JP2016128368A - 耐火物のコーティング方法および耐火物 - Google Patents

Abstract

【課題】耐火物にコーティングを施すことにより有害成分特に放射性物質の耐火物内部への浸透を効果的に防ぐことができる耐火物のコーティング方法を提供する。
【解決手段】本発明による耐火物コーティング方法は、２：１型層状珪酸塩鉱物３０〜７０重量％とバインダー３０〜７０重量％とよりなるコート剤を耐火物表面に塗布することを特徴とする。

【選択図】 なし

Description

本発明は、放射性廃棄物を処理する焼却炉の耐火壁に、放射性物質が浸入することを防ぐために焼却炉構築用の耐火物にコーティングを施す方法および同コーティング方法を用いてコーティングされた耐火物に関する。

耐火物の保護、耐久性を目的として、材料、粒径、粘度、膜厚、施工方法等を異にする様々な耐火物用コート剤が知られている。例えば、特許文献１には、耐火物本体の表面にコーティング層を形成するためのコート剤であって、酸化ジルコニウム７０〜９６重量％とシリコン化合物４〜３０重量％を含むものが開示されている。

しかし、特許文献１の発明は耐火物の耐食性向上を目的とするものであり（発明が解決しようとする課題）、放射性物質の耐火物内部への浸透を防ぐことは特許文献１では触れられていない。

耐火物に放射性物質が浸透し蓄積すると、焼却炉の補修時または解体時に炉内の作業者が被爆の危険に曝されるという問題がある。

放射性物質であるセシウム（Ｃｓ）はアルカリ金属であり、Ｎａ、Ｋなどと同様の挙動をとると考えられる。ストロンチウム（Ｓｒ）はアルカリ土類金属であり、Ｍｇ、Ｃａなどと同様の挙動をとると考えられる。Ｃｓの耐火物への浸透は、気孔率と正の相関を示すことが報告されている（非特許文献１、Ｃ４−７）。電鋳レンガは気孔率が０〜２％と超緻密であり、ガスバリア性は高い。しかし、これは、目地部から放射性物質が浸透し易く、熱変動に弱い、という欠点があるため、熱変動の大きい焼却炉では使用できない。そのため電鋳レンガの代わりに不定形耐火物や焼成レンガが採用されているが、これらの気孔率は電鋳レンガに比べて高いという問題がある。

また、耐火物表面に、緻密な溶射皮膜を施工することで、放射性物質の耐火物内部への浸透を防ぐことが考えられる。溶射皮膜の厚みを厚くすれば、放射性物質の浸透防止は可能であるが、一般的に溶射施工は費用が高く、焼却炉内耐火物全面への適用は、非現実的である。

特開２００９−１５５１２４号公報

第２４回廃棄物資源循環学会発表会講演論文集 ２０１３Ｃ４−３．ｐｄｆ 焼却施設における耐火物内へのセシウムの浸透調査（第２報）−セシウムの溶出特性− （独）国立環境研究所 水原らＣ４−６．ｐｄｆ 一般廃棄物焼却施設内部に蓄積した放射性核種と空間線量率の調査 京都大学大学院 大下らＣ４−７．ｐｄｆ 耐火物中への放射性セシウムの浸透について 株式会社クボタ 上林ら、（独）国立環境研究所 水原ら

本発明の目的は、上記従来技術の諸問題に鑑み、耐火物にコーティングを施すことにより放射性物質の耐火物内部への浸透を効果的に防ぐことができる耐火物のコーティング方法および同コーティング方法を用いてコーティングされた耐火物を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、焼却炉における耐火物内部への放射性物質の浸透を効果的に防ぐ方法を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、２：１型層状珪酸塩鉱物３０〜７０重量％とバインダー３０〜７０重量％とよりなるコート剤を耐火物表面に塗布することを特徴とする耐火物コーティング方法である。

２：１型層状珪酸塩鉱物の代表的な例は白雲母、イライトである。

前記２：１型層状珪酸塩鉱物の平均粒径は、好ましくは１〜３０μｍである。

前記コート剤の塗布により耐火物表面に形成されたコーティング層の厚みは、好ましくは１００〜１０００μｍである。

前記コート剤の粘度は、好ましくは５００〜２０００ｍＰａ・ｓである。

前記コート剤の塗布を、刷毛塗り、ヘラ塗りおよび吹付けのうち少なくとも１つを選択して行うことが好ましい。

前記耐火物コーティング層にメッシュを包含させることが好ましい。

本発明はまた、上述した耐火物コーティング方法を用いてコーティングされた耐火物を提供する。

本発明の耐火物コーティング方法によれば、耐火物の表面に高いバリア性を有するコーティング層を形成するので、このような耐火物を用いて構築した放射性廃棄物の焼却炉においては、放射性物質が炉壁内へ侵入することを効果的に防ぐことができる。そのため、焼却炉の炉壁内に放射性物質が侵入して蓄積することがなく、焼却炉の補修および解体時に作業者が放射性物質の被爆の危険に曝されるおそれがない。
一般に放射性物質が浸透した耐火物は炉解体後には放射性廃棄物となるが、本発明では耐火物表面にコーティング層を形成することによって放射性物質が耐火物内へ浸透するのを防ぐことができるので、放射性廃棄物はコーティング層部分のみとなり、大幅な放射性廃棄物減容化が達成できる。

コーティング層は、ごみや灰の衝突程度では剥がれることはないが、炉の解体時にはこのコーティング層に力を加え亀裂を発生させることで容易に剥がせるため、解体作業軽減が達成できる。

本発明の実施の形態を示す試験概要図である。 耐火試験ブロックの切断要領を示す図である。 走査型電子顕微鏡による元素マッピングの結果を示す図である。

２：１型層状珪酸塩鉱物３０〜７０重量％とバインダー３０〜７０重量％とよりなるコート剤において、２：１型層状珪酸塩鉱物の割合は３０〜７０重量％が望ましい。２：１型層状珪酸塩鉱物の割合が、３０重量％を下回ると放射性物質の浸透防止という効果が弱くなる。また、７０重量％を上回ると、耐火物に対する接着性を維持できない。

２：１型層状珪酸塩のような層状珪酸塩は、各層が平行に薄く剥がれやすい性質（劈開）を持っている。これは、４個の酸素原子によって囲まれた四面体構造をとる珪酸塩の３個の酸素原子が、隣の珪酸塩の４面体（ＳｉＯ_４）と共有し、平面的に繋がるという結晶構造に起因する。この４面体の平面的な繋がりは４面体シートと呼ばれる。さらに、この４面体シートと酸化アルミニウムや酸化マグネシウムなどが組み合った８面体の網状の繋がりは、８面体シートと呼ばれる。雲母鉱物は、８面体シートを４面体シート２枚で上下から挟んだ構造（２：１型鉱物）をもつ。セシウムは、この層間と大きさが同じであるため、層間に潜り込み、填っていく性質を有する。

２：１型層状珪酸塩鉱物を主成分とするコート剤は、鱗片状（箔状）の層からなる各粒子がコーティング面と平行に重なり合うことにより、さらにセシウムの浸透防止効果を発揮する。

バインダーとしては、無機系の水硬性バインダー等が好ましく用いられる。無機系の水硬性バインダーとしては、ジルコンセメント、アルミナセメントなどがあげられる。またバインダーとして、耐火物補修時に使用するパッチング材（不定形耐火物）を用いてもよい。無機系の水硬性バインダーやパッチング材を用いると、炉内で７００℃〜１２００℃の高温に曝され、水分がとび、焼結することで、耐火物への密着性を保つことができる。その他には、有機系の水溶性バインダーを用いてもよい。例えば、エタノール系水溶性バインダーや、アクリル系水溶性バインダーなどが挙げられる。有機系の水溶性バインダーは、乾燥時に蒸発し、炉内で高温に曝されることにより２：１型層状珪酸塩鉱物を多量に含んだ密着性の良いコーティング層が形成される。

２：１型層状珪酸塩鉱物の平均粒径は好ましくは１〜３０μｍである。平均粒径が1μｍより小さくなると、特徴である鱗片状（箔状）の層からなる各粒子が重なり合って放射性物質の浸透防止という効果が小さくなるため、１μｍ以上が好ましい。また、３０μｍより大きくなると施工性が低下するため、３０μｍ以下が好ましい。ここでの平均粒径は，レーザ回折・散乱法により求めた粒度分布から算出されるメジアン径（ｄ５０）である。

コート剤の塗布により耐火物表面に形成されたコーティング層の厚みは、好ましくは１００〜１０００μｍ、より好ましくは３００〜７００μｍである。コーティング層がこのような範囲の厚みであれば、ごみや灰の衝突程度では剥がれることはないが、炉の解体時には簡単に剥がすことができる。コーティング層の厚みが１００μｍを下回ると、放射性物質の浸透防止という効果が弱くなる可能性がある。また、１０００μｍを上回ると、耐火物に対する接着性を維持できない可能性がある。

コート剤の粘度は好ましくは５００〜２０００ｍＰａ・ｓ、より好ましくは
１０００〜１５００ｍＰａ・ｓである。コート剤がこのような範囲の粘度を有すれば、施工時にコーティング層の厚みを均一にすることが容易にできる。粘度が５００ｍＰａ・sを下回ると、コーティングの施工時にコーティング層の厚みにムラが生じる可能性がある。また，２０００ｍＰａ・sを上回ると、コーティング施工時に、コーティング層の厚みをコントロールすることが困難になる可能性がある。ここでの粘度は，回転体が流体から受ける抵抗を回転トルクから読み取ることで算出されるものである。

コート剤の塗布を、刷毛塗り、ヘラ塗りまたは吹付けによって行うことが好ましい。

コーティング層にメッシュを包含させることが好ましい。メッシュとしては、例えばセラミックファイバーシートや耐食性金属からなる金網が好適に用いられる。メッシュの線径は１〜５００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜３００μmである。メッシュの目開きは、１０〜１０００μｍが好ましく、より好ましくは３０〜５００μｍである。メッシュを包含したコーティング層を形成することで、コーティング層の耐剥離性、密着性が向上する。特に耐食性金属からなる金網を用いることで、熱間での熱膨張によってコーティング層の耐火物への密着力が強化される。また、炉解体時にメッシュごと取り外すことで、粉じんの発生を抑えることができるとともに、コーティング層をはがす作業を簡略化することができ、作業者の被曝の危険性をさらに低減することができる。

本発明によるコーティング方法を用いてコーティングされた耐火物は、焼却炉構築に好適に用いられる。

つぎに、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例１
ａ）コーティング層の形成
ムライト質骨材を用いた耐火物で６０ｍｍ×６０ｍｍ×６０ｍｍの試験ブロックを作成した（以下、これを「耐火試験ブロック」という）。

この耐火試験ブロックを電気炉において静止大気雰囲気下で１０００℃に昇温し、３時間保持し、事前焼成した。

ストーカ式都市ごみ焼却炉の炉内壁に付着した灰を採取し、これを目開き２ｍｍの篩で分級し、得られた細粒分に安定セシウム源として塩化セシウムを濃度が１００ｇ／ｋｇになるように添加し、十分混合して均一化した（以下、これを「調製灰」という）。

耐火試験ブロック（１）の上面に、雲母６０重量％とエタノール系水溶性バインダー４０重量％からなるコート剤を刷毛塗りし、塗膜を乾燥させ、厚み３００μｍのコーティング層（２）を形成した。コート剤中の雲母の平均粒径は３０μｍであり、コート剤の粘度は１５００ｍＰａ・ｓであった。
ｂ）試験
耐火試験ブロック（１）のコーティング層（２）を上にして同ブロック（１）を箱型の電気炉内に設置し、図１に示すように、コーティング層（２）上に調製灰（３）を乗せ、調製灰（３）の流出を防ぐために調製灰（３）を透明のカップ（４）で覆った。この状態で試験ブロック（１）および調製灰（３）を大気雰囲気下で１０００℃に昇温し、さらにこの温度を６時間保持し、その後自然に徐冷した。

試験後の耐火試験ブロック（１）の外観を観察し、刷毛で上面付着物を除去した。耐火試験ブロック（１）の上面には、図２に示すように、浸透痕（６）が残った。同上面の一角部に目印（５）付けた後、耐火試験ブロック（１）を左右に２分割し、目印（５）付きの分割片の断面を観察した。他方の分割片を上下に２分割し、上側の分割片をさらに厚み１０ｍｍで上、中、下の３片に切断した。これらの切断片（ａ）、（ｂ）、（ｃ）をそれぞれミルで粉砕した後、各切断片について蛍光Ｘ線分析により元素分析を行った。

試験は、コーティング層なしとコーティング層ありの２通りを行った。

元素分析の測定結果を表１に示す。表中、検出濃度は各分割片に対する各元素の重量％である。

また、コーティング層近傍について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察を行った。得られた元素マッピングを図３に示す。図３から、コーティング層においてセシウム（Ｃｓ）が捕らえられ、コーティング層が耐火物ブロックへの浸透を防いでいることが分かる。
元素マッピングおよび元素分析の結果から、本試験の条件では耐火試験ブロックには調製灰由来のセシウムの含浸が認められず、コーティング層によって浸透が防止されていることが確認された。

Claims (8)

1. ２：１型層状珪酸塩鉱物３０〜７０重量％とバインダー３０〜７０重量％とよりなるコート剤を耐火物表面に塗布することを特徴とする耐火物コーティング方法。
2. 前記２：１型層状珪酸塩鉱物が白雲母またはイライトであることを特徴とする、請求項１に記載の耐火物コーティング方法。
3. 前記２：１型層状珪酸塩鉱物の平均粒径が１〜３０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の耐火物コーティング方法。
4. 前記コート剤の塗布により耐火物表面に形成されたコーティング層の厚みが１００〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の耐火物コーティング方法。
5. 前記コート剤の粘度が５００〜２０００ｍＰａ・ｓであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の耐火物コーティング方法。
6. 前記コート剤の塗布を、刷毛塗り、ヘラ塗りおよび吹付けの少なくとも１つを選択して行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の耐火物コーティング方法。
7. 前記耐火物コーティング層にメッシュを包含させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の耐火物コーティング方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の耐火物コーティング方法を用いてコーティングされたことを特徴とする耐火物。