Summary

WHO Centre for Health Development

ＷＨＯ健康開発総合研究センター

A. The Background of This Research

研究の背景

１． A Paradigm shift in the concepts of waste disposal The world’s population, which was only 300 million when Jesus of Nazareth was born, reached 1.6 billion in the early 20^th century and now has exceeded 6 billion. This situation is expressed well by the phrase “population explosion”. When we consider the growing amount of energy consumed by each human, we have to be clearly aware of the fact that we are on the Starship Earth. Humanity has experienced the Agricultural and Industrial Revolutions and now we are witnessing another major change, the Information Revolution. As a result, today, a paradigm shift is needed in all aspects of human life and waste disposal is no exception. Mass production, mass consumption and mass waste system must be changed. It is necessary to improve the basic waste disposal system in modern society. In this paper, we report upon a new, geographically distributed method of waste disposal that makes the waste itself vibrate using microwaves. We hope that this new method can be used in place of the conventional, geographically centralized method of heating the waste from the outside using fossil fuel. This new method has the following three advantages: First, it is possible to decrease the amount of waste. The use of microwaves enables waste disposal locations to be widely distributed since each household, office, or factory can process its own waste at the place where it is generated.　This provides each location with strong incentives to reduce the amount of waste it discards because of its responsibility to process its own waste. Second, our new method suppresses the generation of toxic chemicals such as dioxin because the use of microwaves processes the waste at temperatures higher than traditionally possible. For example, the generation of dioxin in furnace decreases drastically at temperatures of more than 850℃. However, it is difficult to always maintain the temperature at 850℃ inside an old type of furnace. Third, rapid increases in the aged population make it inevitable that more medical care be provided at homes of aged people. Although this will result in more contagious medical waste being discarded at homes, our method provides an easy way to process the waste. The long-tem care insurance being in effect from April 2000 in Japan, many aged people can get medical cares at homes; and as a result contagious medical waste is discarded at each home. Also the Japanese Law on Processing and Cleaning Waste classifies contagious waste discarded by medical facilities as a kind of disposal that requires special management. Since the law requires facilities that discard such contagious waste to process it properly, the waste is either sterilized on site by, for instance, burning it, or third-party subcontractors are hired to do the processing. Currently, however, most medical facilities have combustion equipment that can only burn waste paper and other general waste; thus, most facilities depend on subcontractors for waste processing. As a result of this situation, there is a demand for better ways to process medical disposal from every field of medicine. Our proposed method, thanks to its use of microwaves, can sterilize contagious medical waste and thus provide a solution to this problem. Recognizing the paradigm shift in the concept of waste disposal, we have developed a microwave combustion furnace system in order to provide the three advantages described above. The furnace system’s structure is described below.

１. パラダイム・チェンジに基づく 廃棄物処理コンセプトの変化 イエス・キリスト生誕の頃３億人であった世界人口は２０世紀のはじめに１６億人になり、現在 ６０億人を突破した。まさに人口爆発であり、 一人あたりの使用エネルギーの増加も考慮すると我々は宇宙船地球号の認識をより明確に持たねばならない。　農業革命・産業革命に続く情報革命が進行中であり、すべての分野でパラダイム・チェンジがもとめられている現在、廃棄物処理もその例外ではない。大量生産・大量消費・大量廃棄という現代社会の基本システムを根本的に改める必要に迫られているのである。 本研究では、化石燃料により外から廃棄物を加熱して集中的に処理する従来の方式を変えてマイクロ波により廃棄物自体を振動させて処理する分散型の新方式を開発した。 この新方式の利点は次の３つである。 第１は、廃棄物の量を減らすことができることである。マイクロ波の利用により各家庭・各職場・各工場など廃棄物を出したその場所で分散型の処理が可能になり廃棄物を減らそうというインセンティブが働きやすくなる。自分が排出した廃棄物の処理を基本的にはその場所でしなくてはならなくなるからである。 第2は、ダイオキシンなど有害化学物質の生成を抑えられことである。例えば、８５０℃以上では 焼却炉内におけるダイオキシンの生成量が激減する。　しかし、旧方式の小型焼却炉では、炉内の温度を常に８５０℃にしておくことはなかなか難しい。　マイクロ波利用の新方式では小型でも高温処理が可能になるからである。 第3は、急速に高齢化する社会に不可欠な在宅の高齢者介護により必然的に発生する各家庭からの感染性医療廃棄物の処理を容易にできること である。 日本では２０００年４月より介護保険が施行され、多くの高齢者が自宅で介護を受けるようになり必然的に各家庭より感染性医療廃棄物が排出されるようになった。 また、「廃棄物の処理及び清掃に関する法律」により、医療関係機関より排出される感染性医療廃棄物が特別管理廃棄物に指定されているが、この感染性医療廃棄物は、発生元の責任において適正に処理する事が義務づけられており、自ら焼却等の滅菌処理を行うか、第三者に処理を委託しなければならないことになっている。しかし、医療関係機関等における既存の焼却設備のほとんどは、一般ゴミ（紙屑等）を焼却する性能しか有しておらず、業者への委託処理にそのほとんどを頼っているのが現状であり、各分野で廃棄物の適正な処理が求められている。マイクロ波利用の新方式による廃棄物処理方法は感染性医療廃棄物をかなり容易に滅菌することができ、在宅介護の廃棄物を滅菌したうえで、一般廃棄物の処理ルートにのせて処理することができるからである。 このように本研究は、コンセプトの変化に基づき、マイクロ波利用焼却炉を製作し新しい廃棄物処理用のシステムづくりを試みたものである。

2. The structure of the microwave combustion furnace The furnace consists of the following components: (1) The primary furnace (combustion chamber) Waste to be disposed of is placed in this furnace which radiates microwaves which dry the waste (remove water, alcohol, and other liquids from the waste) and ignite it. Air is supplied so that the waste catches fire. This results in the generation of pyrolytic gas, and the combustion of the leftover materials (carbides, etc.) incinerates it. �@ Accompanying devices and instruments: a: air supply nozzle b: ignition and combustion-improving burner (uses LPG or other appropriate gases) c: exhaust outlet for the generated gas d: waveguide connector e: thermocouple used to measure the gas temperature at the exit of the primary furnace �A Materials composition of the furnace: Inner wall: drum made of SUS304 plate Wall filling: fire-resistant, heat-insulating lining Outer shell: drum made of SS400 plate (2) The secondary furnace (combustion chamber) This furnace receives the steam, solvent gas, and other gases generated by the combustion of the waste. These gases are received from the primary furnace through the generated-gas duct, which is connected to an exhaust outlet for the generated gas. This secondary furnace improves the combustion of the gases to the point that the complete combustion and decompositions of all elements in the gas that can be burned and decomposed by heat is achieved. �@ Accompanying devices and instruments: a: ignition and combustion-improving burner (uses LPG or other appropriate gases) b: the entrance for generated gas c: exhaust outlet for combustion gas d:thermocouple used to measure the gas temperature at the exit of the secondary furnace �A Materials composition of the furnace: Inner wall: fire-resistant castable lining Wall filling: fire-resistant, heat-insulating lining Outer shell: drum made of SS400 plate (3) Stack This is an exhaust outlet that expels the combustion gas from the secondary furnace into the atmosphere. Its lower (supply) end is connected to the exhaust outlet at the end of the secondary furnace. �@ Accompanying devices: arrestor (a filter that prevents the leakage of microwaves) �A Materials composition of the stack: Inner wall: fire-resistant, heat-insulating castable lining Outer shell: drum made of SS400 plate (4) Microwave generator This device generates microwaves, which are radiated onto the dangerous substances in the waste, (e.g., those containing alcohol) which have been placed in the primary furnace. This radiation safely heats and dries up the waste and later ignites the dried waste. �@ Accompanying devices and instruments: a: Waveguides; Square-sectioned metal pipes that transmit the microwaves generated by the generator to the primary furnace b: Isolator; The isolator is equipped on a waveguide where it protects the generator by absorbing the microwaves reflected by the radiation section. c: Power monitor; This meter is equipped on a waveguide where it monitors the power of the incoming radiation from the generator and the reflected radiation from the radiated section. d: Regulator; This device is equipped on a waveguide where it regulates the microwaves emitted from the generator so that the waste can absorb the microwaves with the highest efficiency possible. e: Air-cooled tubes; A portion of the air flow sent in from the blower runs through these thin tubes (from which no microwaves escape) to cool down the waveguides. This prevents the heat conducted from the primary furnace from damaging the waveguides. �A Specifications: ISM 2450MHz band, available on the market, air-cooled, 1.2 to 1.5kW per unit (5) Blower The blower supplies air to the combustion-improving burners of the primary and secondary furnaces, as well as to the air-cooled tubes attached to the waveguides. �@ Accompanying devices and instruments: Piping and a manifold �A Specifications: Air-flow capacity; 5 to 10 Nm^3/min, static pressure; 100 to 150 mmAq, available on the market (6) Primary ignition and combustion-improving burner (uses LPG or other appropriate gases) As one part of the primary furnace, this burner begins to work when the waste in the primary furnace reaches the threshold for ignition, at which time it ignites the waste and improves its combustion. �@ Accompanying instrument: Air-cooled tube. This tube transmits a portion of the air sent in from the blower described in (5) above. �A Specifications: An LPG pilot burner available on the market. (7) Secondary ignition and combustion-improving burner (uses LPG or other appropriate gases) As one part of the secondary furnace, this burner ignites the steam, alcohol, and other solvent gases, and the combustion gas from the primary furnace and improves their combustion. �@ Accompanying devices and instruments: Air-cooled tube. This tube transmits a portion of the air sent in from the blower described in (5) above. Automatic igniter. Flame sensor. �A Specifications: An LPG burner available on the market, 50,000 to 150,000Kcal/hr.

２．マイクロ波利用焼却炉の基本構造 当該焼却炉は次の各部で構成される。 (1) 一次燃焼炉（室） 焼却対象物を一括して挿入し、マイクロ波を照射し、焼却対象物を乾燥 （脱水・脱アルコール等）し、着火し、供空して延焼させ、熱分解ガスを生成させ、燃渣(炭化物等)を焼却し、灰化させる炉。 �@ 付帯機器： 　イ, 供空ノズル 　ロ, 着火・助燃バーナー （ＬＰＧ等） 　ハ, 生成ガス排出口 　ニ, 導波管連接口 　ホ, 一次燃焼炉出口ガス温度測定用熱電対。 �A 構造： 内壁：SUS304板製缶構造 壁バッキング：耐火断熱材ライニング構造 外殻：SS400板製缶構造 (2) 二次燃焼炉（室） 一次燃焼炉の生成ガス排出口に連接された生成ガスダクトを介して送給された水蒸気・溶剤ガス・燃焼生成ガス等を受容し、助燃し、自燃させ、熱分解性・可燃性物質を完全に燃焼させ、熱分解する炉。 �@ 付帯機器： イ, 着火・助燃バーナー（ＬＰＧ等） ロ, 生成ガス受容口 ハ, 燃焼排ガス排出口 ニ, 二次燃焼炉出口ガス温度測定用熱電対｡ �A 構造： 内壁：耐火キャスタブルライニング構造 壁バッキング：耐火断熱材ライニング構造 外殻：SS400板製缶構造 (3) スタック 二次燃焼炉終端部の燃焼ガス排出口に下端(始端)部を連接し二次燃焼炉の燃焼排ガスを大気に排出する排出口｡ �@ 付帯機器： アレスター(マイクロ波漏洩防止ネット) �A 構造： 内壁：耐火断熱キャスタブルライニング構造 外殻：SS400板製缶構造 (4) マイクロ波発振器(機) 一次燃焼炉に挿入した含アルコール廃棄物など危険な焼却対象物にマイクロ波を照射し、緩やかに加熱し、乾燥し、又はその後着火させるためのエネルギー供給手段。 �@ 付帯機器： イ, 導波管：マイクロ波を発振機から一次燃焼炉に導く金属製の断面方形のパイプ。 ロ, アイソレーター：導波管路上に装着しマイクロ波照射部より反射する反射波を吸収する発振機の保護体。 ハ, パワーモニター：導波管路上に装着し発振機からの入射電力、 照射部からの反射電力のモニターを行う計器。 ニ, 整合器：導波管路上に装着し発振したマイクロ波を被照射物に効率よく吸収させるための調整体。 ホ, 導波管空冷管：一次燃焼炉内の熱の伝導により導波管を損傷させないためブロアーの風の一部を（マイクロ波が漏洩しない）細管で導き冷却するパイプ。 �A 仕様: ISMバンド2450ＭＨｚ・市販品・ 空冷・1.2〜1.5kW/台 (5) ブロアー 一次、二次燃焼炉助燃焼バーナー燃焼用空気供給、及び導波管の一部空冷用空気供給機。 �@ 付帯機器：配管・マニホールド �A 仕様：風量･5〜10 Nm^3/min 静圧･100〜150 mmAq ･市販品｡ (6) 一次着火・助燃バーナー（ＬＰＧ等） 一次燃焼炉に付帯し、一次燃焼炉内の焼却対象物が着火･延焼レベルに乾燥した後作動して焼却物に着火し助燃する。 �@ 付帯機器：保護用空冷管（前第5項）の ブロアーの風を一部使用｡ �A 仕様：LPGパイロットバーナー ･市販品｡ (7) 二次着火・助燃バーナー（ＬＰＧ等） 二次燃焼炉に付帯し、一次燃焼炉より送給された水蒸気、アルコール等溶剤ガス、一次燃焼ガスを着火し助燃する。 �@ 付帯機器：燃焼用空冷管（前第5項）のブロアーの風を一部使用・自動点火装置･フレームセンサー｡ �A 仕様：LPG仕様 ･市販品･50,000〜150,000 KCal/hr

1. Secondary burner 10. Waveguide

2. Stack 11. Primary burner

3. Thermocouple 12. Waveguide

4. Secondary furnace 13. Regulator

5. Air-cooling tubes for the waveguides 14. Power monitor

6. Thermocouple 15. Isolator

7. Primary furnace 16. Microwave oscillators

8. Air supply nozzle 17. Blower

9. Microwave generator 18. Schematic diagram

B. The Objectives of This Research

研究の目的

Contagious medical waste (to be called “waste” hereafter) mainly consists of flame-resistant, high-polymer organic compounds and comes in a variety of states including liquids and solids. Conventional methods of waste combustion which apply oil or gas to the waste to make it burn often fail to achieve stable, complete combustion. Moreover, they present the problem of exhaust gas emissions which result from burning the fuel. In order to make the waste burn stably, two requirements have to be met: The first is to supply clean energy, and the second is to combust the waste into a gaseous state while keeping the waste’s reactions stable. Keeping these requirements in mind, microwaves, which have been widely used in general households and industrial heat processing applications, were selected for use. We conducted combustion tests utilizing the microwave’s characteristic ability to activate the waste itself and thus generate large quantities of heat. We then examined how the combustion had proceeded, and whether the waste was completely transformed into a gas in stable reactions. We also confirmed whether the waste could be kept within a constant temperature range as this is a crucial requirement in applying our methodology to actual equipment and in sterilizing the waste. This part of the research included confirming how the burning proceeded and analyzing the exhaust gas and the residue for dioxin and other hazardous chemicals. In addition, we examined the heating efficiency of the microwaves and methods for handling larger quantities of waste, as well as the temperature-dependence of the waste’s dielectric constant, which affects the microwave radiation.

感染性医療廃棄物（以下処理物と称す）は、難燃性の高分子有機化合物が主体であり、又、状態も固体及び液状物等多様である為、従来の処理方法での油やガスによる外部からの強制燃焼及び自燃焼では、安定した焼却による完全焼却が困難となりがちである。又、供給燃料による排ガスの問題も生じる。 安定した燃焼をさせるには、安定したクリーンなエネルギーを供給すると共に、処理物が安定した状態で、ガス化燃焼・焼却を行えるかが重要になる。 そこで、本研究では一般家庭及び工業熱処理に広く用いられている（廃棄物処理装置としては用いられていない）マイクロ波を用い、マイクロ波の特性を利用した、処理物自体の励起加熱と発熱量による、安定ガス化、燃焼、焼却の実燃焼テストを行った。 そしてこの実装置を適用（処理物の焼却運転状態及び排出ガス・残渣中の、ダイオキシン類の分析等）し、滅菌処理利用の基本事項である処理物への定温制御性の確認及び、マイクロ波加熱効率と処理量アップ相当へのマイクロ波対応そして、マイクロ波照射に影響する処理物自体の誘電率の温度依存性特性を測定し、今後の課題を明らかにした。

C. Methods

研究方法

（1） We conducted combustion tests using the equipment and specifications listed below.

実燃焼テストとして、マイクロ波利用の実装置適用の確認を下記の方法で行った。

Equipment used 処理装置	SMCI-60 Waste processing unit using microwaves. マイクロ波利用処理装置（SMCI-60） Another waste processing unit for comparison (forced burning, self-combustion) 比較処理装置（強制着火、自燃）
Waste to be processed 対象処理物	Dialyzers (containing water), blood circuits, and injection syringes. Total weight: 7.359kg (9.189kg) ダイアライザー（水入り）、血液回路、注射筒 計 7.359kg （9.189kg）
Combustion tests conducted 燃焼テスト	A. Standard combustion using the microwave unit and comparison unit 標準燃焼、比較処理装置の標準燃焼 B. Combustion with an improved processing cycle 処理サイクル改善燃焼 C. Air supply adjustment and regulated combustion 供給空気改善及び調整燃焼
Data obtained データ 類	Data on the units’ operations (changes in microwave radiation and its effect), changes in each furnace’s temperatures, an analysis of the exhaust gas and residue (for dioxins, reduction of the waste in quantity, etc.) 装置運転データ（マイクロ波作動等推移）、各燃焼室温度推移 排ガス、残渣分析（ダイオキシン類、熱灼減量他）
Analysis 解 析	Issues related to the heat balance 熱精算関係

（2） We confirmed the degree to which the furnace temperatures could be held constant for sterilization in the manner described below.

滅菌処理の定温制御性確認は、下記の方法で行った。

Equipment used 処理装置	SMCI-60 Waste processing unit using microwaves マイクロ波利用処理装置（SMCI-60）
Waste to be processed 対象物	Dialyzers (containing water), chicken meat (containing water), and blood circuits ダイアライザー（水入り）、鳥もも肉（含水物）、血液回路
How the test was conducted 確認テスト	We radiated microwaves onto each type of waste individually, two of them together, and then all three kinds of waste together, manually keeping the temperature at a constant level. The reference temperature range was 100 to 120 degrees Celsius. The radiation was applied for 15 to 30 minutes. ３種混在、単材、２種混在に対し、マイクロ波を照射し、定温度手動制御を行った。 基準温度 100から120℃、時間 15〜30分
Data obtainedデータ類	Changes in the furnace temperatures were recorded using the thermocouple. 熱電対による温度変化を連続記録

(3) Measuring the heating efficiency of the microwaves Because actual medical waste is composed of many different substances, good heating efficiency cannot be obtained if the waste is heated with microwaves. Therefore, water was added to the objects to be heated in order to obtain greater microwave heating efficiency. First, we measured the microwave heating efficiency of the primary furnace of the SMCI-60 with medical waste in it. The capacity of this furnace is 60 litres. In cases in which the measured data showed less than acceptable efficiency, the causes of the problems were investigated and solutions were devised. After making these improvements, we measured the efficiency of a larger version of the primary furnace, whose capacity is 300 litres. We then compared the data obtained to those from the version with a 60-litre primary furnace.

（３）マイクロ波の加熱効率測定 医療廃棄物はいろいろな物質の混合体であるため医療廃棄物そのものをマイクロ波加熱して加熱効率を直接求めることは不可能である。そこで本研究では加熱対象物に水を用いてマイクロ波加熱効率を求めた。 まず、ＳＭＣＩ−６０型６０リットル一次燃焼室容量医療廃棄物焼却装置のマイクロ波加熱効率を測定し、得られた測定データが十分な加熱効率ではないと見なされる場合、その原因を特定して改善方法を見つけだす。 改善したマイクロ波照射方法を採り入れた３００リットル容量の一次燃焼室の加熱効率を測定し、 ６０リットル一次燃焼室容量医療廃棄物焼却装置のマイクロ波加熱効率測定データと比較する方法を採用した。

(4) The temperature-dependence of the complex dielectric constants of the waste materials Materials used for the measurement: polyvinyl chloride, Duracon, nylon, polyethylene terephathalate, polypropylene, and ABS (seven kinds of materials) We applied direct current magnetic field to a cavity resonator, measured the complex dielectric constants of the above materials, and performed an electromagnetic analysis, assuming that the materials were in a microwave furnace. This was accomplished by measuring the changes in the resonance frequency.

（４）処理物材料の複素誘電率の温度依存性特性 測定試料：ポリ塩化ビニル,ジュラコン,ナイロン,ポリエチレンテレフタレート,ポリプロピレン， ＡＢＳの７種類 矩形空洞共振器に直流磁界を加え、共振周波数の変化により、処理材の複素比誘電率の測定と、マイクロ波の炉内想定での材料の電磁界解析を行った。

D.　Results

　　　　　　　　　　　　　　　　　研究結果

1. Actual combustion tests and confirmation of the temperature controllability for sterilization 1-1. Usability of the microwave waste processing unit – We confirmed that we could stably control the temperature of the secondary furnace by turning on and off the burner and the microwave radiation. This shows that microwaves are effective in heat-processing disposal and that the utilization of microwaves is possible. 1-2. Suppression of the generation of dioxins – The exhaust gas contained 2.2 to 4.4ng/m^3N of dioxins and 0.0046 to 0.02ng/m^3N of Co-PCB. Though these figures are below the values required by the related regulations, they are larger than 1ng/m^3N, the minimum value achieved so far. We attribute these high values to the presence of too much waste, which generated a large amount of gas. However, the gas remained in the secondary furnace only for 0.7 to 0.8 second, much shorter than the standard 2 seconds, resulting in a low decomposition of dioxins. Limiting the quantity of waste to a level at which the combustion gas remains within the secondary furnace for the standard 2 seconds should keep the dioxin density lower than 1ng/m^3N. – We confirmed that the residue contained 0.16 to 2.7ng/m^3N of dioxins and 0.00097 to 0.07ng/m^3N of Co-PCB. Both figures are very low. However, in one part of the test, a higher concentration of dioxins (56ng/m^3N) and Co-PCB (l.8ng/m^3N) was detected. In this case, the temperature of the primary furnace was as low as 400℃, a level at which there remains enough incompletely combusted carbide residue to generate dioxins. – The CO density of the exhaust gas was as low as several ppm. – To suppress the generation of dioxins, the secondary furnace should be kept at 850 degrees Celsius or higher and the gas should remain within the furnace for 2 seconds or longer. The primary furnace should be kept at 600℃ or above, and the waste within the primary furnace should be combusted into gas within 2 hours. 1-3. Other analyses – The dust density of the exhaust gas from combustion ranged from 0.001 to 0.08ng/m^3N. – The combustion efficiency of the waste was as high as 97%. – The waste was reduced by 98% in quantity after combustion. – Residue was reduced by 85%, and most of the residue was carbides which had not combusted. – The processing unit’s calorie efficiency was 66% for the SMCI-60 and 76% for the STB-60. 1-4. Differences from the processing unit for comparison (STB-60) – The results of the combustion tests (of small quantities of waste) showed no significant differences. 1-5. Temperature controllability for sterilization – With different materials coexisting in the waste, it can be difficult to keep the combustion temperature of the waste within a specific range across all of the different materials. This depends largely on whether water is contained in any of the waste. – The temperature of waste made up of a single material can be kept within a certain range. – The temperature can be kept within a specific range by combining the right waste materials. – The temperature does not exceed 100℃ for waste containing water under normal pressures until the water evaporates. This limits the sterilization effect of the combustion. – We believe that the processing unit requires further improvements in terms of temperature controllability. 2. Measuring microwave heating efficiency 2-1. Measuring the reflective characteristics of the microwave radiating section with a network analyzer Before measuring heating efficiency, we measured the reflective characteristics of the microwave radiating section of the SMCI-60’s 60-litre primary furnace using a network analyzer. The measurements showed that in terms of power, 23.6% of the microwaves were lost during reflection. A 6.8kg dialyzer was used to absorb the microwaves. 2-2. Measuring the microwave heating efficiency of the medical waste processing unit’s 60-litre primary furnace Measurements showed a heating efficiency of 60% for objects containing water, a figure which was not very good. Of the 40% loss of energy, 23.6% was due to microwave reflection by the microwave radiating section. 2-3. Optimizing the microwave radiating section Using a 6.8kg dialyzer to absorb microwaves, we searched for the shape and position of the radiating section that would result in the least reflection, utilizing a network analyzer. The radiating section of the existing SMCI-60 medical waste processing unit had a 27mm x 96mm opening. We reduced the opening by 31mm to 27mm x 64mm, and positioned the opening at least 46.5mm away from the inner wall of the primary furnace. This drastically reduced the power loss due to microwave reflection to 2.2%. 2-4. Measuring the heating efficiency of the medical waste unit’s optimized 300-litre primary furnace Using the same method of measurement as with the 60-litre primary furnace, the efficiency of the 300-litre primary furnace was investigated and determined to be 86.9%. 3. The temperature-dependence of the complex dielectric constant of the waste

１．実燃焼テスト及び滅菌利用の定温制御性確認 1-1.　マイクロ波利用焼却炉での運転適用 ・二次燃焼室設定温度制御が、燃焼バーナーとマイクロ波照射負荷（入･切）により、安定したコントロール状態が確認でき、マイクロ波利用による処理物加熱制御への有効適用性が確認され処理装置として、マイクロ波の利用は可能である。 1-2.　ダイオキシン類の発生抑制 ・排ガス中のダイオキシン類濃度は、２.２〜４.4 ｎｇ/ｍ^３Ｎ、Ｃｏ−ＰＣＢ濃度は０.００４６〜 ０.０２ｎｇ/ｍ^３Ｎの結果となり、規制値はクリアーしているが、従来実績値 １ｎｇ/ｍ^３Ｎ以下とはならなかった。これは、処理物の過剰投入による発生ガス量アップの為、二次燃焼室での滞留時間が標準２秒に対し、０.７〜０.８秒となった為、ダイオキシン類の分解が低下したものと考える。二次燃焼室の滞留時間を標準２秒に対応する処理量とすれば、低ダイオキシン類濃度１ｎｇ/ｍ^３Ｎ は、充分可能である。 ・残渣中のダイオキシン類濃度は ０.１６〜 ２.７ｎｇ/ｍ^３Ｎ 、Ｃｏ−ＰＣＢ濃度は ０.０００９７〜０.０７ｎｇ/ｍ^３Ｎ と低濃度を確認できた。但し、1テスト結果として、ダイオキシン類濃度５６ｎｇ/ｍ^３Ｎ、Ｃｏ−ＰＣＢ濃度が、１.８ｎｇ/ｍ^３Ｎと高濃度となる。これは、一次燃焼室の温度が、４００℃程度と低い状態の為、未燃炭化物も多く、ダイオキシン類の析出保持された為と考える。 ・ガス化中のＣＯ濃度は数ｐｐｍと低濃度である。 ・ダイオキシン類の発生抑制は、二次燃焼室温度８５０℃以上、滞留時間 ２秒以上、一次燃焼室温度は、６００℃以上を管理条件とし、２時間以内に一次燃焼室をガス化＋燃焼状態にすべきである。 1-3.　その他分析及び解析 ・焼却排ガス中のダスト濃度は、０.００１〜 ０.０８ｎｇ/ｍ^３Ｎ と、低濃度である。 ・処理物の燃焼効率は、９７％と、高効率である。 ・処理物の減量化率は、９８％である。 ・焼却残渣中の熱灼減量は、８５％（未燃炭素分が主）。 ・装置の有効熱量率は、 ＳＭＣＩ−６０で、 ６６％、ＳＴＢ−６０で、７６％である。 1-4.　比較処理装置（STB-60）との差異 ・今回の焼却テスト（小型処理）結果では、特に差異は見られなかった。 1-5.　滅菌利用へのマイクロ波の定温制御性 ・混在では、処理物の状態差（水分の有無）により、処理物均一の定温制御性は困難である。 ・単材での定温制御は可能である。 ・処理物の組み合わせにより、定温制御は可能である。 ・水分含有物については、水分蒸発迄、１００℃以上での滅菌状態は出来ない。（常圧下） ・処理物の温度管理に充分な配慮が必要と考える。 ２．マイクロ波の加熱効率測定 2-1.　ネットワークアナライザーによるマイクロ波照射口の反射特性の測定 加熱効率測定を行う前にネットワークアナライザーを用いてＳＭＣＩ−６０型６０リットル一次燃焼室容量医療廃棄物焼却装置のマイクロ波照射口のマイクロ波反射特性を測定した。 測定の結果、６.８ｋｇの人工透析器をマイクロ波吸収材としたときに２３.６％のマイクロ波電力が反射によって損失している事が判明した。 2-2.　６０リットル一次燃焼室容量医療廃棄物焼却装置のマイクロ波加熱効率測定 加熱物に水を用いた時のマイクロ波加熱効率測定の結果は６０％と決して高効率とはいえない値であった。どこかに失われた４０％のエネルギー損失分のうち２３.６％はマイクロ波照射口でのマイクロ波反射によるものである。 2-3.　マイクロ波照射口の最適化研究 ６.８ｋｇの人工透析器をマイクロ波吸収材にし、ネットワークアナライザーで反射の少ないマイクロ波照射口の形状と照射口の位置を求めた。 照射口は従来のＳＭＣＩ−６０型医療廃棄物焼却装置の開口寸法である２７ｍｍ×９６ｍｍより一辺を３１ｍｍ短くした２７ｍｍ×６５ｍｍとし、開口位置を一次燃焼室の内壁面より４６.５ｍｍ以上離すことで、マイクロ波反射電力損失を２.２％に減少させることが出来た。 2-4.　最適化した照射口を備えた３００リットル容量一次燃焼室のマイクロ波加熱効率 ６０リットル一次燃焼室容量医療廃棄物焼却装置のマイクロ波加熱効率の測定方法と全く同じ方法で３００リットル容量一次燃焼室のマイクロ波加熱効率を測定して８６.９％の測定値を得た。 ３．処理物材料の複素誘電率の温度依存性特性

E. Summary and further considerations

研究のまとめと考察

1. The actual combustion tests and sterilization – The combustion tests showed no significant differences between the microwave waste processing unit (SMCI-60) and the other unit for comparison (which used no microwaves and forced the waste into self-combustion). Both units showed good results. We ascribe these results to the small quantity of waste used in the tests. This, we believe, caused no significant differences in the internal combustion between the two units. (If water content is greater than 20%, we can assume there will be self-extinguishment of combustion.) In terms of the suppression of dioxins, although the secondary furnace was designed to contain exhaust gas for 2 seconds, the gas actually stayed in the secondary furnace only for 0.7 to 0.8 second during the test. This resulted in a dioxin concentration of 2.2 to 4.4 ng/m^3N, far higher than 1ng/m^3N. The dioxin concentration of the residue was sufficiently low at 0.16 to 2.7ng/m^3N. In order to suppress the generation of dioxins, the temperature of the secondary furnace and the length of time the gas stays in the furnace must be carefully controlled. If we succeed in this, we will be able to use microwaves to control the contents of the gas which is generated and make the waste combust into safe exhaust gas. Also, another advantage of using microwaves is that sterilization can be achieved by choosing the right waste materials. This research has confirmed that microwaves can be applied effectively to medical waste processing units that incinerate and sterilize such waste in a clean, safe way, thereby reducing the quantity of endocrine disrupters generated by waste processing. In the future, we need to study and develop sensors which can help to optimize the microwaves used for various types of waste and processing situations. 2. Measuring microwave heating efficiency 2-1. Energy savings By optimising the microwave radiating section’s shape and position, we achieved a heating efficiency of 86.9% for a 300-litre primary furnace. Compared to the existing SMCI-60 waste processing unit, whose heating efficiency is approximately 60%, our optimization improved the heating efficiency by more than 26%. The SMCI-60 required 2.5kWH of power to combust a 1kg dialyzer. This figure is based on test results which showed that the unit consumed 25kWH to combust a 10kg dialyzer. Our 300-litre furnace with the optimized radiating section took only 1.88kWH to combust a 1kg dialyzer. This provides a 25% of energy savings. 2-2. Reducing equipment costs Enlarging the existing SMCI-60 waste processing unit to the capacity of 300 litres should result in a unit requiring a microwave output of 12kW. This increase in size would connect 10 suites of a 1.2kW microwave generator with all the accompanying transmission piping and other equipment to a 300-litre primary furnace. Our research has shown that we can attain the same effect using 9kW of microwave output. At this level of efficiency and using a 1.5kW microwave generator, we can obtain the same effect with 6 suites of generators with all of the accompanying transmission piping and equipment. This reduces the cost by some 30%. 2-3. Future tasks Since medical waste is made up of many different materials and thus shows a variety of power reflecting behaviour when combusted, a control programme that optimizes the microwaves must be developed based on the long-term collection and analysis of data. 3. The temperature-dependence of the complex dielectric constant of the waste – Temperature-dependence of complex dielectrirc constant For all the materials tested, the imaginary part’s absolute value grew significantly larger as the temperature rose (especially around and above 100℃), while the real part’s absolute value remaining smaller than the imaginary part. – Heat distribution within a microwave furnace Heat generation was more than double at higher temperatures (150 to 200℃) than at normal temperatures. The tests also showed that the central part generated more heat than the peripherals. Microwave heating begins at the center of an object and then spreads to its periphery. As the temperature rises, generated heat increases. In this way, microwave radiation can raise the temperature of an object to a high temperature. In the future, a furnace (primary) optimized for waste combustion which takes into consideration the distribution of heat generated by microwave radiation needs to be designed.

１．実燃焼テスト及び滅菌利用 ・今回の燃焼テストでは、マイクロ波利用処理装置（SMCI-60）と、比較処理装置（マイクロ波無し、強制着火自燃焼方式）での差異は見られず、両処理装置とも良好であった。これは、小容量処理での比較の為、内部燃焼状態差が生じなかった為と考える。（含水物が ２０％ 以上と多い場合には、自燃焼消火等の発生が想定される。） ダイオキシン類の抑制については、二次燃焼室容量と発生ガスの燃焼排ガスによる設計滞留時間２秒に対し、０.７〜０.８秒程度となり、 ２.２〜４.４ｎｇ/ｍ^３Ｎ と、低ダイオキシン濃度 １ｎｇ/ｍ^３Ｎ とはならなかった。また、残渣中のダイオキシン類濃度は、０.１６〜２.７ｎｇ/ｍ^３Ｎ と低濃度を確認できた。 ダイオキシン類の発生抑制は、二次燃焼室の温度制御及び滞留時間の確保であり、マイクロ波の利用により、発生ガスのコントロールと安定ガス化燃焼が可能である。 また、マイクロ波の有効活用として、滅菌処理利用については、処理物の選択により可能である。 今回の研究により、上記のようにマイクロ波の焼却処理及び滅菌処理への利用は、クリーンなエネルギー及び環境ホルモン問題を解決する手段として、活用できる基本的な確認が出来、医療系廃棄物の処理装置として、実用化には十分期待できる。 今後、利用するマイクロ波の制御を状況に合わせた条件設定で行う為に、センサー類の研究開発が課題と考える。 ２．マイクロ波の加熱効率測定 2-1.　省エネルギー マイクロ波導入口の形状と位置を最適化することによって、３００リットル一次燃焼室のマイクロ波加熱効率８６.９％の結果を得た。 従来型ＳＭＣＩ−６０型医療廃棄物焼却装置のマイクロ波加熱効率は約６０％であるので２６％強の効率を上昇させる結果を得た。 ＳＭＣＩ−６０型医療廃棄物焼却装置では、約１０ｋｇの人工透析機器を焼却するのに２５ｋＷＨの電力が必要であったので、人工透析器を焼却処理するのに１ｋｇあたり２.５ｋＷＨ必要であったが、最適化したマイクロ波照射口を備えた３００リットル医療廃棄物焼却装置ならば１ｋｇの人工透析器を焼却処理するのに１.８８ｋＷＨで済み、 ２５％のエネルギーコストの削減が可能となった。 2-2.　設備費のコストダウン 従来型のＳＭＣＩ−６０医療廃棄物焼却装置のままで燃焼室容量を３００リットルにスケールアップすると１２ｋＷのマイクロ波出力が必要である。 この方法では、１.２ｋＷマイクロ波発振器及び マイクロ波を送電する導波管など１０セットを ３００リットル一次燃焼室に針鼠のごとくに配置して接続する事になる。 本研究の成果で、マイクロ波出力は９ｋＷで同能力を出せることになり、一台のマイクロ波出力が１.５ｋＷ出力のマイクロ波発振器を採用した場合には導波管、アイソレーター、マイクロ波発振器等マイクロ波機器の台数を６セットにすることで ３０％程度コストダウンが可能となった。 2-3.　今後の課題 医療系廃棄物は様々な物質の集合体であり、加熱減容する際に示す反射電力の挙動はいつも同じではないので、長期にわたるデータ収集とデータの解析から最適なマイクロ波の制御プログラムの作成が課題と考える。 ３．処理物材料の複素誘電率の温度依存性特性 ・複素誘電率の温度依存性特性 全ての材料は、温度上昇（特に１００℃前後より）と共に複素誘電率の虚数部が大きく上昇し、実数部の変化は虚数部に比べ、小さい結果を得た。 ・ マイクロ波炉内での材料の発熱分布 高温時（１５０℃及び２００℃）での発熱量は常温時に対して２倍以上であり、発熱は中心部分が周辺 より大きい事が判明。 マイクロ波加熱時の発熱は、温度が上昇するほど大きくなり中心部分から加熱が広がって行き、昇温が進むほど加熱が強くなり、処理物の温度上昇はマイクロ波照射により高温に昇温される。 今後は、これらの発熱分布を考慮した処理釜（一次燃焼室）の最適設計が課題と考えられる。