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技術 雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉及び雑固体廃棄物溶融方法

出願人 川崎重工業株式会社
発明者 河口一郎金井和樹千代亮山口誠一郎
出願日 2000年8月11日 (19年7ヶ月経過) 出願番号 2000-243994
公開日 2002年2月20日 (18年1ヶ月経過) 公開番号 2002-055197
状態 特許登録済
技術分野 汚染除去及び汚染物処理
主要キーワード 非金属部分 導電性セラミック製 耐熱限界温度 溶融状況 非金属層 取扱施設 高周波誘電加熱 伝熱促進体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2002年2月20日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

非金属リッチ雑固体廃棄物を安価な非導電性セラミックキャニスタを用いて溶融することができる雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉及び雑固体廃棄物溶融方法を提供する。

解決手段

キャニスタ1に伝熱促進体3を挿入し、高周波加熱により金属で発生した熱の非金属への伝熱を促す。

概要

背景

原子力発電所放射性物質取扱施設などで発生する低レベル放射性廃棄物のうち、断熱材や構造材廃材等の雑固体廃棄物埋設処分される。処分に際しては、廃棄物を200リットルドラム缶に詰め、隙間にモルタル充填した廃棄体を製造する。処分費用を軽減するため、廃棄物をドラム缶に詰める前に減容することが望まれる。

雑固体廃棄物の減容方法の一つに、高周波誘導加熱炉を用いて廃棄物を溶融固化する方法がある。キャニスタ内装荷した雑固体廃棄物を高周波電力により誘導加熱して雑固体廃棄物を溶融させ、適宜雑固体廃棄物を追加投入しながら減容する。その後、キャニスタ内で溶湯を固化させ、キャニスタごとドラム缶に詰め、隙間にモルタルを充填して廃棄体とする。なお、通常、雑固体廃棄物には主に鋼材などの金属と非金属が含まれる。

キャニスタが使い捨てであるため、アルミナなどの安価な非導電性セラミックキャニスタを用い、雑固体廃棄物に含まれる金属を高周波で誘導加熱して溶融、減容する方法が考えられる。雑固体廃棄物に含まれる非金属は、発熱した金属を熱源として熱伝導により加熱する。

この場合、雑廃棄物中の金属のみを熱源とするため非金属リッチな雑固体廃棄物では十分な温度が確保できない。したがって、雑固体廃棄物中にはある程度以上の金属を含んでいる必要がある。

図6に非導電性セラミックキャニスタに雑固体廃棄物を装荷して加熱した際の溶融状況および温度分布概念的に示した。なお、図に示した温度は参考値である。金属は非金属より比重が大きいため溶湯が下層金属層上層非金属層に分離する。金属層では高周波加熱によって十分加熱され廃棄物が溶融しているが、非金属層では廃棄物溶融に必要な熱が得られず廃棄物の一部が溶融していない。

非金属を完全に溶融させるためには高周波加熱出力を上げて溶湯全体の温度を上昇させることが考えられる。しかしこの場合、金属溶湯過熱してキャニスタの耐熱限度を超え、キャニスタが破損する可能性がある。

図7に高周波出力を上げた場合の廃棄物の溶融状況および温度分布を概念的に示した。非金属層においても廃棄物は必要な熱を得て溶融しているが、金属層において溶湯温度がキャニスタの耐熱限度を超えており、キャニスタの溶損、溶湯の漏出心配される。

なお、非金属リッチな雑固体廃棄物を溶融、減容する場合、導電性セラミックキャニスタを用いて高周波により誘導加熱を行うことも考えられる。キャニスタを導電性とすることで高周波によりキャニスタ自体を発熱させることができ、非金属の混合割合に関わらずキャニスタを熱源として雑固体廃棄物を溶融することが可能となる。

しかし、キャニスタは使用の都度雑固体廃棄物と共に廃棄する。したがって、導電性セラミックキャニスタを用いると、キャニスタが高価であるためランニングコストが高くなるという問題がある。

概要

非金属リッチな雑固体廃棄物を安価な非導電性セラミックキャニスタを用いて溶融することができる雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉及び雑固体廃棄物溶融方法を提供する。

キャニスタ1に伝熱促進体3を挿入し、高周波加熱により金属で発生した熱の非金属への伝熱を促す。

目的

そこで、本発明が解決しようとする課題は、非金属リッチな雑固体廃棄物を安価な非導電性セラミックキャニスタを用いて溶融することができる雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉及び雑固体廃棄物溶融方法を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

キャニスタを囲繞する高周波コイル、および高熱伝導性材料からなる1本以上の柱体を備え、該柱体が前記キャニスタ内部に挿入および引き出し可能に構成されることを特徴とする雑固体廃棄物溶融高周波誘導炉

請求項2

前記柱体が前記キャニスタで溶融する物質より高い融点を持ち熱伝導率の高い材料で形成されることを特徴とする請求項1記載の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉。

請求項3

前記柱体の表面に多数のフィンを形成したことを特徴とする請求項1または2に記載の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉。

請求項4

前記柱体が導電性物質で形成されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉。

請求項5

前記キャニスタが非導電性セラミックで形成されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉。

請求項6

主に金属からなる廃棄物が装荷されたキャニスタを高周波コイル内の空間に据えて高周波誘電加熱を開始し、金属が溶融したところで金属と非金属が混在する雑固体廃棄物を該キャニスタに投入し、さらに伝熱促進体を該キャニスタ内に挿入して前記雑固体廃棄物が溶融した後に前記伝熱促進体を引き出して冷却し、固化させることを特徴とする雑固体廃棄物溶融方法

請求項7

前記雑固体廃棄物が溶融してからさらに主に非金属からなる廃棄物を追加投入することを特徴とする請求項5に記載の雑固体廃棄物溶融方法。

技術分野

0001

本発明は、固体廃棄物、特に原子力発電所で発生する雑固体廃棄物溶融方法および溶融高周波誘導炉に関する。

背景技術

0002

原子力発電所や放射性物質取扱施設などで発生する低レベル放射性廃棄物のうち、断熱材や構造材廃材等の雑固体廃棄物は埋設処分される。処分に際しては、廃棄物を200リットルドラム缶に詰め、隙間にモルタル充填した廃棄体を製造する。処分費用を軽減するため、廃棄物をドラム缶に詰める前に減容することが望まれる。

0003

雑固体廃棄物の減容方法の一つに、高周波誘導加熱炉を用いて廃棄物を溶融、固化する方法がある。キャニスタ内装荷した雑固体廃棄物を高周波電力により誘導加熱して雑固体廃棄物を溶融させ、適宜雑固体廃棄物を追加投入しながら減容する。その後、キャニスタ内で溶湯を固化させ、キャニスタごとドラム缶に詰め、隙間にモルタルを充填して廃棄体とする。なお、通常、雑固体廃棄物には主に鋼材などの金属と非金属が含まれる。

0004

キャニスタが使い捨てであるため、アルミナなどの安価な非導電性セラミックキャニスタを用い、雑固体廃棄物に含まれる金属を高周波で誘導加熱して溶融、減容する方法が考えられる。雑固体廃棄物に含まれる非金属は、発熱した金属を熱源として熱伝導により加熱する。

0005

この場合、雑廃棄物中の金属のみを熱源とするため非金属リッチな雑固体廃棄物では十分な温度が確保できない。したがって、雑固体廃棄物中にはある程度以上の金属を含んでいる必要がある。

0006

図6に非導電性セラミックキャニスタに雑固体廃棄物を装荷して加熱した際の溶融状況および温度分布概念的に示した。なお、図に示した温度は参考値である。金属は非金属より比重が大きいため溶湯が下層金属層上層非金属層に分離する。金属層では高周波加熱によって十分加熱され廃棄物が溶融しているが、非金属層では廃棄物溶融に必要な熱が得られず廃棄物の一部が溶融していない。

0007

非金属を完全に溶融させるためには高周波加熱出力を上げて溶湯全体の温度を上昇させることが考えられる。しかしこの場合、金属溶湯過熱してキャニスタの耐熱限度を超え、キャニスタが破損する可能性がある。

0008

図7高周波出力を上げた場合の廃棄物の溶融状況および温度分布を概念的に示した。非金属層においても廃棄物は必要な熱を得て溶融しているが、金属層において溶湯温度がキャニスタの耐熱限度を超えており、キャニスタの溶損、溶湯の漏出心配される。

0009

なお、非金属リッチな雑固体廃棄物を溶融、減容する場合、導電性セラミックキャニスタを用いて高周波により誘導加熱を行うことも考えられる。キャニスタを導電性とすることで高周波によりキャニスタ自体を発熱させることができ、非金属の混合割合に関わらずキャニスタを熱源として雑固体廃棄物を溶融することが可能となる。

0010

しかし、キャニスタは使用の都度雑固体廃棄物と共に廃棄する。したがって、導電性セラミックキャニスタを用いると、キャニスタが高価であるためランニングコストが高くなるという問題がある。

発明が解決しようとする課題

0011

そこで、本発明が解決しようとする課題は、非金属リッチな雑固体廃棄物を安価な非導電性セラミックキャニスタを用いて溶融することができる雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉及び雑固体廃棄物溶融方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0012

上記課題を解決するため、本発明の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉は、キャニスタを囲繞する高周波コイル熱伝導性材料からなる伝熱促進体、および伝熱促進体をキャニスタに挿入・引き出しする炉上部機構を備えることを特徴とする。

0013

本発明の雑固体廃棄物溶融方法では、まずキャニスタに主に金属からなる廃棄物を装荷し、高周波加熱で溶融して金属溶湯を作る。次に、非金属を含む雑固体廃棄物を順次投入して加熱を続け、廃棄物を溶融させる。

0014

高周波電力により金属が発熱し金属からの伝熱で非金属が加熱されるため、非金属の割合がある程度以下であれば非金属の溶融も可能である。なお、通常金属の方が非金属より比重が大きいため溶湯は下部の金属層と上部の非金属層に分離する。

0015

その後、本発明の高周波誘導炉に備えた伝熱促進体をキャニスタに挿入する。この伝熱促進体は、雑固体廃棄物より融点が高く熱伝導性の高い材料で形成され、金属層で発生した熱を非金属層に移動させることができる。

0016

伝熱促進体を挿入した後、非金属リッチな雑固体廃棄物を投入する。非金属は金属層で発生し伝熱促進体によって伝えられた熱を受けて加熱され、溶融する。雑固体廃棄物全体が十分に溶融したら、伝熱促進体をキャニスタから引き抜き、溶湯を冷却固化する。その後、キャニスタごとドラム缶に詰め、モルタルを充填して廃棄体とする。

0017

以上のように、伝熱促進体をキャニスタに挿入することにより金属層で発生した熱を効率よく非金属層に移動させることができ、非金属を含む割合が高い廃棄物も効率的に加熱することができる。

0018

したがって本発明の高周波誘導炉によれば、金属廃棄物からの発熱だけで非金属リッチな雑固体廃棄物をも溶融することができる。したがって、高価な導電性キャニスタを用いる必要がない。

0019

また、本発明の高周波誘導炉は金属層で発生した熱を効率よく非金属層に伝達する機構を備えるため、非金属の溶融を促すために過剰な高周波出力で金属層を加熱する必要が無く、金属層の過熱によるキャニスタの溶損を防ぐことができる。さらに、熱分布が均一化されて金属部分と非金属部分の温度差が小さくなるためキャニスタへの熱影響緩和される。

0020

なお、高周波誘導表皮効果のため、誘導加熱では加熱体外表面に近い部位ほど効率よく加熱される。本発明の伝熱促進体には、伝熱促進体を挿入し溶湯の嵩を増すことによって溶湯の外表面積を増大し、誘導加熱の効率を上げる働きもある。

0021

伝熱促進体は1本の柱体でもよいし、複数の柱体でもよい。また、板状または塊状等他の形状であってもよい。伝熱促進体にフィンを備えるなど、伝熱促進体の形状を工夫して熱伝導性を高めることもできる。

0022

また、伝熱促進体を導電性物質で構成すれば、高周波電力により伝熱促進体が発熱するため、金属廃棄物から発生した熱のみでなく伝熱促進体から発生した熱も廃棄物の溶融に用いることができる。したがって、雑固体廃棄物内の金属の割合に制限されず、非常に非金属リッチな雑固体廃棄物も溶融することができ便利である。極端な場合、金属を含まない雑固体廃棄物でも溶融することができる。

0023

この場合、伝熱促進体には高融点、高熱伝導性とともに導電性が要求されるため、黒鉛、SiC、ホウ化ジルコニウム高融点金属などを用いるとよい。なお、伝熱促進体は使い捨てしないため、比較的高コストでもよい。

発明を実施するための最良の形態

0024

以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明の1実施例における雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の断面図である。キャニスタ1を高周波コイル2が取り巻いており、キャニスタ1に伝熱促進体3が挿入されている。また、図では割愛したが伝熱促進体3をキャニスタ1に上下に挿入・引き出しする炉上部機構が備わっている。伝熱促進体3はキャニスタ1に装荷する物質より高い融点を持ち、伝熱性の高い物質で形成される柱体である。

0025

図2は本発明の1実施例の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉を用いた雑固体廃棄物溶融、固化の処理手順の1例を示す概略図である。キャニスタ1に金属リッチな雑固体廃棄物10を装荷し、図示しない高周波コイルによって誘導加熱する(図2(a))。装荷した雑固体廃棄物が溶融し金属溶湯11となったら(図2(b))、比較的少量の非金属を含む雑固体廃棄物12を投入し、加熱を続ける(図2(c))。このとき含まれている非金属は高周波加熱によっては発熱しないが、周囲の金属から発熱した熱を得て溶融する。なお、一般的に非金属より金属の方が比重が大きいため下部に金属溶湯11が溜まり、上層は非金属溶湯13もしくは残存固体非金属となる。

0026

その後、伝熱促進体3をキャニスタ1内に挿入し、非金属リッチな雑固体廃棄物14を追加投入する(図2(d))。高周波加熱によって下層の金属溶湯11で発生した熱は伝熱促進体3を伝わって上層に移動し、上層の非金属を溶融する。

0027

投入した雑固体廃棄物の溶融が完了したら伝熱促進体3を引き抜き(図2(e))、キャニスタ1ごと冷却し溶湯を固化させる(図2(f))。溶融、固化を経て雑固体廃棄物は著しく減容する。冷却固化後、キャニスタ1をドラム缶に詰め、隙間にモルタルを注入して廃棄体とする。

0028

図3は本発明の1実施例の伝熱促進体挿入後の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉内での熱の流れと温度分布を示す図である。仮にキャニスタ1の耐熱限度20を1700度、非金属の融点21を1200度としたが、これは参考値である。

0029

伝熱促進体3により下部の金属溶湯11で発生した熱が効率的に上部の非金属13に移動する。そのためキャニスタ1内の温度分布が比較的均一になり、溶湯温度はキャニスタ1内全域において非金属の融点21以上キャニスタ1の耐熱限界温度20以下になっている。したがって、キャニスタ1の溶損や固体非金属の残存の心配が無い。

0030

また、金属溶湯11からの発熱のみで非金属を溶融させることができるためキャニスタ1が発熱する必要はない。したがって、キャニスタは安価な非導電性セラミック製のものでよい。

0031

図4は本発明の1実施例における雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の伝熱促進体を挿入しない状態でのキャニスタ内の発熱の分布を示す断面図であり、図5は同じく伝熱促進体を挿入した状態での断面図である。図4図5の下部に示したグラフは、キャニスタ内の横方向の位置とその部分での発熱量を表している。なお、簡便のためキャニスタ1内全量を金属溶湯11とした。

0032

高周波加熱の表皮効果により、金属溶湯11は外表面に近いほど単位体積当たりの発熱量が大きくなる。伝熱促進体を挿入しない状態では、図4に示したとおり液嵩が低いため全体積に対して上記発熱量が大きい部分の体積が小さく、発熱量が小さくなっている。それに対し伝熱促進体を挿入した状態では図5のように伝熱促進体3の体積分だけ液嵩が増すため溶湯の全体積に対して発熱量の大きい部分の体積が大きくなり、液全体の発熱量も大きくなる。ここでは液全量を金属溶湯としたが、溶湯が非金属層を含んでいても金属層において同様の現象が起こる。

0033

以上のように本発明の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉を用いれば、金属廃棄物を熱源として効率よく非金属廃棄物を溶融することができる。したがって、使い捨てするキャニスタに導電性セラミック製キャニスタを用いる必要がなく、安価な非導電性セラミック製キャニスタを用いればよいためランニングコストを大幅に軽減することができる。

0034

また、金属廃棄物から発生した熱を非金属廃棄物に効率よく伝熱するため、キャニスタ内の熱が分散され、高温部低温部の温度差が縮小する。したがって、高温部の温度をキャニスタの耐熱限度以下に設定しても低温部の温度を非金属の融点以上することができ、キャニスタの溶損や固体非金属の残存の心配が無く、温度設定が容易である。

0035

さらに、伝熱促進体をキャニスタに挿入して液嵩を高めることにより高周波加熱の表皮効果を有効に用いて効率よく廃棄物を加熱することができる。

0036

なお、本実施例では伝熱促進体を1本の柱体としたが、複数の柱体でもよいし、板状や塊状等、他の形状のものでもよい。また、伝熱促進体にフィンを設けるなどして伝熱効率を上昇させてもよい。

0037

また、本発明の伝熱促進体を導電性物質で構成すれば、高周波加熱により伝熱促進体を直接発熱させて熱源とすることができるため、金属をほとんど含まない雑固体廃棄物のみでも高周波加熱により溶融することができ非常に便利である。この場合、伝熱促進体には高融点、高熱伝導率、導電性が求められるため、たとえば黒鉛、SiC、ホウ化ジルコニウム、高融点金属等で形成するとよい。伝熱促進体は使い捨てしないため、比較的高コストでも容認されうる。

発明の効果

0038

以上説明したとおり、本発明の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉によれば、非金属リッチな雑固体廃棄物を安価な非導電性セラミックキャニスタを用いて溶融することができる。また、キャニスタ内の熱分布が穏やかになり、固体非金属の残存やキャニスタの溶損の心配がない。

図面の簡単な説明

0039

図1本発明の1実施例における雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の断面図である。
図2本発明の1実施例の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉を用いた雑固体廃棄物溶融、固化の処理手順の1例を示す概略図である。
図3本発明の1実施例の伝熱促進体挿入後の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉内での熱の流れと温度分布を示す概念図である。
図4本発明の1実施例における雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の伝熱促進体を挿入しない状態でのキャニスタ内の発熱の分布を示す断面図である。
図5本発明の1実施例における雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の伝熱促進体を挿入した状態でのキャニスタ内の発熱の分布を示す断面図である。
図6従来型の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉のキャニスタに雑固体廃棄物を装荷して加熱した際の溶融状況および温度分布を示した概念図である。
図7従来型の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の高周波出力を上げた場合の廃棄物の溶融状況および温度分布を示した概念図である。

--

0040

1キャニスタ
2高周波コイル
3伝熱促進体
10金属リッチな雑固体廃棄物
11金属溶湯
12非金属を含む雑固体廃棄物
13非金属溶湯
14 非金属リッチな雑固体廃棄物
20耐熱限度
21 非金属の融点

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