維持のために粘度維持のための物理・化学的特性の変化による適切なガラス／スラグ組成の開発が可能であって、ガラス化の最終生成物である固化体がＰＴＭ性能に悪影響を与えることなく適するようにすることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る不燃性廃棄物のうち、高粘度を有する不燃性廃棄物を低粘度に維持するためのガラス／スラグ組成のガラス化を示す工程図である。
【図２】廃棄物の塩基度による粘度を比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１１】
<スラグ粘度特性>
プラズマ溶融炉において金属含有物質を溶解させるときに発生する溶融物は、比重差によって溶湯(molten bath)中で金属と分離された残存物質であって、大部分が酸化鉄および炭素から構成され、付随的に冶金スラグ(Metallurgical slag)、塩基酸化物などの不純物からなる。
プラズマ溶融によって生成されたガラスまたはスラグの構成成分は、溶融物内の化学的成分挙動によって塩基性酸化物（Ｎａ２Ｏ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＭｎＯ、ＦｎＯ）、中性酸化物（Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２）および酸性酸化物（ＳｉＯ２、Ｐ２Ｏ５）から構成されており、大部分のガラスまたはスラグはガラス化(vitrified)されるＳｉＯ２成分が多く分布している。
ガラスまたはスラグを形成するＰ２Ｏ５、ＳｉＯ２などの酸化物は、網状構造(network)を有し、このような酸化物を網目形成成分(network former)という。
Ｎａ２Ｏ、ＣａＯ、ＭｎＯなどの塩基性酸化物は、網状構造を破壊する性質があって、網目修飾成分(network modifier)という。
酸性ガラスまたはスラグは、塩基性に比べてＳｉＯ２の含量が高いため粘度が高く、降温すると粘度が増加する。
不燃性廃棄物のうち、コンクリートなどの非金属物質におけるガラスまたはスラグは、ＳｉＯ２を大多数含有するため、成分上、岩石に似たケイ酸塩酸化物の形態をなす。
この場合、ガラスの流動性が良好でないため、排出時の温度変化に伴って排出口の閉塞現象を誘発する可能性がある。
よって、廃棄物溶融の際にプラズマ溶融炉の基底に溶融物を形成する金属より比重が小さく流動性がよければ、良好な排出(pouring)が行われる。
【００１２】
一般に、ガラスまたはスラグは、無電荷分子の混合により、塩基性および酸性酸化物の成分比率に応じる化学的挙動を示す。
このような酸化物の比率を塩基度(basicity)で表現し、これは溶融時の電気伝導度および粘度などの溶融状態に影響を与える因子として作用する。
塩基度は、プラズマ溶融技術で溶融物を制御する重要な変数である。この塩基度に応じて溶融物の流動性および溶融温度が変化する。
通常、塩基度は、ＣａＯ／ＳｉＯ２、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ２、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３）などの比として用い、塩基度０．９以下のスラグは酸性、塩基度１．０〜２．０内外のスラグは弱塩基性、塩基度２．０〜３．０のスラグは中塩基性、塩基度３以上のスラグは強塩基性に区分する。
【００１３】
ところが、溶融物の塩基度が増加すると、粘度が低くなり、ガラス化運転特性に有利でないため、溶融条件を考慮して溶融物の塩基度を適切に保っている。
通常、ガラスまたはスラグの塩基度が増加するにつれて、電気伝導度も共に増加する。
他方、溶融物の粘性度が低ければ、溶融物の対流が良好となり、ガラスまたはスラグの混合および熱伝導が容易となり、溶融物耐火物の侵食が激しくなる。
溶融物質に応じて溶融物の粘性および電気伝導度が異なるため、安定した溶湯運営と円滑なスラグ排出のためには適切な塩基度に溶融物の状態を調節する必要がある。
【００１４】
本発明では、対象廃棄物に対する粘度特性研究をＵｒｂａｉｎおよびＲｉｂｏｕｄモデルを用いて行った。
ＵｒｂａｉｎモデルはＳｉＯ２−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系に対してガラスまたはスラグ粘度モデルであって、粘度（ηL）は温度関数であるＷｅｙｍａｎｎ−Ｆｒｅｎｋｌｅ方程式 ηL＝ＡＴｅｘｐ（１０３Ｂ／Ｔ）を用いた。
パラメータＢは絶対温度（Ｋｅｌｖｉｎ）Ｔでガラスまたはスラグ成分から得るが、これらの成分を形成体（glass former；ＳｉＯ２）、中間体（intermediate；Ａｌ２Ｏ３など）および変形体（modifier；ＣａＯ、ＦｅＯ、ＭｇＯ）に分類および適用している。
Ｒｉｂｏｕｄモデルは、網目形成成分(network former)と網目修飾成分(network modifier)から構成された廃棄物に対してＷｅｙｍａｎｎ−Ｆｒｅｎｋｌｅ方程式のパラメータＡおよびＢを溶融物の組成成分を用いて実験式で導出した。
本発明では、廃棄物に対する酸化物組成を分析した後、各廃棄物に対する粘度をモデル式を用いて計算した。
また、実験室で測定された粘度値を用いてモデル式との偏差から各酸化物分布範囲を導出した。
【００１５】
<粘度モデル分析>
ガラスまたはスラグの流動性および粘度は、廃棄物溶融の際に溶融スラグの排出や溶湯などに影響を及ぼす。
ガラスまたはスラグの粘度が高い場合には、溶融炉排出口の閉塞などの問題点を引き起こす可能性があるため、溶融炉の温度を高め或いは適正の比率の塩基度で混合されるようにして粘度を低める必要がある。
塩基度が高い場合、ガラスまたはスラグの溶融温度が上昇するため、適切な溶融炉運転のために塩基度の調節が重要に作用する。
ガラスまたはスラグの粘度が１００ｐｏｉｓｅ以上と高い場合には、溶融炉の排出口における閉塞などの問題点を引き起こすおそれがある。
酸化物中の形成体の分布を異ならせて粘度を確認した結果、ＳｉＯ２含量が約４０ｗｔ％の場合、塩基度は約０．３であり、粘度は高かった。
逆に、ＳｉＯ２の含量が２０ｗｔ％内外の場合、塩基度は約１であり、粘度は低いことを確認することができた。
ＰＴＭ運転安定性と溶湯運転容易性のために、コンクリートや土壌などの廃棄物の投入の際に廃棄物の酸化物組成比を考慮して投入することができるように、混合廃棄物の粘度分布を導出した。
これらの廃棄物に対する単独溶融の後、排出の際に高粘度（１００ｐｏｉｓｅ以上）により出湯口から容易に排出されなかった。
酸化物組成を適切に考慮した混合廃棄物の場合、溶融物は排出口から円滑に排出され、粘度は低かった（１００ｐｏｉｓｅ以下）。
【００１６】
以下、本発明の好適な実施例によって詳細に説明する。
本発明で解決しようとするガラス化工程改善の技術的課題の一つは、ガラス／スラグ組成の開発によって溶融物が低粘度（１００ｐｏｉｓｅ以下）を保つようにして、溶融プールが円滑に形成されるようにすることである。
図１は本発明に係る不燃性廃棄物のうち、高粘度を有する不燃性廃棄物を低粘度に維持するためのガラス／スラグ組成ガラス化の工程図である。
図示の如く、本発明に係る不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法は、ＳｉＯ２を４０ｗｔ％以上含有した不燃性廃棄物内の酸化物組成を用いて溶融温度１５００℃で酸化物組成調節剤を追加して組成の変化を維持し、前記不燃性廃棄物の低粘度を１００ｐｏｉｓｅ以下に調整する。
【００１７】
すなわち、本発明に係る不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法は、原子力発電所内の設備などから発生する金属、コンクリート、土壌などの不燃性廃棄物を不燃性廃棄物の酸化物組成を用いてプラズマトーチ溶融炉で溶融温度（＞１５００℃）で高粘度で形成された溶融プールのｂｏｉｌｉｎｇ、ｓｗｅｌｌｉｎｇなどの異常挙動を防止し、溶融炉の健全性と排出部位温度（１３００℃〜１５００℃）で低粘度（１００ｐｏｉｓｅ以下）を保つためのガラスまたはスラグ組成を用いた粘度調整を必要とする。
【００１８】
［実施例］不燃性廃棄物のガラス化工程
一般に、廃棄物を溶融すると、比重の高い金属類が溶融物の基底部をなし、比重の低いその他の無機物が上層部をなすため、金属層は溶融炉の下部排出口から排出され、上部スラグ層は溶融炉の下部または側面から排出される。
溶融物の組成、塩基度、比重などは当初廃棄物の無機物組成から決定される事項であるため、溶融物の排出に関連して最も重要なことは溶融炉の溶融物排出システムの構造、溶融物の温度および粘性である。
ここで、溶融物の温度はパワーバランス(power balance)を調節して制御することができ、溶融物の粘性はフラックス(flux)の追加によって一定の範囲で調節することができる。
【００１９】
<粘度>
廃棄物の塩基度による粘度を比較した。
図２に示すように、ガラスまたはスラグの塩基度が大きいほど粘度が低いことが分かるが、１５００℃以下では塩基度による粘度分布が急激な偏差を示す。
【００２０】
<固化体組成分布>
ＰＴＭを稼働して、プラズマを用いた溶融後には溶融炉内の金属およびガラスまたはスラグが溶融して溶融プールを形成し、トーチに供給される電流および電圧は安定した状態を維持する。
溶融物排出直前に投入される一部廃棄物の特性（たとえば、水分含有量および有機物含量の高い物質）に応じてトーチ運転条件および溶融状態に変化を示すこともある。
コンクリートや土壌などの廃棄物と比較して、スレート或いはテックス廃棄物を投入する場合には部分的に溶融炉内差圧が上昇し、溶融プールの状態変化によるｓｗｅｌｌｉｎｇ現象が一時的に発生することもあった。
よって、廃棄物投入時の溶湯運転安定性のためには、投入量および廃棄物の種類別混合率を調節して溶融させることが必要であった。
【００２１】
本発明で使用したコンクリートや土壌などについて分析した結果、表１に示すように主にＳｉＯ２およびＣａＯから構成されており、混合を用いた溶融固化体分析の結果、各試料の酸化物組成が理論的シミュレーションによる混合比に応じて分布することが確認された。
【００２２】
【表１】
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【符号の説明】
【００２３】
１００    不燃性廃棄物溶融物排出用低粘度調整方法
【図１】
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【図２】
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