(57)【要約】ポルトランドセメントの完全な、または部分的な代わりとしての、建築製品におけるセメント質灰の使用は、そうしなければポルトランドセメントの製造から生じることになる二酸化炭素の放出の削減をもたらす。ポルトランドセメントを製造するための石灰石の焼成、およびポルトランドセメントを製造するのに必要なエネルギを提供する化石燃料の燃焼に由来する二酸化炭素放出の回避に加えて、吸着剤成分の使用は、石炭の燃焼由来のエネルギ生産の効率を増大させ、さらにエネルギ生産のための化石燃料の燃焼由来のグリーンハウス放出物を削減する傾向がある。【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭燃焼施設で燃焼された石炭の価値を増大させる方法であって、
燃焼排ガス脱硫装置なしに、かつ少なくとも１つの吸着剤の存在下で、水銀含有石炭を燃焼して、熱エネルギ、灰および燃焼排ガスを生産する工程と、
硫黄および水銀に関して前記燃焼排ガスを監視し、かつ前記少なくとも１つの吸着剤の前記存在を調整して、環境規制に準拠する硫黄放出物および水銀放出物の少なくとも１つを発生させ、それによって前記燃焼排ガス脱硫装置に関連するコストの回避によって金銭的節約を実現する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
１つ以上の財務諸表に前記金銭的節約を反映する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記財務諸表が、税申告、バランスシート、キャッシュフロー分析、自己資本表および損益計算書の少なくとも１つであることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
二酸化炭素放出クレジット、水銀放出クレジットおよび二酸化硫黄放出クレジットの少なくとも１つを生み出す工程をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
１つ以上の財務諸表に前記放出クレジットを反映する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記灰が前記石炭に元来存在する水銀の少なくとも９０重量％を含有し、前記灰が前記少なくとも１つの吸着剤なしに石炭を燃焼することによって生産される灰の酸性浸出可能水銀のレベル未満である酸性浸出可能水銀量を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
セメントの生産に前記灰を使用する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
工業原料として前記灰を販売する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの吸着剤が、ＣａＯ，ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｆｅ２Ｏ３，Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記石炭燃焼施設が電気施設プラントであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記石炭燃焼施設がセメントプラントであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの吸着剤の前記存在からの前記金銭的節約が、前記少なくとも１つの吸着剤の前記存在のコストよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
エネルギおよび廃棄物灰を生産するための石炭燃焼プラントの運転方法であって、
吸着剤組成物の存在下で石炭を燃焼して、前記吸着剤組成物なしに石炭を燃焼して生産される廃棄物灰と比較して、強度活動指数に反映される、改良されたセメント質特性を有する廃棄物灰を生産する工程と、
セメント質特性を有する前記廃棄物灰であって、前記吸着剤組成物なしに石炭を燃焼して生産される廃棄物灰と比較して、酸性浸出可能水銀のレベルが低下している前記廃棄物灰を回収する工程と、
前記廃棄物灰からセメント製品を生産する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
二酸化炭素放出クレジット、水銀放出クレジットおよび二酸化硫黄放出クレジットの少なくとも１つを生み出す工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記吸着剤組成物が、ＣａＯ，ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｆｅ２Ｏ３，Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
石炭燃焼プラントがセメント製造プラントであることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
セメントの最大生産量を少なくとも２５％増大させ、かつ二酸化炭素の上限未満に二酸化炭素放出を維持する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
セメント生産レベルを維持し、かつ二酸化炭素放出クレジットを販売する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
熱エネルギおよび廃棄物灰を生産するための石炭燃焼プラントの運転方法であって、
少なくとも１つの吸着剤であって、廃棄物灰中の重金属量を増大させ、かつ前記少なくとも１つの吸着剤なしでの石炭燃焼よりも、廃棄物灰中の酸性浸出可能な前記重金属量を削減する吸着剤の存在下で、石炭を燃焼する工程と、
工業原料として廃棄物灰を販売する工程と、
水銀放出クレジット、二酸化炭素放出クレジットおよび二酸化硫黄放出クレジットの少なくとも１つを生み出す工程と、
前記放出クレジットを販売する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの吸着剤が、ＣａＯ，ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｆｅ２Ｏ３，Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
石炭燃焼セメント製造施設からの二酸化炭素放出を削減する方法であって、
少なくとも吸着剤の存在下で石炭を燃焼して、エネルギ、燃焼排ガスおよび灰を生み出す工程であって、前記灰が、前記少なくとも１つの吸着剤なしでの石炭の燃焼由来の灰と比較して、前記廃棄物灰の強度活動指数に反映されるセメント質特性を有する工程と、
前記エネルギをセメント製造に利用する工程と、
セメント質特性を有する前記灰を前記セメントに付加する工程と、
前記セメント製造において使用される石灰石量を増大させることなく、生産される前記セメントの量を増大させる工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
二酸化炭素放出クレジット、水銀放出クレジットおよび二酸化硫黄放出クレジットの少なくとも１つを生み出す工程をさらに含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記石炭が水銀を含有し、セメント質特性を有する前記灰が、前記少なくとも１つの吸着剤なしでの石炭燃焼由来の前記灰と比較して、より多い量の水銀を含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
セメント質特性を有する前記灰が、前記石炭に元来存在する水銀の少なくとも９０重量％を含有し、前記灰が、前記少なくとも１つの吸着剤なしでの石炭燃焼由来の前記灰の酸性浸出可能水銀のレベル未満である酸性浸出可能水銀量を有することを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
セメントの生産に含まれる水銀放出の削減方法であって、
吸着剤組成物の存在下で石炭を燃焼して熱エネルギを生産する工程と、
前記熱エネルギを用いて、石灰石の焼成によってポルトランドセメントを生産する工程と、
を含み、
吸着剤がカルシウム、シリカおよびアルミナを含み、吸着剤の使用が、吸着剤なしに石炭を燃焼するのと比較して、より低い水銀放出をもたらすことを特徴とする方法。
【請求項２６】
セメント質の廃棄物灰を生産することを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記セメント質の灰を前記ポルトランドセメントに付加することによってセメントの生産高を増大させることを特徴とする請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記セメント質の廃棄物灰が前記石炭に元来存在する水銀の少なくとも９０重量％を含有し、前記灰が前記少なくとも１つの吸着剤なしに石炭を燃焼することによって生産される灰の酸性浸出可能水銀のレベル未満である酸性浸出可能水銀量を有することを特徴とする請求項２６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
緒言
本発明は、セメント質の灰製品に関する。特に、本発明は炭素質燃料の燃焼から生産される灰に関する。
【０００２】
世界各地の豊富な石炭埋蔵量は、何人かの専門家によれば、今後数１０年、およびおそらく未来の数世紀で必要な世界のエネルギの大部分を提供するほど充分である。同時に、ポルトランドセメントなどのセメント系材料に対する需要は、先進国がインフラストラクチャを維持し、発展途上国が道路、ダムおよび国民の利益に関わる他の主要な建築物を建設および維持するにつれて、増大すると予想される。
【０００３】
石炭が燃焼されて炭素質材料の燃焼から熱エネルギを生み出す場合、未燃焼の材料および微粒子燃焼産物は、ポゾラン特性および／またはセメント質特性を有する灰を形成する。石炭灰の化学組成は石炭の化学組成に依存するが、灰は通常、多量のシリカおよびアルミナ、ならびに重要ではあるがより少ない量のカルシウムを含有する。
【０００４】
石炭燃焼炉またはボイラでの粉炭の燃焼から生産されるいわゆる飛散灰は、燃焼して揮発しない石炭の成分から成る粉末状の微粒子物質である。灰は、燃焼排ガス中に通常持ち去られ、電気集塵装置などの従来の装置、バッグハウスなどのろ過装置、および／またはサイクロンなどの機械装置を用いて燃焼排ガスから通常収集される。石炭の燃焼は、石炭燃焼施設によって処理されなければならない、多量の石炭灰の生産を伴う。たとえば、石炭燃焼由来の灰は、部分的にポルトランドセメントの代わりとしてポルトランドセメントコンクリートにうまく使用されている。石炭灰はさらに、流動性フィル（flowable fill）の生産における成分として、ならびに安定化ベースおよびサブベース混合物としての成分として使用されている。これらの用途において、特にそのような用途におけるポルトランドセメントの代わりとして使用される灰の量は、特定の灰製品のセメント質特性またはその欠如によって制限される。
【０００５】
経済的な理由のために灰の再使用が好ましいにもかかわらず、多くの状況において、灰はセメント質混合物の成分として使用されるのに適していない。多くの場合、灰は、埋立てられるか、さもなければ廃棄物として処理されなければならない。
【０００６】
大気へのグリーンハウスガス、二酸化炭素の放出は、地球温暖化として知られる現象に寄与する。セメントの生産は、世界の全二酸化炭素放出の５〜１０パーセントを占め、そのようなものとして地球温暖化の主要な寄与要因であると推定されている。セメント生産は、二酸化炭素放出の最も大きな非エネルギ産業発生源である。セメント生産は、燃焼に関連する二酸化炭素の放出源、および石灰石の焼成中の二酸化炭素の放出による、プロセスに関連する二酸化炭素の放出源の双方である。世界中のセメント生産からの二酸化炭素放出が１０パーセント削減されれば、そのような削減は、京都議定書の目標である、全産業にわたる世界中の１９９０年のレベルを下回る、全二酸化炭素放出の５．２パーセントの削減の、約５分の１を達成すると推定されている。
【０００７】
高いセメント質特性を有する灰製品を生産する石炭燃焼のための方法および組成物は、飛躍的な進歩である。というのも、石炭燃焼施設からの廃棄物のコストを削減し、かつ必要とされる建築プロジェクトに関わるコンクリート製品のコストを削減するからである。さらに、セメントの生産から二酸化炭素の放出を削減する方法および組成物は、飛躍的な進歩である。というのも、セメントの生産からの地球温暖化への寄与を軽減するからである。
【０００８】
要約
多種多様な技術的利益および経済利益をもたらすための、石炭燃焼プラント、セメントプラントなどの運転方法が提供される。種々の実施形態において、吸着剤または吸着剤の組合せの使用は、低いレベルの酸性の水銀および他の重金属を含有すると同時に、燃焼中の灰における石炭由来の重金属の捕捉の結果としてより高いレベルの全重金属を含有する灰の生産を導く。たとえば、この灰は、吸着剤または吸着剤の組合せなしに石炭を燃焼することによって生産される灰と比較して、好ましくは浸出可能な水銀が低く、セメント質特性が高い。いくつかの実施形態において、ポルトランドセメントの完全な、または部分的な代わりとしての、建築製品におけるセメント質灰の使用は、そうしなければポルトランドセメントの製造から生じることになる二酸化炭素の放出の削減をもたらす。ポルトランドセメントを製造するための石灰石の焼成、およびポルトランドセメントを製造するのに必要なエネルギを提供する化石燃料の燃焼に由来する二酸化炭素放出の回避に加えて、吸着剤成分の使用は、石炭の燃焼由来のエネルギ生産の効率を増大させ、さらにエネルギ生産のための化石燃料の燃焼由来のグリーンハウス放出物を削減する傾向がある。種々の実施形態において、二酸化炭素、水銀および硫黄クレジットを含む種々の放出クレジットは吸着剤の使用によって生じ、経済的利点および燃焼された石炭の価値の増大を導く。
【０００９】
石炭を処理し、および／または処理石炭を燃焼して、性質がかなりセメント質である灰製品を生産する方法および組成物が提供される。いくつかの実施形態において、灰のセメント質は、灰製品によって置換されるポルトランドセメントが５０％以上でも、ポルトランドセメントコンクリートおよび同様の製品の形成を許容する。いくつかの実施形態において、５０％以上の灰で形成されたポルトランドタイプのセメント製品の強度活動指数（strength activity index）は、７５％よりも高く、好ましくは１００％以上である。したがって、いくつかの実施形態において、本発明の灰製品は、ポルトランドセメントコンクリート、安定化ベース、サブベース混合物、流動性フィル（制御型低強度材料すなわちＣＬＳＭとも呼ばれる）などにおける主要なセメント系材料として使用される。
【００１０】
灰製品は、カルシウム源を含み、さらにシリカおよびアルミナの重要な源を含む吸着剤成分の存在下で石炭を燃焼することによって製造される。いくつかの実施形態において、成分は、燃焼前の石炭に、燃焼中の炉内に、および／または好ましくは約５００°Ｃを超える温度の燃焼排ガス内に付加される。吸着剤成分は好ましくは成分の混合物を含むアルカリ粉末として付加される。これらの吸着剤成分による石炭の燃焼から生産される灰は、クラスＦまたはクラスＣの飛散灰の規格よりも概して高いカルシウム含有量であり、シリカ、アルミナおよび酸化鉄の組合わせ含有量は、重要であるが、クラスＦおよびクラスの飛散灰の規格をかなり下回る。
【００１１】
いくつかの実施形態において、好ましくはハロゲン化合物を有する他の吸着剤成分と組合せた、アルカリ粉末吸着剤の使用は、石炭燃焼施設からの硫黄および／または水銀放出の削減をもたらす。さらに、ヒ素などの重金属および塩素の削減が観察される。本発明に従って生産される灰の高いセメント質は、その化学組成に少なくとも部分的に起因すると考えられる。
【００１２】
いくつかの実施形態において、本発明は、ポルトランドセメントコンクリート、流動性フィル、安定化ベース、および製品中に使用される従来のセメント（ポルトランドセメント）が完全に、または部分的に、ここで記載されるセメント質灰製品に置換された類似の製品などの種々のセメント製品を提供する。特に、いくつかの実施形態において、本発明のセメント質の灰製品は、そのような製品において従来使用されるポルトランドセメントの４０％以上を置換するのに使用される。
【００１３】
当業者は、ここで記載される図面が説明のためだけのものであることが理解できるだろう。図面は決して本発明の範囲を限定することを意図していない。
【００１４】
詳細
以下の技術の記載は単に、１つ以上の実施形態の主題、製造および使用の実際の例であり、本出願、または本出願もしくは本出願から由来している特許に優先権を主張して出願されるような他の出願において請求されているいくつかの実施形態のあらゆる具体的な実施形態の範囲、用途または使用を限定することを意図したものではない。以下の定義およびこれに限定されるわけではない指針は、ここで説明される技術の記載を精査して考慮されるべきである。特に、本発明は二酸化炭素、硫黄および水銀などの工業放出物を減少させるようないくつかの実施形態において議論されるが、そのような議論は、本発明をそのような用途にだけ限定するとしてみなされるべきではない。
【００１５】
ここで使用される（「緒言」および「要約」などの）表題および副題は、本発明内の原則の一般的構成のためにのみ意図されており、その技術またはあらゆる態様の開示を限定しようとするものではない。特に、「緒言」に開示される主題は新規の技術を含み得、先行技術の詳述を構成し得ない。「要約」に開示される主題は、その技術またはあらゆる実施形態の全範囲の包括的な開示または完全な開示ではない。特定の実用性を有するように本明細書の節内で物質の分類または議論が便宜上なされており、物質は、与えられたある組成で使用される場合、ここでのその分類に従って必然的にまたは唯一機能しなければならないという推論が出されるべきではない。
【００１６】
ここでの参考文献の引用は、それらの参考文献が先行技術であり、ここで開示される技術の特許性にいくらかの関連性があるという承認を構成しない。本明細書の「詳細な説明」の節において引用されるすべての参考文献は、すべての目的のために、それらの全部を参照することによって組込まれる。組込まれた参考文献、文書および同様の資料の１つ以上が、定義される用語、用語の用法、記載される技術などの点において本出願と異なるか矛盾するという場合には、本出願が支配する。
【００１７】
技術のいくつかの実施形態を示す記載および具体的な例は、説明目的のためだけに意図されたものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではない。さらに、特徴を規定している複数の実施形態の詳述は、付加的特徴を有する他の実施形態、および規定された特徴の異なる組合せを組込む他の実施形態を除外しようとするものではない。具体的な例は、本発明の組成物および方法をどのように製造および使用するのかの説明目的のために与えられており、別に明確に規定されていなければ、本発明の与えられた実施形態が、製造されたか試験されている、または製造されていないか試験されていないということの説明であることを意図していない。
【００１８】
本発明は、電気を生産する発電プラントおよびセメント工場などの石炭燃焼施設に関するとしていくつかの実施形態において議論されるが、そのような議論は、本発明をそのような用途にのみ限定するとしてみなされるべきではない。
【００１９】
１つの実施形態において、石炭燃焼施設において燃焼される石炭の価値を増大させる方法が提供される。本方法は、燃焼排ガス脱硫装置なしに、かつ少なくとも１つの吸着剤の存在下で水銀含有石炭を燃焼して、熱エネルギ、灰および燃焼排ガスを生産する工程を含む。本発明はさらに、硫黄および水銀に関して燃焼排ガスを監視する工程と、吸着剤の存在を調整して環境規制に準拠するまで硫黄放出物および水銀放出物の少なくとも１つを削減する工程とを含む。それによる金銭的節約は、燃焼排ガス脱硫装置に関連するコストを回避することによって実現される。
【００２０】
別の実施形態において、エネルギおよび廃棄物灰を生産するための石炭燃焼プラントの運転方法は、吸着剤組成物の存在下で石炭を燃焼して、改良されたセメント質特性を有する廃棄物灰を生産する工程を含む。改良されたセメント質特性は、たとえば、吸着剤組成物なしに石炭を燃焼して生産される廃棄物灰と比較して、高い廃棄物灰の強度活動指数に反映される。本方法はさらに、廃棄物灰を回収する工程を含む。好ましい実施形態において、廃棄物灰は、吸着剤組成物なしに石炭を燃焼して生産される廃棄物灰と比較して、酸性浸出可能水銀のレベルも低下している。したがって、本方法は廃棄物灰からセメント製品を生産する工程を提供する。
【００２１】
別の実施形態において、熱エネルギおよび廃棄物灰を生産するための石炭燃焼プラントの運転方法は、吸着剤組成物なしに石炭を燃焼して生産される灰と比較して、廃棄物灰中の（水銀などの）重金属量を増大させ、かつ廃棄物灰中の重金属の酸性浸出可能量を低下させる少なくとも１つの吸着剤の存在下で石炭を燃焼する工程を含む。灰はその後工業原料として販売される。本プロセスは、水銀放出クレジット、二酸化炭素放出クレジットおよび二酸化硫黄放出クレジットの少なくとも１つを生み出す。クレジットはその後販売または取引され、経済的利益を生み出す。
【００２２】
別の実施形態において、本発明は、石炭燃焼セメント製造施設からの二酸化炭素放出物を低下させる方法を提供する。本方法は、少なくとも吸着剤の存在下で石炭を燃焼して、エネルギ、燃焼排ガスおよび灰を生み出す工程を含む。灰は、吸着剤の非存在下で石炭を燃焼して調製される灰と比較して、廃棄物灰の強度活動指数に反映される改良されたセメント質特性を有する。生み出されたエネルギはその後セメントの製造に利用される。セメント質特性を有する灰はその後セメントに付加され、セメント製造において使用される石灰石量を増大させることなく、セメントプラントによって生産されるセメント系材料の量を増大させる。二酸化炭素放出は、製造されるセメント系材料の単位あたりで石灰石があまりか焼されないので、回避される。
【００２３】
本発明の方法において使用される吸着剤は、石炭燃焼プロセスにおいて示されるように使用される場合、記載されている利点を提供する。種々の実施形態において、吸着剤は、カルシウム、シリカ、アルミナおよび任意で臭素などのハロゲンを含むアルカリ粉末および／または液組成物を含む。適した吸着剤成分および組成物は、それらの使用方法と同じくして、米国仮出願第６０／７５９９９４号明細書（題目「Sorbents for Mercury and 
Sulfur Remediation」、２００６年１月１８日付、Douglas Comrie）、米国仮出願第６０／６６２９１１号明細書（２００５年３月１７日付、Douglas Comrie）、米国仮出願第６０／７４２１５４号明細書（２００５年１２月２日付、Douglas Comrie）、米国仮出願第６０／７６５９４４号明細書（２００６年２月７日付、Douglas Comrie）、および国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０１００００（２００６年３月１６日付、Douglas Comrie）に基づく国際公開出願第２００６０９９６１１号パンフレットに記載されている。これらの出願および公報の全ての開示は参照によって本明細書に組込まれている。
【００２４】
いくつかの実施形態において、灰製品は、カルシウム、シリカ、アルミナおよび臭素などのハロゲンを含む吸着剤成分の存在下で石炭を燃焼することによって生産される。成分は、１つ以上の吸着剤組成物の一部として石炭燃焼システム内に付加される。これに限定されるわけではない１つの例において、吸着剤成分のカルシウム、シリカおよびアルミナは、約２〜１５重量％のＡｌ２Ｏ３、約３０〜７５重量％のＣａＯ、約５〜２０重量％のＳｉＯ２、約１〜１０重量％のＦｅ２Ｏ３、および酸化ナトリウムおよび酸化カリウムなどの約０．１〜５重量％の全アルカリを含むアルカリ粉末吸着剤組成物に一緒に付加される。いくつかの実施形態において、吸着剤は約２〜１０重量％のＡｌ２Ｏ３、約４０〜７０重量％のＣａＯ、約５〜１５重量％の全アルカリを含む。いくつかの実施形態において、ここに記載される粉末吸着剤組成物は、カルシウム含有の１つ以上のアルカリ粉末と、それよりも低レベルの１つ以上のアルミノケイ酸材とを含む。ハロゲン成分は、所望するのであれば、アルカリ粉末のさらなる成分として付加され、または液組成物もしくは粉末組成物の一部として別々に付加される。
【００２５】
灰製品を製造するために、炭素質燃料を燃焼して炭素質材料の燃焼から熱エネルギを生産する。いくつかの実施形態において、炭素燃料は石炭であり得る。未燃焼材料および粒子燃焼産物は、炉の底部に集まる灰、またはたとえば石炭燃焼施設のバッグハウスといった集塵器またはフィルタによって煙道から収集される灰を形成する。底部の灰および飛散灰の内容は、石炭の化学組成、ならびに燃焼中に石炭燃焼施設に付加される吸着剤成分の量および組成に依存する。
【００２６】
石炭中の主な元素は、炭素以外に、シリカ、アルミナおよびカルシウムとともに、より少量の鉄を含む。さらに、ヒ素、アンチモン、鉛、クロム、カドミウム、ニッケル、バナジウム、モリブデン、マンガン、銅およびバリウムなどの微量重金属が普通に存在する。これらの非炭素元素は、石炭が燃焼すると灰に現れがちである。石炭は、かなりの量の硫黄も含有する。燃焼に際して、石炭中の硫黄は燃焼して揮発性の硫黄酸化物を生成し、気体形状で石炭燃焼施設から逸出しがちである。酸性雨の主な原因は二酸化硫黄の放出物である。当該技術において周知なように、二酸化硫黄が水と混合されると、硫酸が形成される。石炭燃焼プラントから放出される硫黄酸化物のレベルを修正するか削減することが所望される。
【００２７】
石炭は水銀も含有する。低レベルで存在するが、水銀は燃焼中に揮発しがちで、石炭燃焼施設から逸出しがちである。石炭の燃焼から生産されるのがたとえ低レベルであっても、環境への水銀の放出は、その元素が有毒で体内組織に蓄積しがちであるために、所望されない。水銀の健康および環境への損傷効果のために、その放出は最近米国および世界の各地で規制制御下に入っている。水銀が規制制御にさらされようとさらされまいと、石炭燃焼施設から放出される水銀量を削減することが多いに所望される。
【００２８】
いくつかの実施形態において、石炭燃焼施設からの水銀および／または硫黄の放出を削減または修正しがちな吸着剤組成物は、燃料の燃焼によって生産される灰をかなりセメント質にする有益な効果も有するので、種々のセメントおよびコンクリート製品中のポルトランドセメントに対する部分的または完全な代替物として商業的に有用である。本吸着剤との石炭燃焼から生産される灰は、その極めてセメント質な性質だけでなく、灰中に非浸出型の石炭燃焼由来重金属を含有するという事実のために、商業的に有用である。つまり、石炭中の水銀、ヒ素、鉛および他の重金属が灰に現れる。ここで記載される吸着剤組成物と石炭を燃焼すると、いくつかの実施形態において、吸着剤なしに燃焼された石炭と比較して増大した重金属レベルを有するにもかかわらず、吸着剤なしに生産される灰よりも低い浸出可能な重金属レベルを有する灰をもたらす。結果として、灰は取扱うのに、かつたとえばセメント系材料として販売するのに安全である。
【００２９】
いくつかの実施形態において、プロセスは、燃焼中の炉への吸着剤の直接適用（「共燃焼」付加）、燃焼前の石炭などの燃料への直接適用（「前燃焼」付加）、好ましくは５００°Ｃ以上の温度帯、および好ましくは８００°Ｃ以上での燃焼後の気体流への直接適用（「後燃焼」付加）、または前燃焼付加、共燃焼付加および後燃焼付加のあらゆる組合せを含む。
【００３０】
いくつかの実施形態において、石炭は熱電併給プラントにおいて他の燃料と燃焼される。そのようなプラントは、燃焼する燃料の制約が少ない。瀝青炭および亜瀝青炭に加えて、そのような施設は、都市廃棄物、下水汚泥、ペットコークス、（これらに限定されるわけではないが、木材、木材チップ、農業廃棄物、および／またはおがくずなどの）バイオマス、プラスチックくず、破砕タイヤなどの他の燃料を燃焼することもできる。燃料が水銀および硫黄を含有する限りにおいて、ここで記載されるような吸着剤の使用は、さもなければ燃焼すると大気中に放出される硫黄および／または水銀の放出物を軽減するか削減する傾向にある。吸着剤の使用はまた、かなりセメント質な性質の灰製品を生産する。いくつかの実施形態において、ここで記載される吸着剤の使用は、二酸化炭素の放出を軽減するか削減する傾向にある。
【００３１】
燃焼される燃料の燃料値に応じて、そのような熱電併給プラントの火炎温度は、約１０００°Ｆ〜１２００°Ｆ（低値の燃料、または低値のバイオマスもしくは他の低値の成分を高い割合で含む燃料の場合）から上向きに、２７００°Ｆ〜３６００°Ｆ以上（高ＢＴＵ炭または高ＢＴＵ炭の割合が高い燃料混合物の場合）にまで広がる。いくつかの実施形態において、本発明の吸着剤の使用は、比較的低い温度で燃焼するシステムからの水銀放出物を軽減する。ここで記載されるアルカリ粉末吸着剤は、燃料排ガスから酸化された水銀を除去するのに効果的であり、酸化された水銀は、より低い温度での燃焼によって大部分が形成された種であると考えられている。
【００３２】
ゆえに、いくつかの実施形態において、石炭、バイオマス（たとえば木材チップ、おがくず、植物廃棄物、作物廃棄物、家畜廃棄物、汚泥など）および／またはリサイクル可能なポリマ材料（廃ゴムタイヤ）の組合せを燃焼する熱電併給プラントは、吸着剤組成物で処理されて、水銀および／または硫黄の放出物の顕著な削減を達成し、かつ良質なセメント質特性の灰製品を生産する。
【００３３】
いくつかの実施形態において、石炭燃焼施設からの水銀放出物を監視する。放出物は、元素水銀、酸化された水銀または双方として監視される。元素水銀は基底の、すなわちゼロの酸化状態を意味し、酸化された水銀は＋１または＋２の酸化状態の水銀を意味する。プラントからの放出前の燃焼排ガス中の水銀レベルに応じて、前燃焼、共燃焼および／または後燃焼で付加される吸着剤組成物量が、増加されるか、軽減されるか、変えずに維持される。通常、可能な限り高いレベルの水銀を除去することが所望される。いくつかの実施形態において、石炭中の総水銀量に基づいて、９０％以上の水銀除去が達成される。この数字は、燃焼排ガスから除去された水銀を示すので、水銀は煙突を通って大気中に放出されない。一般に、燃焼排ガスからの水銀除去は、灰中の水銀レベルの増大を導く。石炭燃焼プロセスに付加される吸着剤の量を最小化して炉中で生産される灰の総量を減少させるために、多くの実施形態において、水銀放出物の測定を用いて、吸着剤組成物の付加割合を、過剰の材料をシステムに付加することなく所望の水銀削減を達成できる割合に調整することが所望される。
【００３４】
石炭または他の燃料と付加した吸着剤成分とを燃焼するいくつかの実施形態において、石炭中の水銀およびヒ素、アンチモン、鉛などの他の重金属は、バッグハウスまたは電気集塵装置に現れ、石炭燃焼プラントの全灰含有量の一部となる。代わりに、または加えて、水銀または重金属は底部の灰に見出される。そのようなものとして、水銀および他の重金属は施設から放出されない。通常、灰中の水銀および他の重金属は、ここで記載される吸着剤成分なしに石炭を燃焼することで生産される灰と比較して高いレベルで灰に存在しがちであるにもかかわらず、酸性条件での浸出に耐性がある。有利なことに、灰中の重金属は規制レベルを超えて浸出せず、実際、灰は、吸着剤と燃焼して生産されるという理由でより高い絶対レベルの重金属を通常有するにもかかわらず、灰において浸出可能な重金属レベルの低下がｐｐｂ基準で観察される。さらに、灰のセメント質は増大するので、燃焼由来の灰（石炭灰）は、たとえばポルトランドセメントならびにコンクリート製品およびレディミックスを製造するためのセメント系材料としての、商業目的の販売および使用の価値がある。
【００３５】
いくつかの実施形態において、重金属の浸出が燃焼中に定期的にまたは連続的に監視されるか分析される。米国環境保護庁のＴＣＬＰ手順が通常使用される方法である。燃焼排ガス中の水銀について、吸着材量、特にＳｉ（ＳｉＯ２または同等物）および／またはＡｌ（Ａｌ２Ｏ３または同等物）の吸着剤成分量は、分析結果に基づいて調整されて所望の範囲内に浸出を維持する。
【００３６】
いくつかの実施形態において、本発明は、石炭などの水銀含有炭素質燃料の燃焼によって発生する燃焼排ガス中の酸化された水銀量を削減すると同時に、セメント質の灰製品を生産する方法を提供する。本方法は、アルカリ粉末吸着剤の存在下で燃料を燃焼する工程を含み、粉末吸着剤はカルシウム、シリカおよびアルミナを含む。燃料が燃焼される間、水銀（酸化された水銀、元素水銀、または双方）のレベルが炉の下流の燃焼排ガスにおいて測定される。測定された水銀レベルは目標レベルと比較され、もし測定レベルが目標レベルを超えていれば、燃焼される燃料量に対して付加された粉末吸着剤量は増大される。代わりに、もし測定レベルが目標レベルであるか目標レベルを下回っていれば、吸着剤付加割合を軽減するか、変えずに維持することができる。
【００３７】
いくつかの実施形態において、石炭燃焼施設の炉での石炭燃焼によって生産される燃焼排ガス中の硫黄および／または水銀を削減する方法は、燃焼中の炉に粉末組成物を注入する工程を含む。粉末組成物は、アルカリ性カルシウム成分ならびにかなりのレベルのシリカおよびアルミナを含むアルカリ吸着剤組成物である。これに限定されるわけではない１つの実施形態において、粉末組成物は２〜５０％のアルミノケイ酸材と、５０〜９８重量％のカルシウム含有アルカリ粉末とを含む。いくつかの実施形態において、アルカリ粉末はポルトランドセメント、セメント窯粉塵、石灰窯粉塵およびテンサイ石灰の１つ以上を含み、アルミノケイ酸材はカルシウムモンモリロナイト、ナトリウムモンモリロナイトおよびカオリンから成る群から選ばれる１つ以上を含む。粉末組成物は、バッチプロセス用吸着剤とともに処理される石炭量に基づいて、または連続プロセス用燃焼によって消費される石炭の割合に基づいて、約０．１〜約１０重量％の割合で石炭に付加される。いくつかの実施形態において、その割合は１〜８重量％、２〜８重量％、４〜８重量％、または約６重量％である。いくつかの実施形態において、粉末組成物は、燃焼中の火球または炉に注入され、および／またはその燃焼前に大気状態で石炭に適用される。注入点での温度は好ましくは少なくとも約１０００°Ｆ以上である。いくつかの低価値燃料について、この温度は火球内または火球近くへの注入に相当する。
【００３８】
いくつかの実施形態において、本発明は、約５０〜９８重量％のポルトランドセメント、セメント窯粉塵、石灰窯粉塵およびテンサイ石灰の少なくとも１つ、ならびに２〜５０重量％のアルミノケイ酸材を含む新規の吸着剤組成物を提供する。いくつかの実施形態において、組成物はさらに、たとえば、臭化カルシウムなどの臭化物として臭素化合物を含む。ここで記載されるような石炭燃焼プロセス中の吸着剤の使用は、施設から放出される有害な硫黄および水銀産生物量を減少させる傾向があるのと同時に、環境的に許容可能であり（たとえば、重金属の浸出が規制レベル未満で、吸着剤成分なしで石炭を燃焼して生産される灰中よりも低い）、かつ性質がかなりセメント質である灰を生産するので、灰は、セメント系混合物中のポルトランドセメントおよびそれらの使用のためのプロセスと完全にまたは部分的に（４０％を超えるか、好ましくは５０％を超える）取って代わる。
【００３９】
いくつかの実施形態において、吸着剤成分は、単一の組成物の一部として、および／または別個の成分として、燃料の前燃焼に、炉の共燃焼内に、および／または対流経路の後燃焼内に付加される。たとえば、カルシウムとともにシリカおよびアルミナを単一の組成物として含むアルカリ成分を付加するのが都合がよい。ハロゲン化合物が使用される場合、単一の組成物の一部または別個の化合物として、臭素化合物などのハロゲン化合物が与えられる。
【００４０】
いくつかの実施形態において、カルシウム、シリカおよびアルミナが粉末吸着剤で付加され、臭素または他のハロゲンが液体吸着剤で付加される二重システムが用いられる。本発明の方法は、燃焼前の石炭中の元々の水銀の少なくとも９０％を灰中で捕捉するのに相当するレベルの水銀を含有する、石炭灰および／または飛散灰を提供する。いくつかの実施形態において、水銀レベルは、水銀の大気中への放出ではなく灰中での水銀の捕捉によって、周知の飛散灰におけるよりも高い。プロセスによって生産される飛散灰は、２００ｐｐｂ以上にも達する水銀を含有し、いくつかの実施形態においては、飛散灰の水銀含有量は２５０ｐｐｂを超える。灰の量は通常吸着剤の使用によって増加するので（いくつかの実施形態において、灰の量は約２倍になる）、水銀の測定レベルの増加は、吸着剤なしで環境中に放出されたであろう水銀を灰中でかなり捕捉することを表す。水銀ならびに鉛、クロム、ヒ素およびカドミウムなどの他の重金属の飛散灰中の含有量は、吸着剤または吸着剤成分が付加されずに石炭を燃焼して生産される飛散灰中よりも通常高い。
【００４１】
石炭灰の製造プロセスは、付加されたカルシウム、シリカおよびアルミナの存在下で、ならびに好ましくは臭素物などのハロゲンのさらなる存在下で、石炭を燃焼する工程を含む。いくつかの実施形態において、灰は、ここで記載される吸着剤または吸着剤成分の存在下で石炭を燃焼することによって調製される。いくつかの実施形態において、石炭灰中の水銀は、米国４０ ＣＦＲ第２６０．１１条の参考文献として組込まれている、「Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods,」（EPA 
Publication SW-846、第３版）の毒性指標浸出法（ＴＣＬＰ）、試験方法１３１１を用いて試験した場合、抽出物中の水銀濃度が０．２ｐｐｂ未満を示すという点で、非浸出性である。石炭とここで記載される吸着剤との燃焼に由来する飛散灰は、吸着剤処理石炭から生産される灰における総水銀含有量が、吸着剤なしで燃焼して生産される灰のレベルの２倍以上も高いにもかかわらず、吸着剤なしで石炭を燃焼して生産される灰よりも少ない浸出可能水銀を有することが通常観察される。たとえば、ＰＲＢ石炭の燃焼由来の典型的な灰は、約１００〜１２５ｐｐｂの水銀を含有する。種々の実施形態において、ここで記載される約６重量％の吸着剤とともにＰＲＢ石炭を燃焼して生産される灰は、約２００〜２５０ｐｐｂ以上の水銀を有する。
【００４２】
いくつかの実施形態において、本発明は、ポルトランドセメントと、セメント製品の総重量に基づく、０．１重量％〜約９９重量％の前述の石炭灰または飛散灰とを含有する水硬性セメント製品を提供する。
【００４３】
いくつかの実施形態において、本発明は、ポゾランと、ポゾラン製品の総重量に基づく、０．０１重量％〜約９９重量％の前述の灰とを含有するポゾラン製品を提供する。
【００４４】
本発明はまた、前述の水硬性セメントを含むセメント系混合物を提供する。
いくつかの実施形態において、セメント系混合物は、単一のセメント系成分として、ここに記載される石炭灰を含む。いくつかの実施形態において、灰はポルトランドセメントなどの従来のセメントと完全に取って代わる。セメント系混合物は、セメント、ならびに任意で骨材、充填剤、および／または他の混合材を含む。セメント系混合物は通常水と組合わされて、コンクリート、モルタル、グラウト、流動性フィル（flowable fill）、安定化ベース（stabilized base）および他の用途で使用される。
【００４５】
本発明の吸着剤組成物は、好ましくはアルカリ粉末の形状で、カルシウム、シリカおよびアルミナを提供する成分を含む。いくつかの実施形態において、組成物はまた、酸化鉄、ならびに酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）および酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）に基づく塩基性粉末を含む。これに限定されるわけではない１つの例において、粉末吸着剤は、約２〜１０重量％のＡｌ２Ｏ３、約４０〜７０％のＣａＯ、約５〜１５％のＳｉＯ２、約２〜９％のＦｅ２Ｏ３、および約０．１〜５％の、酸化ナトリウムおよび酸化カリウムなどの全アルカリを含有する。カルシウム、シリカおよびアルミナ、ならびにもし存在するなら他の元素を含む成分は、単一の組成物内で組合わされるか、成分として別個にもしくはあらゆる組合せで燃料燃焼システムに付加される。いくつかの実施形態において、吸着剤の使用は、大気中に放出される硫黄および／または水銀量の削減を導く。種々の実施形態において、吸着剤組成物の使用は、水銀、特に酸化された水銀の除去を導く。さらに、組成物は、カルシウムを含有することによって、燃焼から発生する硫黄量を削減する。
【００４６】
有利なことに、吸着剤組成物は適当に高いレベルのアルミナおよびシリカを含む。アルミナおよび／またはシリカの存在は、吸着剤の使用から見て種々の利点を導くと考えられる。たとえば、アルミナおよび／もしくはシリカの存在、ならびに／またはカルシウム、鉄および他の成分とのシリカ／アルミナのバランスは、吸着剤の存在下で水銀を含有する石炭または他の燃料の燃焼によって生産される灰中に観察される、水銀および／または他の重金属の低い酸性浸出性の一因となると考えられる。
【００４７】
いくつかの実施形態において、石炭または他の燃料の燃焼中の吸着剤組成物の使用は、炉壁およびボイラ管の内側を覆う耐火物の形成を導く。そのような耐火物ライニングは炉内で熱を反射し、ボイラ内でより高い水温を導くと考えられる。いくつかの実施形態において、吸着剤の使用は、ボイラ管周りのスケール形成またはスラッジングの減少をももたらす。このように、吸着剤の使用はよりきれいな炉を導くが、より重要なことには、燃焼石炭とボイラ管内の水との間の熱交換を改善する。結果として、いくつかの実施形態における吸着剤の使用は、同じ量の燃料の燃焼に基づくと、ボイラ内でより高い水温を導く。代わりに、吸着剤の使用は、同じ出力またはボイラ水温を維持しながら、たとえば石炭の供給量を減少させ得ることが観察された。説明のための実施形態において、６％の割合での吸着剤の使用は、全石炭である同じ重量の組成物と同じ程度の出力を生み出す石炭／吸着剤組成物の燃焼をもたらす。いくつかの実施形態において、飛散灰中に通常捕捉され、リサイクルされる吸着剤の使用は、石炭燃焼プロセスの効率を実質的に増大させ、より少ない燃料の消費を導くことがわかる。そのようなプロセスにおいて有利なことに、吸着剤の使用によって容積が通常増大する飛散灰は、改善されたセメント質および低い重金属浸出性を有するので、ポルトランドセメント製造などでの使用目的でリサイクルされる。
【００４８】
既に述べたように、いくつかの実施形態において、吸着剤組成物の成分はアルカリ粉末として与えられる。理論によって限定されることなく、吸着剤成分のアルカリ性質は、少なくとも部分的に前述の所望の特性を導くと考えられる。本発明の吸着剤組成物のカルシウム源は、炭酸カルシウム、石灰石、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、リン酸カルシウムおよび他のカルシウム塩などのカルシウム粉末を含む。石灰石、石灰、消石灰などの工業製品は、そのようなカルシウム塩の主成分を与えることが理解される。そのようなものとして、それらは本発明の吸着剤組成物に適した成分である。
【００４９】
カルシウムの他の源は種々の工業製品を含む。そのような製品は市販されており、他の工業プロセスの廃棄物すなわち副産物として販売されるものもある。いくつかの実施形態において、その製品はさらに、本発明の組成物に、シリカ、アルミナのいずれかを、または双方を与える。シリカおよび／またはアルミナに加えてカルシウムを含有する工業製品のこれに限定されるわけではない１つの例は、ポルトランドセメント、セメント窯粉塵、石灰窯粉塵、テンサイ石灰、（製鋼スラグ、ステンレス鋼スラグおよび高炉スラグなどの）スラグ、紙脱インキ汚泥灰、キュポラアレスタろ過ケーキおよびキュポラ炉粉塵を含む。これらの材料および他の材料が組合されて、カルシウムを含む、好ましくはシリカおよびアルミナも含むアルカリ粉末またはアルカリ粉末の混合物を提供する。いくつかの実施形態において、種々のポゾラン材料が用いられる。
【００５０】
テンサイ石灰は、テンサイからの砂糖の製造に由来する固体の廃棄物である。テンサイ石灰はカルシウム含有量が高く、テンサイに行われる石灰手順において沈殿する種々の不純物をも含む。テンサイ石灰は商業品目であり、造園家、農家などに土壌改良剤として普通に販売される。
【００５１】
セメント窯粉塵（ＣＫＤ）は通常、ポルトランドセメントの製造中にセメント窯または関連する処理装置内で生じる副産物を示す。
【００５２】
一般に、ＣＫＤは窯、前処理装置および／または材料処理システムの異なる領域で発生した、たとえばクリンカ粉塵、部分的ないし完全に焼成された材料の粉塵および原材料（水和および脱水）粉塵を含む、異なる粒子の組合せを含む。ＣＫＤの組成は使用される原材料および燃料、製造および処理状態、ならびにセメント製造プロセス内のＣＫＤの収集地点に基づいて変化する。ＣＫＤは、窯流出（すなわち排出）流、クリンカクーラ流出、前か焼炉流出、エアー汚染制御装置などから収集される粉塵または粒子状物質を含み得る。
【００５３】
ＣＫＤ組成は窯が異なると変化するだろうが、ＣＫＤは通常、クリンカおよび焼成材料の粉塵の存在によって、少なくとも幾分のセメント質および／またはポゾラン特性を有する。典型的なＣＫＤ組成物は、ケイ酸三カルシウム、ケイ酸二カルシウムを含むケイ酸塩などのケイ素含有化合物、アルミン酸三カルシウムを含むアルミン酸塩などのアルミニウム含有化合物、ならびに鉄アルミン酸四カルシウムを含むフェライトなどの鉄含有化合物を含む。ＣＫＤは通常酸化カルシウム（ＣａＯ）を含有する。典型的なＣＫＤ組成物は、約１０〜６０重量％の、任意で約２５〜約５０重量％の、および任意で約３０〜約４５重量％の酸化カルシウムを含有する。いくつかの実施形態において、ＣＫＤは、約１〜約１０％の、任意で約１〜約５％の、およびいくつかの実施形態において約３〜約５％の濃度の遊離石灰（水との水和反応に利用可能である）を含有する。さらに、いくつかの実施形態において、ＣＫＤはとりわけ、アルカリ金属、アルカリ土類金属および硫黄を含む化合物を含む。
【００５４】
カルシウム、および幾分のシリカおよびアルミナをさらに含むアルカリ粉末の他の典型的な源は、（前述のポルトランドセメントおよびＣＫＤに加えて）種々のセメント関連副産物を含む。混合セメント産物はそのような源の１つの適当な例である。これらの混合セメント製品は通常、スラグおよび／またはポゾラン（たとえば飛散灰、シリカヒューム、燃焼頁岩）と結合された、ポルトランドセメントおよび／またはそのクリンカの混合物を含む。ポゾランは通常、それ自身はセメント質ではないが、遊離石灰（遊離ＣａＯ）および水と反応したときに水硬性セメント特性を発達させるケイ素質材料である。他の源は、ポルトランドセメントおよび／またはそのクリンカと石灰または石灰石との混合物を含む、メーソンリセメントおよび／または水硬性石灰である。他の適当な源は、石灰石およびボーキサイト（元来含まれる、１つ以上の水酸化アルミニウム鉱物、ならびにシリカ、酸化鉄、チタニア、ケイ酸アルミニウムおよび他の少量微量の不純物の種々の混合物を含む不均一物質）の混合物を燃焼することで製造された水硬性セメントである、アルミナセメントである。さらに別の例は、かなりの濃度のポゾランを含有する混合セメントである、ポゾランセメントである。通常、ポゾランセメントは酸化カルシウムを含有するが、ポルトランドセメントとは実質的に異なる。広く使用されるポゾランの共通した例は、（ある火山灰または凝灰岩、ある珪藻土、燃焼クレイおよび頁岩などの）天然のポゾランおよび（シリカヒュームおよび飛散灰などの）合成ポゾランを含む。
【００５５】
石灰窯粉塵（ＬＫＤ）は石灰の製造からの副産物である。ＬＫＤは石灰窯または関連の処理装置から収集される粉塵または粒子状物質である。製造された石灰は高カルシウム石灰またはドロマイト石灰として分類することができ、ＬＫＤはそれを形成するプロセスに基づいて変化する。石灰はしばしば、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）などのカルサイト（calcitic）原材料を加熱することによって行われ、遊離石灰ＣａＯおよび二酸化炭素（ＣＯ２）を形成する焼成反応によって生産される。高カルシウム石灰は、高濃度の酸化カルシウムと、通常アルミニウム含有化合物および鉄含有化合物を含む、幾分の不純物とを有する。高カルシウム石灰は通常、高純度の炭酸カルシウムから形成される（約９５％以上の純度）。高カルシウム石灰処理由来のＬＫＤ製品中の典型的な酸化カルシウム含有量は、約７５重量％以上、任意で約８５重量％以上であり、ある場合では約９０重量％以上のこともある。いくつかの石灰製造において、ドロマイト（ＣａＣＯ３・ＭｇＣＯ３）は加熱によって分解されて主に酸化カルシウム（ＣａＯ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を生じ、ドロマイト石灰として知られるものを形成する。ドロマイト石灰処理によって生じたＬＫＤにおいて、酸化カルシウムは約４５重量％以上、任意で約５０重量％以上、およびいくつかの実施形態では約５５重量％以上で存在し得る。ＬＫＤは行われた石灰処理のタイプに基づいて変化するが、一般に比較的高濃度の遊離石灰を有する。ＬＫＤ中の典型的な遊離石灰量は約１０〜５０％であり、任意で約２０〜約４０％であり、生じた石灰製品中に存在する酸化カルシウムの相対濃度に依存する。
【００５６】
スラグは一般に金属の製造および処理によって生じる副産化合物である。用語「スラグ」は、通常鉄金属および／または鋼鉄の製造および処理の非金属副産物の大部分を含む、多種多様の複産化合物を包含する。通常、スラグは種々の金属酸化物の混合物であると考えられるが、金属硫化物および元素形態の金属原子をしばしば含有する。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態で有用なスラグ副産物の種々の例は、一例として、空冷式高炉スラグ（ＡＣＢＦＳ）、膨張すなわち発泡高炉スラグ、ペレット化高炉スラグ、水砕高炉スラグ（ＧＢＦＳ）などを含む高炉（またはキュポラ炉としても知られる）で生じるスラグなどの鉄スラグを含む。鋼鉄スラグは、塩基性酸素製鋼炉（ＢＯＳ／ＢＯＦ）または電気アーク炉（ＥＡＦ）から生産され得る。多くのスラグはセメント質および／またはポゾラン特性を有することで認識されるが、スラグがどの程度これらの特性を有するかは、当業者によって認識されるように、それらの個々の組成、およびそれらが由来するプロセスに依存する。典型的なスラグは、カルシウム含有化合物、ケイ素含有化合物、アルミニウム含有化合物、マグネシウム含有化合物、鉄含有化合物、マンガン含有化合物および／または硫黄含有化合物を含む。いくつかの実施形態において、スラグは酸化カルシウムを約２５〜約６０重量％、任意で約３０〜約５０重量％、および任意で約３０〜約４５重量％含有する。概してセメント質特性を有する適当なスラグの１つの例は、微粉末高炉スラグ（ＧＧＢＦＳ）である。
【００５８】
前述のように、他の適当な例は、キュポラアレスタろ過ケーキなどの高炉に取付けられたエアー汚染制御装置から集められた高（キュポラ）炉粉塵を含む。別の適した工業副産物源は、紙脱インキ汚泥灰である。当業者によって認識されるように、カルシウム源として本発明の吸着剤組成物を形成するアルカリ粉末に適している、多くの異なる製造／工業プロセス副産物が存在する。これらの周知の副産物の多くは同様に、アルミナおよび／またはシリカを含む。典型的なあらゆる製造産物および／または工業副産物の組合せはまた、本発明のある実施形態のアルカリ粉末としての使用に意図される。
【００５９】
いくつかの実施形態において、シリカおよび／またはアルミナの所望の処理レベルは、ポルトランドセメント、セメント窯粉塵、石灰窯粉塵および／またはテンサイ石灰などの材料を添加してもたらされるレベルを超える。したがって、そのような材料を、好ましいシリカおよびアルミナレベルを与える必要のある、（たとえばモンモリロナイト、カオリンなどの）クレイに限定されないようなアルミノケイ酸材に補足することが可能である。いくつかの実施形態において、補足のアルミノケイ酸材は、石炭燃焼システムに付加される種々の吸着剤成分の少なくとも約２重量％、好ましくは少なくとも約５重量％で組成される。一般に、充分なレベルのカルシウムが維持される限り、技術的な観点からの上限はない。しかし、コストの見地からは、より高価なアルミノケイ酸材の割合を限定することが通常所望される。ゆえに、吸着剤成分は、好ましくは典型的なクレイなどのアルミノケイ酸材を約２〜５０重量％、好ましくは２〜２０重量％、より好ましくは約２〜１０重量％含有する。
【００６０】
いくつかの実施形態において、アルカリ粉末吸着剤組成物は、ポルトランドセメント、セメント窯粉塵、石灰窯粉塵、種々のスラグおよびテンサイ石灰などの１つ以上のカルシウム含有粉末とともに、これに限定されるわけではないが、モンモリロナイトまたはカオリンなどのアルミノケイ酸クレイを含む。いくつかの実施形態において、吸着剤組成物は、硫酸カルシウムが炉の粒子制御システムによって処理され、かつ水銀および重金属が酸性条件で灰から浸出されないように、燃焼によって生産される硫酸カルシウムとの、ならびに水銀および他の重金属との耐火物様混合物を形成するほど充分なＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３を含み得る。いくつかの実施形態において、カルシウム含有粉末吸着剤は最低で２重量％のシリカおよび２重量％のアルミナを、好ましくは最低で５重量％のシリカおよび５重量％のアルミナを含有する。いくつかの実施形態において、アルミナレベルはポルトランドセメントに見られるよりも高く、つまりＡｌ２Ｏ３に基づいて約５重量％よりも高く、いくつかの実施形態において約６重量％よりも高い。
【００６１】
いくつかの実施形態において、アルカリ粉末吸着剤組成物の吸着剤成分は、任意で付加された（臭素などの）ハロゲン化合物とともに機能して、灰中の塩素ならびに水銀、鉛、ヒ素および他の重金属を捕捉し、重金属を酸性条件下で非浸出性にし、生産される灰のセメント質特性を改善する。結果として、水銀、他のヒ素などの重金属、硫黄および塩素は、軽減、削減または除去され、価値のあるセメント系材料が石炭燃焼の副産物として生産される。
【００６２】
適したアルミノケイ酸材は、多種多様の無機鉱物および無機物を含む。たとえば、多くの鉱物、天然材料および合成材料は、オキシ環境と関連するケイ素およびアルミニウムとともに、これに限定されるわけではないが、、Ｎａ、Ｋ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｖ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｎなどの任意の他のカチオンおよび／または水酸化物イオン、硫酸イオン、塩素イオン、炭酸イオンなどの他のアニオンとともに、任意で水和水を含む。そのような天然および合成材料は、ここではアルミノケイ酸材として示され、非限定的に上述のクレイによって例示される。
【００６３】
アルミノケイ酸材において、ケイ素は四面体として存在しがちであり、アルミニウムは四面体、八面体または双方の組合せとして存在する。アルミノケイ酸塩の鎖または網目は、そのような材料において、ケイ素およびアルミニウムの四面体または八面体間で、１，２または３つの酸素原子を共有することによってできている。そのような鉱物は、シリカ、アルミナ、アルミノケイ酸塩、ジオポリマ（geopolymer）、ケイ酸塩およびアルミン酸塩などの種々の名前で通っている。いかなる態様で存在していても、アルミニウムおよび／またはケイ素含有化合物は、酸素の存在下で高温の燃焼にさらされると、シリカおよびアルミナを生産しがちである。
【００６４】
いくつかの実施形態において、アルミノケイ酸材はＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３の多形体を含む。たとえば、シリミネートは、シリカ八面体、および四面体と八面体との間で均等に分配されたアルミナを含有する。カイヤナイトはシリカ四面体およびアルミナ八面体に基づく。アンダルサイトはＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３の別の多形体である。
【００６５】
いくつかの実施形態において、鎖状ケイ酸塩がケイ素（シリカとして）および／またはアルミニウム（アルミナとして）を本発明の燃焼に提供する。鎖状ケイ酸塩は、酸素原子を共有することによって結合するＳｉＯ４四面体の無限鎖から成るこれに限定されるわけではないが、輝石および準輝石ケイ酸塩（pyroxenoid silicate）を含む。
【００６６】
他の適したアルミノケイ酸材は、それらに限られないが、雲母、クレイ、（アスベストなどの）クリソタイル、タルク、せっけん石、パイロフィライトおよびカオリナイトなどのシート材料を含む。そのような材料は、シリカおよびアルミナの八面体および四面体が２つの酸素原子を共有する層構造を有することを特徴とする。層状アルミノケイ酸塩は、緑泥石、海緑石、イライト、ポリゴルスキート（polygorskite）、パイロフィライト、ソーコナイト、バーミキュライト、カオリナイト、カルシウムモンモリロナイト、ナトリウムモンモリロナイトおよびベントナイトなどのクレイを含む。他の例は雲母およびタルクを含む。
【００６７】
適したアルミノケイ酸材はまた、これに限定されるわけではないが、方沸石、方ソーダ石、菱沸石、ソーダ沸石、フィリップサイトおよびモルデナイト群などの合成および天然ゼオライトを含む。他のゼオライト鉱物は、輝沸石、ブリュスタ沸石、剥沸石、束沸石、湯河原沸石、濁沸石、フェリエ沸石、ポーリング沸石および斜プチロル沸石を含む。ゼオライトは、アルミノケイ酸塩四面体骨格、イオン交換可能な（Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、ＢａおよびＳｒなどの）「大カチオン」および弱く擁される水分子によって特徴付けられる鉱物または合成材料である。
【００６８】
いくつかの実施形態において、骨格すなわち３次元のケイ酸塩、アルミン酸塩およびアルミノケイ酸塩が用いられる。骨格アルミノケイ酸塩は、ＳｉＯ４四面体、ＡｌＯ４四面体、および／またはＡｌＯ６八面体が３次元で結合される構造によって特徴付けられる。シリカおよびアルミナの双方を含む骨格ケイ酸塩のこれに限定されるわけではないが、たとえば、曹長石、灰長石、中性長石、亜灰長石、曹灰長石、微斜長石、サニディンおよび正長石などの長石を含む。
【００６９】
いくつかの実施形態において、吸着剤粉末の組成は、好ましくは酸化カルシウムに基づいて２０重量％よりも多く、大部分のカルシウムを含有し、さらにポルトランドセメントなどの市販製品に見られるよりも高いレベルのシリカおよび／またはアルミナを含有することを特徴とする。いくつかの実施形態において、吸着剤組成物は５重量％を超えるアルミナ、好ましくは６重量％を超えるアルミナ、好ましくは７重量％を超えるアルミナ、好ましくは約８重量％を超えるアルミナを含有する。
【００７０】
石炭または他の燃料は、燃焼して大気中に放出される硫黄および／または水銀量を制御するのに効果的な割合で、吸着剤成分と処理される。いくつかの実施形態において、吸着剤成分の総処理レベルは、処理される石炭重または燃焼によって消費される石炭比に基づいて、約０．１重量％〜約２０重量％に広がる。吸着剤成分が単一の組成物に組込まれると、成分処理レベルは吸着剤処理レベルに相当する。このようにして、単一の吸着剤組成物が提供されて、石炭燃焼システムへの付加について測定することができる。一般に、最低量の吸着剤を使用して、過剰の灰でシステムに負担をかけ過ぎないと同時に、なお硫黄および／または水銀放出に所望の効果を充分に与えることが所望される。したがって、いくつかの実施形態において、吸着剤の処理レベルは約１重量％〜約１０重量％に、およびいくつかの実施形態において、約１または２重量％〜約１０重量％に広がる。多くの石炭について、粉末吸着剤の６重量％の付加割合が受入れ可能であるとわかった。
【００７１】
ここで記載されるようなカルシウム、シリカおよびアルミナ含有粉末吸着剤は概して、石炭燃焼施設から放出されるガス中の硫黄量を削減するのに効果的である。いくつかの実施形態において、硫黄放出の削減に関して、本発明の方法は、燃焼される（石炭などの）燃料中の硫黄モルに対して測定して、少なくとも１：１のモル比で、および好ましくは１：１を超えるモル比で吸着剤成分中にカルシウムを与えることができる。過剰灰の生産を回避することが所望されるのであれば、吸着剤によって供給されるカルシウム量は、ここでも石炭中の硫黄に対して測定して、最大約３：１のモル比に限定することができる。
【００７２】
いくつかの実施形態において、放出される水銀量はまた、ハロゲンを追加させなくともそのような吸着剤を使用して軽減、低下または除去される。吸着剤は、火炎温度が１０００°Ｆにまで下がるシステムにおいて、酸化された水銀を除去するのに効果的である。しかし、火炎温度が１０００°Ｆよりもかなり高いこともある、いくつかの実施形態において、本発明の方法は、ハロゲン化合物を含有する吸着剤組成物で石炭を処理する工程を含んでもよい。ハロゲン化合物およびアルカリ粉末吸着剤の使用は、燃焼ガス中の非酸化水銀の量を削減する傾向にある。
【００７３】
ハロゲン化合物を含む吸着剤組成物は、ハロゲンを含有する１つ以上の有機または無機化合物を含む。ハロゲンは塩素、臭素およびヨウ素を含む。好ましいハロゲンは臭素およびヨウ素である。ハロゲン化合物が、ハロゲン、特に臭素およびヨウ素源である。臭素に関して、そのハロゲン源は、臭化物、臭素酸塩および次亜臭素酸塩を含む臭素の種々の無機塩を含む。いくつかの実施形態において、有機臭素化合物は、コストまたは利用可能性のためにあまり好ましくない。しかし、適当に高いレベルの臭素を含む臭素の有機源は、本発明の範囲内であると考慮される。有機臭素化合物は、これらに限定されるわけではないが、たとえば、臭化メチレン、臭化エチル、ブロモホルムおよび四臭化炭素を含む。ヨウ素の無機源は、これらに限定されるわけではないが、次亜ヨウ素酸塩、ヨウ素酸塩およびヨウ化物を含み、ヨウ化物が好ましい。有機ヨウ素化合物を使用することもできる。
【００７４】
ハロゲン化合物が無機物質である場合、アルカリ土類元素の塩を含む臭素またはヨウ素であるのが好ましい。典型的なアルカリ土類元素は、ベリリウム、マグネシウムおよびカルシウムを含む。ハロゲン化合物のうち、カルシウムなどのアルカリ土類金属の臭化物およびヨウ化物が特に好ましい。臭化物およびヨウ化物などのアルカリ金属臭素化合物およびアルカリ金属ヨウ素化合物は、水銀放出の削減に効果的である。しかし、いくつかの実施形態において、アルカリ金属臭素化合物およびアルカリ金属ヨウ素化合物はボイラ管および他の鋼表面に腐食を引起こしがちであるためにあまり好ましくない。いくつかの実施形態において、石炭燃焼システムに付加される吸着剤は、臭素またはヨウ素化合物のどちらのナトリウム塩も本質的に含まない。
【００７５】
いくつかの実施形態において、ハロゲン含有吸着剤組成物は、液体組成物または固体組成物の形態で与えられる。いくつかの実施形態において、ハロゲン含有組成物は、燃焼前に石炭に適用され、燃焼中に炉に付加され、および／または炉の下流の燃焼排ガスに適用される。ハロゲン組成物が固体である場合、ハロゲン組成物は、粉末吸着剤としてここに記載されるカルシウム、シリカおよびアルミナ成分をさらに含み得る。代わりに、固体ハロゲン組成物は、カルシウム、シリカおよびアルミナを含有する吸着剤成分とは別個に、石炭上および／または燃焼システム内に適用される。ハロゲン組成物が液体組成物である場合、通常別個に適用される。
【００７６】
いくつかの実施形態において、液体水銀吸着剤は、可溶性の臭素またはヨウ素含有塩を５〜６０重量％含有する溶液を含む。好ましい臭素塩およびヨウ素塩は、これらに限定されるわけではないが、たとえば、臭化カルシウムおよびヨウ化カルシウムを含む。いくつかの実施形態において、液体吸着剤は、臭化カルシウムおよび／またはヨウ化カルシウムを５〜６０重量％含有する。燃焼前の石炭への付加の効率化のためには、いくつかの実施形態において、実行可能な限り高レベルの臭素化合物またはヨウ素化合物を有する水銀吸着剤を付加することが好ましい。いくつかの実施形態において、液体吸着剤は、臭化カルシウムまたはヨウ化カルシウムなどのハロゲン化合物を５０重量％以上含む。
【００７７】
さらに説明するために、本発明のいくつかの実施形態は、燃焼前の原炭または粉砕石炭へ液体水銀吸着剤を直接付加することを含む。たとえば、水銀吸着剤が給炭機の石炭に付加される。液体水銀吸着剤の付加は０．０１〜５％にわたる。より高い処理レベルが可能であるが、さらなる利益は達成されないので、材料を無駄にしがちである。好ましい処理レベルは湿量基準で０．０２５〜２．５重量％である。液体吸着剤によって付加される固体臭化物塩またはヨウ化物塩の量は、もちろん吸着剤内の重量分率によって削減される。いくつかの実施形態において、臭素化合物またはヨウ素化合物の付加は、固体に基づいて、０．０１重量％〜１重量％などの低いレベルである。溶液の５０重量％が使用される場合、吸着剤は、低レベルの付加を達成するために０．０２％〜２％の割合で付加される。たとえば、いくつかの実施形態において、石炭は、臭化カルシウムが吸着剤の約５０重量％であると仮定して計算されて、０．０２〜１％、好ましくは０．０２〜０．５％の割合で液体吸着剤によって処理される。いくつかの実施形態において、臭化カルシウムを５０％含有する液体吸着剤のおよそ１％、０．５％または０．２５％が燃焼前に石炭に付加される。その割合は石炭重に基づく。いくつかの実施形態において、最初の処理は低いレベルで開始され（０．０１％〜０．１％など）、放出物の監視に基づいて、所望の（低い）水銀放出レベルが達成されるまで徐々に増加される。ハロゲンが固体として、またはカルシウム、シリカ、アルミナ、酸化鉄などの他の成分を有する多成分組成物で付加される場合、ハロゲンの類似の処理レベルが用いられる。
【００７８】
液体吸着剤は、用いられる場合、石炭に噴霧、滴下または他の方法で供給される。いくつかの実施形態において、付加は、燃料／吸着剤組成物の炉内への注入前に大気状態で石炭または他の燃料になされる。たとえば、吸着剤は炉内への注入前に粉末炭に付加される。代わりに、または加えて、液体吸着剤は燃焼中に炉内に付加され、および／または炉の下流の燃焼排ガスに付加される。ハロゲン含有水銀吸着剤組成物の付加はしばしば、１分または数分以内に燃焼排ガスにおいて測定される水銀レベルの降下を伴う。いくつかの実施形態において、水銀の削減は、カルシウム、シリカおよびアルミナに基づくアルカリ粉末吸着剤の使用によって達成される削減に追加される。
【００７９】
いくつかの実施形態において、本発明は、燃焼中の炉への直接のハロゲン成分（実例では臭化カルシウム溶液）の付加を含む。いくつかの実施形態において、本発明は、前述のような臭化カルシウム溶液の、２７００°Ｆ〜１５００°Ｆ、好ましくは２０００°Ｆ〜１５００°Ｆの温度帯を特徴とする範囲の炉の下流のガス流への付加を提供する。種々の実施形態において、臭化カルシウムなどの臭素化合物の処理レベルは、あらゆる割合の、共−、前−および後−燃焼付加に分けられる。
【００８０】
いくつかの実施形態において、種々の吸着剤成分が燃焼前に石炭に付加される。石炭は微粒子炭であり得、従来の手順に従って任意に粉砕されるか粉末にされる。これに限定されるわけではないが、たとえば、石炭は、微粒子の７５重量％が２００メッシュスクリーンを通過するように粉砕される（２００メッシュスクリーンは７５μｍの穴径を有する）。いくつかの実施形態において、吸着剤成分は、固体として、または液体および固体の組合せとして石炭に付加される。通常、固体吸着剤組成物は粉末状である。吸着剤が液体として（通常、１つ以上の臭素塩またはヨウ素塩の水溶液として）付加される場合、いくつかの実施形態において、石炭は、バーナに供給されるときに湿ったままである。いくつかの実施形態において、吸着剤組成物は、石炭がコンベヤ、スクリュ押し出し機または他の給炭装置上にある間、石炭上で噴霧または混合されることによって、石炭燃焼施設で連続的に石炭に付加される。さらに、または代わりに、吸着剤組成物は、石炭燃焼施設または石炭生産機で、石炭と別個に混合される。いくつかの実施形態において、吸着剤組成物は、バーナに給炭されつつあるときに、液体または粉末として石炭に付加される。たとえば、いくつかの実施形態において、吸着剤は、注入前に石炭を粉砕する粉砕機に適用される。所望するのであれば、吸着剤組成物の付加割合を変更して所望の水銀放出レベルを達成する。いくつかの実施形態において、燃焼排ガスの水銀レベルが監視され、所望の水銀レベルを維持するのに必要とされるように、吸着剤付加レベルがアップダウン調整される。
【００８１】
いくつかの実施形態において、施設から放出される水銀および／または硫黄レベルが、工業規格の検出および決定法を用いる従来の分析機器で監視される。いくつかの実施形態において、監視は定期的に、手動または自動のいずれかで行われる。これに限定されるわけではないが、たとえば、水銀放出物は１時間に１回監視されて、政府規制への準拠を保証する。たとえば、オンタリオ ハイドロ（Ontario Hydro）法が用いられる。この周知の方法において、ガスは、たとえば１時間といった予め定めた時間収集される。水銀は、収集されたガスから沈殿し、元素水銀および／または酸化された水銀のレベルが、原子吸光などの適当な方法を用いて定量される。監視はまた、技術的可能性および商業的可能性に応じて、１時間に１回よりも高いまたは低い頻度でなされ得る。商業的連続的な水銀監視は、水銀を測定し、かつ、たとえば３〜７分毎に１度といった適当な頻度で数字を出すように設定され得る。いくつかの実施形態において、水銀監視の出力は、水銀吸着物の付加割合を制御するのに用いられる。監視の結果に応じて、水銀吸着剤の付加割合は、付加レベルを増大させるか、減少させるか、変えずに置くかによって調整される。たとえば、監視が所望の水銀レベルよりも高いと指示すれば、吸着剤の付加割合は、水銀レベルが所望のレベルに回復するまで増大される。水銀レベルが所望のレベルになれば、吸着剤付加割合は据え置かれ得る。代わりに、吸着剤付加割合は、監視が高水銀レベルを回避するために増大されなければならないと指示するまで、低下され得る。このようにして、水銀放出物の削減が達成され、吸着剤の過剰使用が（付随する灰の増加とともに）回避される。
【００８２】
水銀は適当な場所の対流経路で監視される。いくつかの実施形態において、大気中に放出される水銀は、微粒子制御システムの排出物が少ない側で監視および測定される。水銀はまた、微粒子制御システムの上流の対流経路の地点にて監視され得る。実験は、水銀吸着剤が付加されない場合には、石炭中の水銀の高々２０〜３０％が灰中で捕捉され、大気中に放出されないことを示す。いくつかの実施形態において、ここで記載される水銀吸着剤の付加は、水銀捕捉量を９０％以上に釣り上げる。対応して、大気中への水銀放出物は削減される。
【００８３】
いくつかの実施形態において、吸着剤成分または吸着剤組成物は、多かれ少なかれ連続的に、前述のように、燃焼前の石炭に、燃焼中の炉に、および／または１５００°Ｆ〜２７００°Ｆ帯の対流経路に付加される。いくつかの実施形態において、自動フィードバックループが水銀監視装置と吸着剤給炭装置との間に与えられる。これは、プロセスを制御するための、放出水銀の一定の監視および吸着剤付加割合の調整を許容する。
【００８４】
いくつかの実施形態において、水銀および硫黄は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）によって発表される方法、または国際標準化機構（ＩＳＯ）によって発表される国際規格などの工業規格方法を用いて監視される。分析機器を有する装置が、好ましくは水銀および硫黄吸着剤の付加点の下流の対流経路に配設される。いくつかの実施形態において、水銀監視は、微粒子制御システムの排出物が少ない側に配設される。代わりに、または加えて、燃焼排ガスは、機器または監視装置を設置する必要なく、対流経路の適切な位置でサンプリングされる。種々の実施形態において、水銀または硫黄の測定レベルは、石炭燃焼システムへの吸着剤組成物の付加割合を調整するために作動または制御される、ポンプ、ソレノイド、噴霧機、および他の装置にフィードバック信号を与えるために用いられる。代わりに、または加えて、吸着剤付加割合は、水銀および／または硫黄の観察レベルに基づいて、人間オペレータによって調整することができる。
【００８５】
ここで記載される吸着剤の存在下で石炭を燃焼することによって生産される灰は、水と組合さると硬化し強度を発達させるという点でセメント質である。灰は、その比較的高いカルシウムレベルによって自己硬化しがちである。灰は、モルタル、コンクリートおよびグラウトなどの種々のセメント質混合物への形成に適した水硬性セメントとして、単独で、またはポルトランドセメントと組合せて役立つ。
【００８６】
ここで記載されるように生産される灰のセメント質特性はたとえば、灰の、より正確には灰を含有するセメント質混合物の強度活動指数の検討によって明らかにされる。ＡＳＴＭ Ｃ３１１−０５に記載されるように、強度活動指数の測定は、１００％のポルトランドセメントコンクリートと、ポルトランドセメントの２０％が試験コンクリートの同重量で置換されている試験コンクリートとの、硬化挙動および性状増進（property 
development）を比較することによってなされる。標準試験において、強度は７日目および２８日目にて比較される。「可」は、試験コンクリートの強度がポルトランドセメントコンクリートの強度の７５％以上である場合と認められている。いくつかの実施形態において、本発明の灰は、ＡＳＴＭ試験において、優秀な「可」を示す１００％〜１５０％の強度活動を示す。試験が、８０：２０のポルトランドセメント対灰の混合物以外の試験混合物に向けられた場合、同様の高い値が観察される。いくつかの実施形態において、１００％〜１５０％の強度活動指数は、８５：１５〜５０：５０の混合物で達成され、比の１番目の数字はポルトランドセメントであり、比の２番目の数字は本発明に従って調製された灰である。特定の実施形態において、全灰の試験セメント質混合物（すなわち、灰が試験混合物中のセメントの１００％を表す混合物）の強度増進は、全ポルトランドセメントコントロールの５０％を超え、好ましくは７５％を超え、より好ましくは１００％以上、たとえば１００〜１５０％である。そのような結果は、ここで記載される吸着剤成分の存在下で石炭または他の燃料を燃焼して生産される灰の、高度なセメント質を明らかにしている。
【００８７】
本発明に従う石炭の燃焼に由来する灰は、非浸出の形態で水銀を有するので、商業で販売するのに利用できる。これに限定されるわけではないが、使用済または廃棄物の飛散灰または底部の灰の使用は、ポルトランドセメントなどのセメント製品中の成分としての使用を含む。いくつかの実施形態において、セメント製品は、本発明に従う組成物の燃焼によって生産される石炭灰を約０．１重量％〜約９９重量％含む。いくつかの実施形態において、石炭灰中の水銀および他の重金属の非浸出特性は、石炭灰をすべての周知の工業利用に適したものとする。
【００８８】
本発明に従う灰を含有する水硬性セメント製品は、いくつかの実施形態において骨材と組合されてレディミックス化合物を形成する。レディミックス化合物は、レディミックスを水と混合し、歩道、縁石、車道、支柱、排水溝、導管などの種々のコンクリート製品を形成する、消費者に販売されるか、請負業者に提供される。硬化コンクリート構造物は、本発明に従う石炭灰を有するレディミックスの水和反応の製品である。
【００８９】
いくつかの実施形態において、本発明は、前述のあらゆるセメント製品またはコンクリート製品に水を付加して製造される水和性コンクリート組成物または固定性コンクリート（settable concrete）組成物を提供する。
【００９０】
本発明に従う石炭灰は、ポルトランドセメントとの部分的または完全な代替物として、ポルトランドセメントコンクリート（ＰＣＣ）において使用される。いくつかの実施形態において、灰は無機質混和剤または混合セメントの成分として使用される。混和剤として、灰はポルトランドセメントとの完全なまたは部分的な代替物であり得、バッチプラントにてレディミックスコンクリート内に直接付加され得る。代わりに、または加えて、灰はセメントクリンカと相互粉砕される（inter-ground）か、ポルトランドセメントと混合されて、混合セメントを生産する。
【００９１】
クラスＦおよびクラスＣの飛散灰は、たとえば米国規格ＡＳＴＭ Ｃ ６１８において定義されている。ＡＳＴＭ規格は、飛散灰がポルトランドセメントの部分的置換において使用される場合、飛散灰の規格となる。ここで記載される方法で生産される石炭灰は、ＡＳＴＭ Ｃ ６１８におけるクラスＦおよびクラスＣの飛散灰の規格要求よりもカルシウムが高く、シリカおよびアルミナが低い傾向にあることは注目すべきである。しかし、本発明に従う飛散灰はかなりセメント質であり、そのようなセメント系材料において使用されるポルトランドセメントおよびセメント系材料の５０％以上の置換または削減を許容することが観察される。いくつかの用途において、ここで記載される吸着剤との石炭の燃焼に由来する石炭灰は、そのような組成物中のポルトランドセメントの完全な（１００％）置換に足るほど充分にセメント質である。
【００９２】
さらに説明すると、米国コンクリート学会（ＡＣＩ）は、クラスＦの飛散灰が１５〜２５％のポルトランドセメントと置換し、クラスＣの飛散灰が２０〜３５％置換することを推奨している。ここで記載される方法に従って生産される石炭灰は、ポルトランドセメントを５０％まで置換するに足るほど充分にセメント質であるのと同時に、１００％ポルトランドセメントを用いる製品において見られるのと同等の２８日目の強度増進を維持することがわかった。すなわち、いくつかの実施形態において、灰はＡＳＴＭ Ｃ ６１８に従うクラスＣまたはクラスＦの灰としての資格はないけれども、それにもかかわらず高い強度のコンクリート製品を形成するのに有用である。
【００９３】
本発明に従って製造された石炭灰はまた、制御型低強度材料すなわちＣＬＳＭとも呼ばれる流動性フィルの生産における成分としても使用され得る。ＣＬＳＭは、充填アースフィルまたは他のフィルの代わりに、自己レベリング、自己充填バックフィル材料として使用される。ここで記載される灰は、いくつかの実施形態において、そのようなＣＬＳＭ材料中のポルトランドセメントの１００％の代替物として使用される。そのような組成物は水、セメントおよび骨材とともに使用されて、所望の流動性および極限強度の発達を提供する。たとえば、流動性フィルの極限強度は、硬化材料の脱離が所望される場合、１０３５ｋＰａ（平方インチあたり１５０ポンド）を超えてはならない。より高い極限強度を達成するように形成された場合、除去にジャックハンマが必要とされ得る。しかし、より高い耐荷重性の用途に使用される流動性フィル混合物を形成することが所望される場合、硬化による圧縮強度のより大きな範囲を含む混合物が設計され得る。
【００９４】
ここで記載される方法に従って生産される石炭灰はまた、安定化ベースおよびサブベース混合物の成分としても有用である。１９５０年代から、多種多様の塩基性石灰／飛散灰／骨材調製物が安定化ベース混合物として使用されてきた。安定化ベースの使用の例は、安定化道路ベースとして使用される。たとえば、砂利道が、組成物に従う灰を用いる代わりに、リサイクルされ得る。既存の路面が、その元の場所において粉砕および再堆積される。ここで記載される方法で生産されるような灰が、粉砕された道路材料中に広げられ、混合される。圧縮に続いて、シールコート面が道路に配設される。本発明に従う灰は、規制基準を超えて浸出する重金属を含まないため、そのような用途において有用である。むしろ、本発明の方法で生産される灰は、ここで記載される吸着剤なしに石炭を燃焼して生産される石炭灰よりも浸出しにくい水銀および他の重金属を含有する。
【００９５】
ゆえに、本発明は、高レベルの水銀を含有する石炭の燃焼に由来する石炭灰または飛散灰を埋立てる必要性を除去する種々の方法を提供する。コストのかかる廃棄の代わりに、材料が原材料として販売されるか使用され得る。
【００９６】
いくつかの実施形態において、吸着剤の使用は、種々の用途において完全にまたは部分的にポルトランドセメントにとって代わり得るセメント質灰をもたらす。セメント質製品の再利用のおかげで、少なくとも幾分のポルトランドセメントの製造が回避され、セメントを製造するのに必要なエネルギを節約し、セメント製造に起因するかなりの量の二酸化炭素の放出を回避する。二酸化炭素放出における他の節約は、脱硫スクラバにおける石灰または炭酸カルシウムの必要性の削減に由来する。ゆえに本発明は、いくつかの実施形態において、エネルギの節約および二酸化炭素などのグリーンハウス放出物の削減方法を提供する。本発明の態様のいくつかの実施形態のさらなる詳細は以下に与えられる。
【００９７】
ポルトランドセメントは湿式プロセス窯または乾式プロセス窯において製造される。湿式プロセスと乾式プロセスとは異なるが、両プロセスとも原材料を複数段階で加熱する。セメント製造原材料は、カルシウム、シリカ、鉄およびアルミナ源を含み、通常石灰石、ならびにたとえばクレイ、砂および／または頁岩などの他の種々の材料を含む。第１の段階は、原材料からあらゆる水分を除去し、水和物水を除去し、材料温度をおおよそ１５００°Ｆにまで上昇させる前加熱段階である。第２段階は、約１５００°Ｆ〜２０００°Ｆで通常起こる焼成段階であり、石灰石（ＣａＣＯ３）は、焼成反応中に二酸化炭素（ＣＯ２）を除去することによって石灰（ＣａＯ）に変換される。原材料はその後、燃焼帯の約２５００°Ｆ〜３０００°Ｆの最大温度にまで加熱され、原材料は実質的に溶解流動し、ケイ酸三カルシウム、ケイ酸二カルシウム、アルミン酸三カルシウムおよび鉄アルミン酸四カルシウムなどの無機化合物を形成する。ポルトランドセメント製品の典型的な分析は、その製品が、おおよそ６５〜７０％のＣａＯ、２０％のＳｉＯ２、５％のＡｌ２Ｏ３、４％のＦｅ２Ｏ３とともに、より少量の、マグネシウム、硫黄、カリウム、ナトリウムなどの酸化物などの他の化合物を含むことを示す。溶解された原材料は冷却されて、「クリンカ」として周知の小塊の中間産物に凝固し、これはその後窯から除去される。クリンカはその後粉末にされ、他の添加物（固化遅延剤、石膏など）と混合されてポルトランドセメントを形成する。ポルトランドセメントはその後、砂利および水と混合されてコンクリートを形成することができる。
【００９８】
セメント生産は、原材料の組合せが結合特性の化合物を形成するように高熱で化学的に変えられる、エネルギ反応性プロセスである。セメント製造は、二酸化炭素放出の最大の非エネルギ工業源である。放出物は、セメント窯への供給物のおよそ８０％を構成する加熱石灰石に由来する。セメント生産中、石灰石を石灰へ変換するために高温が使用され、二酸化炭素を大気中に放出する。このプロセスにおいて、１分子の炭酸カルシウムは、１分子の二酸化炭素ガスおよび１分子の酸化カルシウムへ分解される。
【００９９】
セメント製造者は、か焼炭酸カルシウムから得られるほぼ１００％の酸化カルシウムを利用する。ゆえに、セメントクリンカの酸化カルシウム量は、生産中にもたらされる二酸化炭素の良い尺度である。例において、セメント生産からの二酸化炭素放出を推定するために、セメントクリンカにおける石灰比に石灰の単位あたりに放出される炭素量を反映する定数を乗じることで放出係数が導かれる。ある例において、環境制御の国際パネル（
International Panel for Climate Control）の推奨に基づいて６４．６％の平均石灰含有量を仮定すれば、生産されるクリンカのトンあたり、炭素の０．１３８トンの放出係数が得られる。さらなる二酸化炭素は、モルタルにおいて通常使用される、より可塑性のセメントであるメーソンリセメントを製造するために追加の石灰を付加する結果として放出され得る。
【０１００】
セメント製造において、二酸化炭素の放出は、エネルギ利用およびクリンカ生産中の炭酸カルシウムの分解に由来する。エネルギを供給する燃料源に応じて、二酸化炭素の放出は変化し得る。たとえば、天然ガスなどのよりきれいな燃焼燃料の使用は、石炭などの燃料の使用よりも少ない二酸化炭素の放出をもたらす。いくつかの実施形態において、前述の本発明はセメントの生産に使用され得る。いくつかの実施形態において、セメントの生産における本発明の使用は、二酸化炭素の放出を削減するだろう。
【０１０１】
いくつかの実施形態において、ここで記載される本発明はセメントの生産において使用され得、セメントの生産における二酸化炭素の放出を低下させることによって、二酸化炭素放出クレジットをもたらす。いくつかの実施形態において、セメントプラントまたは石炭燃焼発電プラントなどの、空気放出に関する点源は、京都議定書の準拠に至る。
【０１０２】
京都議定書に基づいて、先進工業国は、二酸化炭素を含む６つのグリーンハウスガスの放出を、２００８〜２０１２年の第１約束期間中に、平均で１９９０年のレベルよりも５．２％削減することが求められている。京都議定書は、地球温暖化の速度を緩和する目的で、グリーンハウスガス放出の地球規模の増加を食い止めようとする試みである。京都議定書は、先進工業国におけるグリーンハウスガス放出に法的に拘束力を持った制限を設定し、炭素放出物のコストを低く保つことを目的とした、革新的な市場ベースの実施機構を想定している。京都議定書は、３つの革新的な市場ベースの柔軟な機構、石炭放出物取引、粉末薬品履行およびクリーン開発機構を想定している。これらは、先進工業国が、放出許可量を国間で取引し、かつ放出物制限計画用のクレジットを得ることで、各国の目標を満たすことを可能とするものである。
【０１０３】
欧州連合は、独自の内部放出物取引システムを実施しており、放出物取引の例となる。指令は、２００３年６月２日に欧州議会によって、および２００３年７月２２日に理事会によって認可された。欧州連合モデルは、世界で初めての多国籍放出物取引計画であり、京都議定書に基づく国際放出物取引の例と考えられ得る。欧州放出物取引計画に基づいて、欧州連合加盟国は、鋼鉄工場、発電プラント、石油精製所、製紙工場ならびにガラスおよびセメント製造を含むエネルギ集約的企業がどのくらいの量の二酸化炭素を放出することを許容されるのかについての許可量を発表することによって、これらの企業からの二酸化炭素放出に制限を設定するだろう。これらの許容可能な制限未満の削減は取引可能であろう。削減を達成する企業は、取引可能なクレジットに要するコストと比較して高価である放出物削減対策について、制限内に留まることに問題のある企業へ、削減を販売することができる。あらゆる企業はまた、市場からより多くのクレジットを獲得するより前に発表された制限または許可量を超えて、放出物を増大させ得る。
【０１０４】
ＣＯ２クレジットのコストは通常トンベースあたりで測定される。実際のコストは、市場の状態および地理的位置に基づいて変化する。いくつかの実施形態において、ここで記載される本発明は、セメント生産施設である点源に二酸化炭素クレジットをもたらす。前述の放出物取引計画に基づくと、計画は、放出物が最も安いところで企業が放出物カットをするように誘導し、それによって削減が経済に与える最低可能コストにてなされ、かつ革新が促進されることを確実にする。そのような革新はここに記載される本発明を含む。
【０１０５】
工業部門におけるエネルギ効率のよいシード計画は、京都議定書の第１２条に基づいて説明されているクリーン開発機構（ＣＤＭ）計画に基づいて、ＣＯ２などのグリーンハウスガス放出を削減する源を提供する。ＣＤＭは、先進国が途上国に資金を出す計画からオフセットを得ることによって、グリーンハウスガス削減要求を満たすための機構を先進国に提供する。炭素放出削減ユニットとして知られるこれらのオフセットを受けるために、計画は、実際に測定可能で長期間の利益を実証するべきであり、削減は、計画がない場合に生じるあらゆる利益に対して付加的であるべきである。
【０１０６】
いくつかの実施形態において、ここで記載される吸着剤の使用は、二酸化炭素放出を削減し、炭素放出削減ユニットの受取りとともにＣＤＭにおいて使用され得る。ＣＤＭの発展において、ベンチマークプロセスが使用され得るので、許可されるであろう炭素放出削減ユニットの量の決定が測定され得る。そのようなベンチマーク履行の例は、Ruthら（２０００年）の「Evaluating clean development mechanism projects in the cement 
industry using a process step benchmarking approach」（米国エネルギ省、Lawrence Berkley National Laboratory）に記載されており、この開示は参考文献として組込まれている。
【０１０７】
クリンカ生産、原材料およびセメント破砕を扱うセメント生産用のＣＤＭ評価手段を確立するために、３段階のそれぞれについてのベンチマーク性能値を確立することが必要であろう。その後、計画がベンチマークに対して比較されて、計画が達成するであろう、計画化された二酸化炭素削減レベルを決定することができる。
【０１０８】
セメントプラントでの炭素放出削減を計算する公式が以下に与えられる。この公式は、３つの重要なプロセス段階である、原材料調製、クリンカ生産およびセメント粉砕でのエネルギ使用のみを考慮している。ベンチマーク値が各段階にて使用されて、回避される炭素放出を測定する。
【０１０９】
【数１】
2009526198.tif 000002
【０１１０】
Ｃ（ｔ）−年ｔにおけるプラントでの二酸化炭素放出削減（ＣＯ２トン）
炭素含有量：
ｍｆ＝年ｔの総主要燃料使用における燃料ｆの割合（％）
ｑｆ＝燃料ｆの炭素含有量（ＣＯ２トン／ＧＪ）
ｑｅ＝電気の炭素含有量（ＣＯ２トン／ｋＷｈ）
【０１１１】
出力：
ＸＭ（ｔ）＝年ｔにおけるプラントでの原材料の生産（トン）
ＸＫ（ｔ）＝年ｔにおけるプラントでのクリンカの生産（トン）
ＸＧ（ｔ）＝年ｔにおけるプラントでの粉末セメントの生産（トン）
【０１１２】
エネルギ使用：
Ｍ（ｔ）＝年ｔにおける原材料調製用の総プラント電気使用（ｋＷｈ）
Ｋ（ｔ）＝年ｔにおけるクリンカ生産用の総プラントエネルギ使用（ＧＪ）
Ｇ（ｔ）−年ｔにおけるセメント粉砕用の総プラント電気使用（ｋＷｈ）
【０１１３】
ベンチマーク：
ｂＭ＝原材料生産のエネルギベンチマーク（ｋＷｈ／原材料トン）
ｂＫ＝クリンカ生産のエネルギベンチマーク（ＧＪ／クリンカトン）
ｂＧ＝セメント生産のエネルギベンチマーク（ｋＷｈ／セメントトン）
【０１１４】
セメント生産プロセスにおいて、二酸化炭素放出は、化石燃料の燃焼に由来する放出の意味でエネルギ関連として、および炭酸カルシウムの分解由来の放出の意味でプロセス関連として認められ得る。プロセス関連放出は前述の等式（１）で説明されない。というのも、それらは効率または性能の問題ではなく、代わりに、生産されるクリンカの総量に関連し、用いられる技術には関連しないからである。これらの放出物は、セメントのトンあたりのクリンカ量（クリンカ対セメント比）を減少させることによって、セメントベースのトンあたりで削減され得る。前述の計算はクリンカ対セメント比に中立である。
【０１１５】
セメント生産の仕上げの粉砕段階において、クリンカが添加剤と混合され、微粉に粉砕される。これらの添加剤は、最終コンクリート製品の強度、硬化時間および他の特性に影響を及ぼす。米国において最も普通に使用されるセメントタイプであるポルトランドセメントは、約９５％のクリンカ対セメント比を有する。クリンカ対セメント比を小さくさせる、混合物中の添加剤量の増加によって、クリンカは少ししか必要でなくなるので、クリンカ製造におけるエネルギ使用は、たとえプロセスの効率が改良されなくとも、セメントのトンあたりで減少する。同時に、クリンカ生産が低下するほど、クリンカ生産の焼成段階中の解離炭酸カルシウムからの二酸化炭素の放出は少なくなることを意味する。より小さいクリンカ対セメント比のセメントは通常混合セメントとして周知である。ポルトランドセメントに対する付加剤の割合を増大させることは、硬化時間をより長くするが、最終産物の強度を最終的により大きくし得る。混合セメントの使用はエネルギ消費を減少させると同時に、工業エコロジを改良する機会を提供する。というのも、付加剤は飛散灰などの廃棄物に由来し得るからである。いくつかの実施形態において、本発明は混合セメントの生産に使用され得る。いくつかの実施形態において、混合セメントにおける本発明の使用は、セメント製造場所からの炭素放出物量を削減する。いくつかの実施形態において、本発明の使用は、セメント製造場所が二酸化炭素放出クレジットを市販することを可能とする。
【０１１６】
等式（１）に与えられる炭素削減を評価する公式は、クリンカ対セメント比に中立である。混合セメントの生産を含む計画がＣＤＭクレジットについて考慮されなければならない場合、クリンカ生産およびセメント生産をリンクさせる等式（１）に値が導入される必要がある。これは、ベンチマーククリンカ対セメント比などの別のベンチマーク値を導入することによってなされ得る。たとえば、クリンカ対セメント比のベンチマークが０．９であれば、生産されるセメント１トンごとに、０．９トンのクリンカが生産され、０．１トンのクリンカの生産を回避することによって、プラントはエネルギを節約し、焼成由来の放出を除去する。
【０１１７】
所望であれば、ベンチマーク原材料対クリンカ比を導入することによって、原材料調製段階ともリンクされ得る。これらのベンチマークの付加は等式（１）を以下のように変更する：
ｄｋ＝ベンチマーククリンカ対セメント比（クリンカトン／セメントトン）
ｄＭ＝ベンチマークク原材料対クリンカ比（原材料トン／クリンカトン）
【０１１８】
その結果、セメントベースのトンあたりで新たなベンチマーク値が計算され得る：
ｂ・Ｋ＝ｄＫ・ｂＫ＝クリンカ生産に関するエネルギベンチマーク、セメントベース（ＧＪ／セメントトン）
ｂ・Ｍ＝ｄＫ・ｄＭ・ｂＭ＝原材料生産に関するエネルギベンチマーク、セメントベース（ｋＷｈ／セメントトン）
【０１１９】
セメントのトンあたりのクリンカシェアは変化するので、説明されなければならない焼成プロセスからの削減された放出が存在する。
【０１２０】
このプロセスから発生する炭素放出は、固定の化学量論値である：
ｑｃ＝焼成プロセスからの炭素放出物（ＣＯ２トン／クリンカトン）
よって、等式（１）は以下のようになる：
【０１２１】
【数２】
2009526198.tif 000003
【０１２２】
２つの等式間には３つの重要な差異が存在する：（１）第２の等式における焼成条件の付加、（２）ベンチマーク値をすべて「セメントベースのトンあたり」にした変更、および（３）第２の等式が原材料およびクリンカではなくセメントの生産（ＸＧ）のみを使用している。この例は、混合セメントが重要な炭素放出の削減を導き得ることを示唆している。節約は、エネルギ効率計画が達成し得るよりもかなり大きくなり得る。クリンカ対セメント比を０．９５〜０．９０に低下させても、二酸化炭素放出物の削減はより大きくなる。炭素削減について先に用いられた等式において、ベンチマークは、用いられる炭素のエネルギに関して与えられる。もし石炭が燃料に関するベンチマークとして選択されれば、窯に関するベンチマークは、エネルギベンチマークに石炭の炭素含有量を乗じることによって、エネルギ条件よりもむしろ炭素において表現され得る。石炭は世界的規模でセメントプラントに典型的な燃料である。セメントプラントにおける燃料としての石炭の利用は、硫黄および水銀由来放出物が削減されるようなここで記載される本発明の使用を含み得る。いくつかの実施形態において、エネルギ生産、セメントまたは他の工業プロセスにおいて使用される石炭への、ここで記載される吸着剤の使用は、硫黄放出物を減少させ、硫黄放出物の減少によって、ＣＯ２放出も減少させる。多くの工業点源において、スクラバとしても周知の燃焼排ガス脱硫は、硫黄を削減するために点源放出物に通常使用される。
【０１２３】
ここで使用されるように、スクラバは、たとえば煙突などの工業排気流から微粒子および／またはガスを除去するのに使用することができる空気汚染制御装置であるあらゆるシステムであり得る。伝統的に、スクラバは、液体を使用してガス流から不所望の汚染物質を擦り洗う装置とみなされてきた。より最近では、用語スクラバは、乾燥試薬またはスラリを排気流に注入して酸性ガスを洗い出すシステムを記載するのに使用することができる。スクラバは燃焼排ガス脱硫装置であり得る。
【０１２４】
湿式石灰／石灰石スクラバは、もっとも広く使用される燃焼排ガス脱硫システムである。そのようなシステムにおいて、燃焼排ガスは、二酸化硫黄が点源または冷却塔から大気中に放出される前に細かく粉砕された石灰石のあらゆる水性懸濁液との直接接触によって除去される、燃焼排ガス脱硫吸収体を通過する。この反応の副産物は硫酸カルシウム、二酸化炭素および酸素を含む。生じた二酸化炭素は点源から放出される。
【０１２５】
さらに、二酸化炭素は、燃焼排ガス脱硫システムにおいて使用される石灰石の生産において放出される。ここで記載されるようにこの吸着剤を使用することによって、燃焼排ガス脱硫システムの必要性は減少するか除去される。ここで記載されるように石炭とともに使用される吸着剤を利用する発電プラントまたは工場場所における燃焼排ガス脱硫システムの減少または除去は、燃焼排ガス脱硫システムからＣＯ２放出を除去することによって二酸化炭素放出クレジットの資格があり、かつ燃焼排ガス脱硫において使用される石灰石のさらなる生産の除去によってさらなる二酸化炭素放出クレジットの資格がある。これに限定されるわけではないが、１つの例において、石灰石における炭酸カルシウムの二酸化硫黄との化学反応は、硫酸カルシウムおよび二酸化炭素を生じさせる。以下の式を参照されたい。
ＣａＣＯ３＋ＳＯ２→ＣａＳＯ３＋ＣＯ２（ｇ）
【０１２６】
この反応を用いた１モルの二酸化硫黄の除去は、大気中に放出される１モルの二酸化炭素を生じさせる。この反応を用いて除去される二酸化硫黄のメートルトンごとに、０．６９メートルトンの二酸化炭素が大気中に放出される。
【０１２７】
いくつかの実施形態において、本発明の方法は、石炭燃焼施設からの排出を制御するための吸着剤の使用を含む、提案される種々の制御システムの価値を評価するためのビジネス分析を含む。評価後、分析結果に基づいて経営的意思決定がなされる。
【０１２８】
いくつかの実施形態において、ビジネス分析は、（１）施設パラメータおよび与えられた施設ごとの規制選択肢を得、（２）制御システム設計を大まかに書き、（３）制御システム要素を評価し、（４）これらの個々の要素のコストを推定し、ならびに（５）全システムの（資本および年間の）コストを推定する、という５つの工程から成り得る手順を推定することを含み得る。
【０１２９】
規制選択肢は、通常他人（概して規制当局）によって具体化され、しばしば技術主導でなされ、予め定められた放出限界を達成するための許容可能な方法を規定する。これらの選択肢は、「非制御」から、技術的に達成し得る最大制御に達するシステム要求にまで広がる。許可される選択肢は、第１に、放出源が、煙突などの点源であるか他の同定可能な主要な汚染源であるかによるだろう。煙突は通常「追加」装置によって制御される。おそらく、コスト見積の最も主体的な部分は、コントロールシステムが既存の施設に設置されなければならないときに生じる。元々の設計者が、新たな装置用に要素間にさらなる床面積および部屋を含むような配慮を持たない限り、改造汚染制御装置の設置は、適切な位置に装置を「押込む（shoe-horn）」ためにさらなる費用がかかり得る。
【０１３０】
いくつかの実施形態において、総資本投資（ＴＣＩ）は、制御システムに必要な装置を取得するのに必要なコスト（購入される装置のコスト）、その装置の設置にかかる労力および材料コスト（直接的な設置コスト）、場所の準備および建物にかかるコスト、ならびに他のコスト（間接的な設置コスト）すべてを含む。いくつかの実施形態において、ＴＣＩは、土地、運営資金およびオフサイト施設にかかるコストも含む。
【０１３１】
いくつかの実施形態において、直接的な設置コストは、土台および支持、装置の組立および操作、電気工事、配管、断熱ならびに塗装にかかるコストを含む。間接的な設置コストは、エンジニアリングコスト、建築および現場経費（すなわち、建築監督職員、事務職員、仮設事務所の賃借などにかかるコスト）、請負業者費用（プロジェクトに含まれる建築およびエンジニアリング会社にかかる）、立ち上げおよび性能試験コスト（制御システムを実行させ、性能保証を満たすことを確認するためのもの）、ならびに予備費などのコストを含む。予備費は、装置のあり得る再設計および修正、装置コストの激増、現場労力コストの増大、ならびに立ち上げ時に遭遇する遅延などによって生じ得る予定外のコストを補う包括的なカテゴリである。予備費は、不確実性および改造要素費用と同じものではない。
【０１３２】
これに限定されるわけではないが、１つの例において、総資本投資の要素が図１に表わされる。購入装置コスト、直接的および間接的設置コスト、ならびに場所の準備および建築コストの合計は、「装置の境界内（battery limits）」コストを含むことに留意されたい。これは、既存のプラントに設置される制御システムに主にあてはまるが、コントロールシステムを支持するための特別な施設が必要とされない場合（たとえばオフサイト施設）、新たなプラントに設置されるシステムにも適用される。オフサイト施設は、蒸気、電気および処理水、実験棟、ならびに支線、道路および他の交通基盤項目をもたらすためのユニットを含む。汚染制御システムは、それ用のオフサイト資本単位を通常持たない。というのも、汚染制御装置はそのレベルでエネルギをめったに消費しないからである。しかし、特に新プラントに設置される制御システムの場合、システムを使用可能にするために別の能力が、サイトの発電プラントに組込まれることが不可欠であろう。しかし、装置の資本コストは、たとえ装置がオフサイト施設を必要とする場合であっても、ユーテリティコストを含まないことに留意されたい。ユーテリティコストは、投資、ならびに施設にかかる運転および維持コストの双方を補う割合での運転コストとして、プロジェクトに請求される。運転コストは以下で詳細に議論される。
【０１３３】
図１が示すように、汚染制御装置の設置もまた土地を必要とするだろうが、ほとんどの追加制御システムは非常に少しの空間を占めるだけであるので（４分の１エーカー以下）、このコストは比較的安価である。燃焼排ガス脱硫（ＦＧＤ）または選択的接触還元（ＳＣＲ）に使用されるようなある制御システムは、装置、化学物質貯蔵および廃棄物処分のためのより広い土地を必要とする。これらの場合、特に改造設置を実行する場合、空間の制約は設置コストにかなり影響を及ぼし得、追加の土地購入は、プロジェクトの資本コストの拡大の重大な要因となり得る。しかし、土地は他の資本投資と同じように処理されない。というのも、その価値を長期にわたって保持するからである。汚染制御装置用の場所に必要とされる新たな土地の購入価格はＴＣＩに付加され得るが、その価値を永遠に保持するので、減価償却されるべきではない。代わりに、会社は近い将来装置を廃棄すると計画する場合、土地は分析から排除されるべきであるか、土地の価値は、収支分析から純益を上げるためにプロジェクトへの「収入」として処分点に含められるべきである。
【０１３４】
制御のルーチン運転は、システムがその設計パラメータ内で稼動するように試験され、平衡を保たれ、調整されるまで始まらない。その時まで、消費されるすべてのユーテリティ、費やされるすべての労力、ならびに実行されるすべての維持および修復は、プロジェクトの建設段階の一部であり、間接的設置コストの「立ち上げ」要素のＴＣＩに含まれる。
【０１３５】
いくつかの実施形態において、総年間コスト（ＴＡＣ）は３つの要素、直接コスト（ＤＣ）、間接コスト（ＩＣ）および収益クレジット（ＲＣ）を有し、これらは次の等式で関連する：
ＴＡＣ＝ＤＣ＋ＩＣ−ＲＣ
【０１３６】
明らかに、これらのコストの基礎は単年である。というのも、この期間は生産（および放出物発生）の季節的変動を許容し、財務分析において直接的に利用可能であるからである。これに限定されるわけではない１つの例において、種々の年間コストおよびそれらの相互関係を図２に表わす。いくつかの実施形態において、直接コストは、生産性（通常、会社の生産高）のいくつかの測定に、直接比例するか（変動コスト）、部分比例する（半変動コスト）傾向のあるコストであるが、いくつかの実施形態において、適切な測定基準は、単位時間あたりに制御システムによって処理される燃焼排ガス量であるのがよい。最終的に、直接および間接年間コストは、販売されるか、プロセスにリサイクルされるか、その場所のどこかで再利用され得る、制御システムによって回収される材料またはエネルギの収益クレジットによって相殺することができる。そのようなクレジットの例は、ＦＧＤによる硫黄制御の副産物である。石灰または石灰石試薬は燃焼排ガス流中の硫黄と反応するので、安価に埋立てられ得るか（直接コスト）、収集されてウォールボード製造者に販売され得る、たとえば石膏といったＣａＳＯ４に変換される（収益クレジット）。これらのクレジットは、あらゆる関連する処理、貯蔵、輸送の純資産、および回収材料またはエネルギを再利用可能または転売可能にするのに必要な他のあらゆるコストとして計算することができる。価値を評価するのに高度の注意および判断を発揮して、クレジットを回収すべきである。というのも、回収材料が少量または不確かな純度のもので、処女材料よりも価値が低いかもしれないからである。直接年間コストのように、収益クレジットは、その規模が生産レベルに直接比例するという点で、可変である。
【０１３７】
いくつかの実施形態において、別の投資機会が存在する場合、または２つ以上の汚染制御装置が使用され得る場合、最も適切な代替案の選択は、代替案の、会社の収益性への影響に依存する。結果として、財務アナリストは、投資に関連する潜在的な財務結果への識見を提供する１組のツールを作成してきた。単一のツールはすべての例において機能しないが、これらのいくつかのツールを適用すれば、有意義な決定がなされるのに充分な識見を財務管理者に提供することができる。ほとんどのアナリストが２つ以上のツールを用いて財務決定を行っている。
【０１３８】
必要とされるほとんどの財務分析は、投資選択に関連する、予想される収益の流入および費用の流出を形式化する、キャッシュフロー分析である。汚染制御装置は通常収益を生じないが、それでも環境コスト経理担当者は、他のツールの適用の先行ツールとしてのキャッシュフロー分析によって、汚染制御の別法の評価に着手している。以下は、キャッシュフロー分析、およびそれがどのように汚染制御装置に適用されるのかを説明する。おそらく、アナリストの備蓄兵器における最も重要なツールは、純現在価値（ＮＰＶ）である。というのも、ＮＰＶは、利益／コスト分析を含む、多数の関連分析のための基礎として機能するからである。収入および支出は投資の期間（その計画期間）を超えて生じ、投資の量および時期はプロジェクトのキャッシュフローを構成する。汚染制御システムの原価計算は常に支出を含むが、収入を必ずしも含まなくて良い。収入創出となる制御のためには、（少量の入力または製品改質によって）生産コストを削減しなければならないか、たとえば販売しやすい燃焼灰といった、リサイクル可能な特徴を有する汚染物を捕捉および回収しなければならない。
【０１３９】
返済
おそらく、財務分析の最も単純な形式は、単純に投資の資本コストをとり、かつその価値を、投資が創出する純年収と比較する、返済期間分析である。純年収が毎年同じであれば、返済期間を計算するのに、収益を単純に総資本投資に分けることができる。年間純収益が異なるのであれば、価値は、収益が総資本投資を超えるまで連続して合計される必要がある。返済の決定規則は、最も短い返済期間である投資を選択することである。
【０１４０】
ほとんどの汚染制御装置にとって、返済分析は可能ではないだろう。というのも、装置は収益を創出しないからである。しかし、限られた数の装置については、装置は収益源を創出する販売しやすい製品を生産し得る。これらの場合において、以下の理由のために、返済は限られたツールであり得、相対的収益性に対して最も収益を上げる推定値を提供するのみである。第１に、返済は、返済期間を超える計画期間において、すべての年のキャッシュフローの大きさおよび方向を無視する。５年で元が取れ、返済後のすべての年で収益を創出したプロジェクトは、同じ期間内で返済するが、後年すべてで巨額の損失を被ったプロジェクトと同じ返済価値を有するだろう。第２に、返済は通貨の時間的価値を考慮しない。
【０１４１】
純現在価値
いくつかの実施形態において、代わりの汚染制御装置を評価するために、アナリストは有意義な方法で装置を比較することができなければならない。異なる制御は予期される異なる耐用年数を有し、異なるキャッシュフローをもたらすだろうから、代替案を比較する第１の工程は、通貨の時間的価値の原理を用いて収益を標準化することである。未来のキャッシュフローが現在のお金に解釈されるプロセスは、現在価値分析と呼ばれている。キャッシュフローが収入および支出を含む場合、一般に純現在価値分析とも呼ばれる。どちらの場合にせよ、計算は同じである：未来の通貨価値を、適切な利（割引）率を用いて、同じ価値に調整し（通常プロジェクトの年がゼロ）、その後それらをまとめる。ＮＰＶ分析に関する決定規則は、負のＮＰＶのプロジェクトは着手されるべきではなく、正のＮＰＶのプロジェクトについては、純現在価値が大きいほど、プロジェクトはより魅力的である、というものである。
【０１４２】
ＮＰＶ決定工程は当該技術でよく知られており、以下を含み得る。
・代替案の認識
・各代替案の期間を超えたコストおよびキャッシュフローの決定
・適切な利（割引）率の決定
・各代替案について、装置の寿命を超えた年ごとの割引係数を計算する
・年ごとのキャッシュフローについて、全収入および支出を合計して名目のその年ごとの純キャッシュフローを決定する
・適切な割引係数による各年の純キャッシュフローを乗じる
・割引いた純キャッシュフローを合計して純現在価値を導く
・各代替案からの現在価値を比較する
・決定セットの他の代替案と比べて、より高い純現在価値が、より良い投資機会を示す
【０１４３】
投資収益
多くの会社は、純現在価値の大きさよりもむしろ、提案されている資本購入の投資収益（ＲＯＩ）に基づいて投資決定をしている。しかし、ほとんどの汚染制御投資について、ＲＯＩ分析は有用な情報に関して多くを提供しないだろう。というのも、返済分析と同様に、ＲＯＩ分析は適切に機能する正のキャッシュフローを有するはずだからである。投資の資本コストで年間純収入を割る計算により、各年で回収される投資の割合がもたらされる。ＲＯＩ分析に求めるべき決定規則は、生じる割合が少なくともいくつかの確定の最低収益率と同じ大きさである場合、投資は採算がとれるだろうというものである。しかし、異なる工業は異なる投資収益率を必要とし、工業内でさえ多くの異なる割合が見られ得る。アナリストは、会社の財務責任者または工業協会と協議して、どのくらいの割合が妥当であるかを決定すべきである。
【０１４４】
内部収益率
内部収益率（ＩＲＲ）は、「不良」から「良」の投資機会を分離するのに用いられる特別な場合の純現在価値分析である。実際、多くの業界団体がそれらの特定の工業について標準ＩＲＲ率を公表している。工業規格未満のＩＲＲであるプロジェクトは、採算がとれるほど充分な収入をもたらさないとして拒絶されるべきであり、工業規格以上のＩＲＲであるプロジェクトは、良い投資機会と考えられるべきである。ＮＰＶ分析は実際、それぞれが異なる利率で関連する一連の現行価値である。選ばれた各利率について、同じ投資のＮＰＶは異なり、非常に低い利率の負のＮＰＶから、より高い利率の正のＮＰＶにまで増大する。分析された各投資について、厳密にゼロのＮＰＶをもたらす利率が投資のＩＲＲである。しかし、ＩＲＲの適用は正のキャッシュフローの存在に依存し、汚染制御代替案の分析における使用を限定し得る。正のキャッシュフローがあれば、ＩＲＲは有用な情報を提供し得る。
【０１４５】
コスト便益比
投資の便益コスト比は、割引いた利益の、割引いたコストに対する比として定義され、それぞれは、通常年でゼロドルの、同じ一定のドル相場で評価される。比率の分子の利益について、便益コスト比に基づいてプロジェクトを承認する基準は、便益コスト比が１以上である（すなわち、利益がコストよりも大きい）か否かである。しかし、収入に依存する返済分析および財務ツールのように、汚染制御装置に適用され、厳密な財政見地から評価される場合、便益コスト比は限られ得る。
【０１４６】
会計上のコストおよび利益
会計上のコストは、財務諸表、台帳、または他の会計記録に含まれるコストである。それらは、ある団体と別の団体との間の資金の移動を「計算する」。しかし、経済コストは、かなり広いコスト区分である。経済コストは会計上のコストを含むが、汚染制御装置の評価時の他の典型的な経済コストは、たとえば、他人によって被ったコストおよび会社の会計システムの一部ではないコストなどの外部コストを含み得る。たとえば、ボイラは、たとえば飛散灰などの未燃焼または部分燃焼燃料の大粒子を生産するかもしれない。ボイラの所有者は、より高い燃料コストを通じて燃料コストを支払うが、燃料コストはプラントの風上の建物および家の煤を落とすコストを含まない。所有者はまた、飛散灰による呼吸障害を被る被害者のための喘息薬の代金を支払う必要がなく、喘息発作の不快症状のために補償することもない。これらの第１の経済コストはかなり直接的であり、経済文献はコストの見積り方の多くの例を有する。第２番目は、多くの研究および分析の後に初めて見積もられ得る健康問題である。第３のコストは、不快症状のための補償で、心理的コストであり、定量化するのが極めて困難である。しかし、これらのコストおよび他の多くの類似コストは、汚染制御代替案の実用性を評価する場合、分析によって考慮されるべきである。
【０１４７】
経済コストおよび会計上のコストと同様に、会計上の利益（収益、回避生産コスト）は、経済利益の一部である。汚染制御装置は汚染を削減し、それらの設置は経済コストの発生を削減するので、分析は、装置の利益のうちで、汚染物に由来する回避経済コストを含み得る。言い換えれば、飛散灰のない建物は清掃の代金を支払わなくてもよく、回避コストは装置の利益と考えられる。同様に、喘息発作がないことも装置の利益と考えられる。汚染制御代替案の経済評価をする場合、飛散灰を大気に入る前に捕捉するためのバッグハウスなどについて、分析はこれらの経済コストを回避する利益を考えている。
【０１４８】
汚染制御代替案の経済評価を実行する場合、分析は経済コストおよび利益を、返済、純現在価値分析に適用することができる（便益コスト分析またはＲＯＩもしくはＩＲＲを介した社会的割引率との比較のため）。
【０１４９】
先に議論した方法およびモデルに加えて、当業者にとって、以下の文献、Whetら（１９９５）の「Environmental Cost Accounting for Capital Budgeting」（US EPA OMB#2070 0138）およびOffice of Air Quality and Planning（２００２）の「EPA air pollution control cost manual」（第６版、US EPA EPA/452/B-02-001）は有用であろう。これらの開示は参考文献として組込まれている。
【０１５０】
有利なことに、ここで記載される本発明の石炭燃焼施設の運転方法の採用に関連するコストは、化学的スクラバ、バッグハウスおよび他の制御装置の設置などの代替案との比較において、相対的に低い。低コストは通常、返済、ＮＰＶ、ＩＲＲ、ＲＯＩおよび先に議論したその他の分析に好ましい効果を及ぼす。重要なことには、本発明の方法は、回避されたコストおよび改善された収益源によって、顕著なコスト優位をも導く。金銭的利益は、計算が発生主義方法によるか、現金主義であるかで得られる。
【０１５１】
本発明を用いることによって回避されるコストは、必ずしも限定されないが、以下を含む：
・水銀を除去するための化学的スクラバの設置の資本および他のコスト。採用１年において、支払手形がある場合、現金支出は購入価格の１００％以下である。数年先、利息が手形で支払われるが、減価償却費が資産に乗せられて、通常引受済みの会計原則に従って税金または他の目的のために最終帳尻が計算される。発電施設の大きさに従って、スクラバのコストは何億ドルにも広がり得る。スクラバの運転は、維持、労力および材料コストを含む。会計はまた、停止時間、およびスクラバの再接続に関連するコストにも乗せられなければならない。同様に、スクラバによって生産された水銀含有材料の処分に関連するコストが通常存在する。いくつかの実施形態において、これらの資本コストの回避は、ここに記載される方法の使用の主要な利益である。
・装置の代金を支払うのに落とされるあらゆる手形借入金のコスト；
・危険廃棄物としての廃棄物灰の処分コスト。従来の水銀の改善代替方法のいくつかは、まさに本方法と同じように、飛散灰または底部の灰中の水銀の捕捉をもたらすものもある。しかし、従来の方法において、水銀は非封鎖形態（non- sequestered form）で飛散灰中に捕捉される。たとえば、水銀（および他の重金属）は、米国環境保護庁によって定義されるようなＴＣＬＰ手順などの酸性状態下で灰などから浸出しがちである。高い水銀含量および浸出特性の結果として、灰は危険廃棄物と考えられる。したがって、灰は商業目的で使用することはできず、危険廃棄物として処理および廃棄されなければならない。
・非準拠のコスト。司法権に応じて、プラント運営者は、水銀および硫黄などの汚染物の放出の規制限界を超えることによる罰金および／または他のコストを免れない。
・汚染クレジットのコスト。ある状況において、施設運営者は、いわゆる放出クレジットを購入する場合、硫黄または水銀などの危険材料の放出の超過による罰金または刑事責任を回避することができる。これらは公開市場で入手でき、その時の価格で変動する。
・地域の反感のコスト。局所環境および地域環境ならびに地球環境を汚染する施設運営者は、社会のかなり多数の組織および個人からの反対にさらされる。その反対に関連するコストは時折実体のないものであるが、地方自治体、連邦国家、税務当局、監督官庁などによって採択された非協力的または役に立たない立場からビジネスを行うコストの増大に反映される。
【０１５２】
さらに、本発明の方法の採用は、種々の収益源を増大させる利点を導く。
・廃棄物灰は、危険廃棄物として埋められる代わりに商業で販売することができる。生じた収益は少なくとも部分的に制御方法の採用コストを相殺する。
【０１５３】
・汚染物の削減のための優遇税制を利用することもできる。たとえば、米国税法第４５条は、ある条件下の改質石炭の使用に税還付を与える。改質石炭は価値が少なくとも５０％増大されなければならない。基準の化学的特性の少なくとも２０％の変化がなければならず、かつ改質石炭の使用がＮＯＸ、および水銀または硫黄放出物のいずれかを少なくとも２０％削減しなければならない。本発明の使用によって、財務利益は、回避コストおよび実現収益によって達成される。利益を実現するために消費される石炭量に基づいて利益が計算される場合、いくつかの実施形態において、石炭の増加価値は５０％を超える。基準の化学的変化は２０％を超える。硫黄および水銀は２０％よりも多く削減され、いくつかの実施形態において、ＮＯＸの削減も同様に見られる。ゆえに、いくつかの実施形態において施設運営者は、第４５条の税還付に必要な資格を得、その所得税申告に還付を適用する。
【０１５４】
さらに、吸着剤の使用は消費石炭の単位量当たりの電気生産量の増大を導き得、吸着剤の使用からの利益の増大を導く。いくつかの実施形態において、ボイラ管の水温は、本方法が実施される場合に上昇する。吸着剤成分は、ボイラ壁に耐火物様組成物を形成すると考えられている。結果として、壁は燃焼によって生じた熱をより反射し、ボイラ管に熱の焦点を合わせ、より高温の水をもたらす。ゆえに、同量の石炭の燃焼がボイラの電気生産量を増大させ、すなわち同レベルの出力がより少量の石炭の燃焼によって維持され得る。純財務利益は、ここで記載される方法の使用に、特に吸着剤に起因する。
【０１５５】
いくつかの実施形態において、運転の改良は、特にボイラ管の、燃焼中に生じるファウリングおよび／またはスラッジングの削減にも見られる。ファウリングは管への結合堆積物の形成を含み、通常スラッジングは堆積物が融解したときに生じる。吸着剤の使用は、ファウリングおよび／もしくはスラッジングを防止もしくは削減する傾向があり、ならびに／または吸着剤を使用せずに作動されてきた炉のファウリングおよびスラッジングを修正または除去する傾向がある。種々の実施形態において、石炭が、水銀を除去し、灰を非浸出性にし、より高度なセメント質にする吸着剤とともに燃焼される間に、１フィートのスラグ堆積物でさえボイラ管から除去される。スラグ堆積物の除去は、ボイラ管へのより良好な熱伝導を、および付随するより高いボイラ温度を導く。より高いボイラ温度は、タービンを回転させる蒸気が単位時間あたりにより多く生じるので、電気生産量の増大を導く。あるいは、水温が同じ温度で維持されるまで、供給される石炭量は削減され得る。どちらにしても、燃焼石炭の単位あたりに生じる電気量は上昇する。吸着剤の使用によって生じる「追加の」電気の価値はまた、制御システムの採用の財務利益にも寄与する。本発明は理論によって限定されるべきではないが、前述の吸着剤組成物は、石炭燃焼プロセスにシリカおよびアルミナの追加的または補足的な源を提供する。追加のシリカおよびアルミナとの石炭の燃焼は、コールドセラミックなどで周知のジオポリママトリクスを形成する。石炭は元来少量のシリカおよび／またはアルミナを含有するが、石炭中に元来含まれるそれらの材料の量は通常、燃焼してジオポリママトリクスをもたらすほど充分ではないと考えられている。さらに、石炭中に元来含まれるシリカおよびアルミナは、燃焼して硫黄および／もしくは水銀の最適な捕捉をもたらし、ならびに／またはセメント質の灰製品を提供するために、元来含まれるカルシウムと釣合いが必ずしも取れているわけではない。
【０１５６】
本発明は理論によって限定されるべきではないが、前述の吸着剤組成物は、石炭燃焼プロセスにシリカおよびアルミナの追加的または補足的な源を提供する。追加のシリカおよびアルミナとの石炭の燃焼は、コールドセラミックなどで周知のジオポリママトリクスを形成する。石炭は元来少量のシリカおよび／またはアルミナを含有するが、石炭中に元来含まれるそれらの材料の量は通常、燃焼してジオポリママトリクスをもたらすほど充分ではないと考えられている。さらに、石炭中に元来含まれるシリカおよびアルミナは、燃焼して硫黄および／もしくは水銀の最適な捕捉をもたらし、ならびに／またはセメント質の灰製品を提供するために、元来含まれるカルシウムと釣合いが必ずしも取れているわけではない。
【０１５７】
石炭燃焼施設の運転方法は、硫黄、水銀および／または他の有害放出物の放出を削減する技術の適用を含む。放出物の削減は環境利益をもたらし、税還付および他の金銭的利益を導き得る。本発明は、スクラバまたは他の装置に多額の投資を必要としない点で非資本的である。本方法は、大気中に混入物質を放出するのではなく石炭灰中に混入物質を取込むために、石炭の燃焼前および燃焼中に種々の吸着剤成分または吸着剤組成物を付加する工程を含む。たとえ混入物質が石炭の燃焼によって生産された灰に現れても、灰はなお商業的に実現可能な製品である。というのも、工業特性および環境特性が改善されているからである。ゆえに、いくつかの実施形態において、本発明は、環境制御、および廃棄物の販売からの価値の利得の双方を提供する。
【０１５８】
いくつかの実施形態において、本方法は、環境制御の一部として、酸化カルシウム、アルミナおよびシリカなどの吸着剤成分、ならびに任意のハロゲンを付加する工程を含む。吸着剤の使用は、さもなければ石炭の燃焼に由来する硫黄および水銀放出物の顕著な削減を導く。吸着剤の使用は、水銀がより高いが、市販製品として利用可能な廃棄物石炭灰の生産を導く。というのも、灰中の水銀は非浸出性であり、石炭灰は灰中の吸着剤成分の含有量の増加によってより高いセメント質特性を有するからである。ゆえに、いくつかの実施形態において、本方法は、セメント質の石炭灰の生産を導く性質を有する粉末を付加すると同時に、石炭燃焼施設からの放出物を削減する工程を含む。
【０１５９】
本方法の使用は石炭燃焼施設に広範囲の利益を提供する。
１）水銀（酸化された水銀および元素水銀の双方）および／または硫黄の放出物は顕著に削減されて、硫黄および水銀放出物規制の準拠を可能とし、局所環境を保護する。いくつかの実施形態において、酸化窒素もまた削減される。
２）環境問題および健康問題に対処するのにスクラバは必要とされないので、高い資本投資コストの回避をもたらす。
３）石炭の燃焼に由来する灰はセメント質特性が増大して、種々の工業用途に使用され得る。
４）石炭の価値は５０％以上も増加する。
５）飛散灰の処分コストは、灰の商業的価値のために回避される。
６）罰金などの環境規制への非準拠コストおよび放出クレジットのコストは回避される。
７）回避コストおよび実現収益は、施設運営者のバランスシートに有利に貢献する。
８）回避コストおよび実現収益は、ここで記載される制御システムの採用からの投資収益を増大させる。
【０１６０】
いくつかの実施形態において、本発明は石炭由来の水銀などの重金属の浸出特性を改善する方法を提供する。本方法は、燃焼後にジオポリマを形成させるのに充分なシリカおよび／またはアルミナを石炭に付加する工程を含む。好ましくは、シリカおよびアルミナは、硫黄孔食を減少させるほど充分なアルカリ粉末とともに付加される。アルカリ粉末は、シリカおよびアルミナを中和してジオポリマ灰を形成するとともに、シリカおよび／またはアルミナを結合させて、安定化灰として報告されているセラミック様マトリクスを形成する傾向にある。石炭と燃焼するアルミナおよびシリカは、水銀、鉛、ヒ素、カドミウム、アンチモン、コバルト、銅、マンガン、亜鉛および／または他の重金属との耐火物様混合化合物を形成するかもしれない。結果として、重金属を含有する生じた石炭灰または飛散灰は、標準条件下で浸出耐性である。前述のように、石炭灰の非浸出特性は、製品がもはや危険物として考えられなくなるので、商業利益を導く。
【０１６１】
本発明の先の議論は、例として石炭燃焼発電プラントを用いたが、当業者であれば当然、本発明は、セメント製造、紙生産、蒸気発生、住宅または商業暖房などを含むあらゆる石炭燃焼施設に適用できると理解できるだろう。石炭のワールドワイドでの主な使用は発電のためであり、そのようなものとして、本発明は発電する石炭燃焼施設に適用できる。当業者であれば当然、どのタイプの石炭燃焼施設が分析されるかに応じて、ビジネス分析に対する僅かな変化または修正が必須であるということを理解できるだろう。
【０１６２】
２００５年３月１５日に、ＥＰＡは石炭ベースの発電プラントに対して、最終のクリーンエアー水銀規定（ＣＡＭＲ）を宣言した。規定には２つの必須要素がある。１つ目は、２００４年１月３０日後に建設された石炭火力発電プラントからの水銀放出物を制限する達成基準である。２つ目は、いつ建設されたかにかかわらず石炭火力発電プラントに適用し、市場ベースの「キャップアンドトレード」プログラムであり、施設が水銀放出物を取引するのを許可するだろう。プログラムは、水銀放出物に、二相の「上限」または国内制限を確立した。ＣＡＭＲは、クリーンエアー法（ＣＡＡ）第１１１条の市場ベースのキャップアンドトレードアプローチを用いており、２０１０年には３８トンの、２０１８年後は１５トンの上限で、削減の総計が現レベルの７０％である二相の放出物削減を要求している。施設は、ある年に放出される水銀の各オンスについて１つの「許可」を保持することによって、基準の規制遵守を実証する。最終の規定において、ＥＰＡは石油火力プラントからのニッケル放出物の規制が「適切かつ必須」ではないと主張している。放出物取引は、放出物の上限を確立し、源（たとえば発電プラント）が柔軟に、状況に合わせて最善に機能する放出物削減計画を選択することを可能にするシステムである。取引は、放出物を過剰制御し得る源が、追加の削減クレジットを、制御が法外に高く、または技術的に導入が困難な別の源に販売することを許容する。
【０１６３】
二酸化硫黄（ＳＯ２）および酸化窒素（ＮＯＸ）の放出物取引市場が今まで比較的うまくいっていることは、当業者が認めている。たとえば、１９９０年の改正クリーンエアー法に基づいて作られた米国酸性雨プログラムでは、ＳＯ２源は、たとえば燃料転換、制御技術、または放出物取引といったどの放出物削減解決策が各施設にとって最も経済的であるかを決定することが認められた。この柔軟性はより低いコストでより大きな環境利益をもたらし得る。より新しい、発展中のＮＯＸ市場もまた、価格はより不安定であるが、放出物を削減している。
【０１６４】
キャップアンドトレードプログラムは、放出物を制御することに関して様々な利益を与え得る。取引プログラムは通常、従来の指揮制御アプローチを行うよりも、全体の放出物削減をより柔軟に満たす規制ユニットを提供する。というのも、ユニットは、最も適切でコスト効果的であると認めた制御方法を、放出限界を満たすために適用し得るからである。この柔軟性は市場の全体の制御コストを最小化するのに役立つ。さらに、キャップアンドトレードプログラムは、超過され得ない固定の国内放出物の上限を確立することによって、より大きな環境確実性を提供することができる。しかし、キャップアンドトレードプログラムの環境利益は、上限の妥当性に依存するだろう。
【０１６５】
ＥＰＡの提案されている水銀放出物取引プログラムに基づいて、制御によって放出物をコスト効果的に削減することができないユニットは、確立された許容限界を超えて放出物を削減することができ、かつそれらの余剰の許容を進んで販売するユニットから、許容を購入し得る。各ユニットは、ユニットが放出する水銀の各オンスあたり１つの放出物許可を所有するように求められる。ユニットは、国内放出物マーケットにおいて互いにクレジットを売買することが許されるだろう。ＥＰＡの提案されているキャップアンドトレードの代替案は、２０１０年の暫定の水銀放出物の上限が、提案されているクリーンエアー州間規制（ＣＡＩＲ）に基づいて、ＳＯ２およびＮＯＸ制御の実施によって単に共益として達成される水銀削減量に基づくことを提案する。
【０１６６】
いくつかの実施形態において、本発明は、前述のように石炭燃焼施設からの水銀放出物の低減方法を提供する。いくつかの実施形態において、本発明は規制機関または政府機関によって決定されるような水銀の放出物制限を満たす方法を提供する。いくつかの実施形態において、本発明は先に議論した少なくとも吸着剤の使用によってもたらされる放出クレジットの取引方法を提供する。いくつかの実施形態において、放出物取引クレジットは財務諸表に掲載し得、そのような財務諸表は先に議論されている。いくつかの実施形態において、放出クレジットは資産として使用され得、すなわち、運営者に利益を与え得る。
【０１６７】
いくつかの実施形態において、本発明は石炭由来の水銀などの重金属の浸出特性を改善する方法を提供する。本方法は、燃焼後にジオポリマを形成させるのに充分なシリカおよび／またはアルミナを石炭に付加する工程を含む。好ましくは、シリカおよびアルミナは、硫黄孔食を減少させるほど充分なアルカリ粉末とともに付加される。アルカリ粉末は、シリカおよびアルミナを中和してジオポリマ灰を形成するとともに、シリカおよび／またはアルミナを結合させて、安定化灰として報告されているセラミック様マトリクスを形成する傾向にある。石炭と燃焼するアルミナおよびシリカは、水銀、鉛、ヒ素、カドミウム、アンチモン、コバルト、銅、マンガン、亜鉛および／または他の重金属との耐火物様混合化合物を形成するかもしれない。結果として、重金属を含有する生じた石炭灰または飛散灰は、標準条件下で浸出耐性である。前述のように、石炭灰の非浸出特性は、製品がもはや危険物として考えられなくなるので、商業利益を導く。
【０１６８】
実施例
実施例１
石炭を正のドラフトの接線方向燃焼ボイラで燃焼し、消費者使用用に発電する。粉末石炭（２００メッシュを通過する７５％）をボイラに供給する。粉末石炭のボイラへの導入前に、粉末吸着剤を、燃焼によって消費される石炭比に基づいて、６重量％の比で石炭に付加する。粉末吸着剤は、９３重量％のセメント窯粉塵および石灰窯粉塵の５０／５０の混合物ならびに７重量％のカルシウムモンモリロナイトを含有する。同時に、水溶液中５０重量％の臭化カルシウムを、燃焼によって消費される石炭比に基づいて、０．１〜２重量％の比で石炭に滴下する。飛散灰サンプルを、吸着剤の付加前に（基準）、ならびに粉末吸着剤および液体吸着剤の付加後に収集する。塩素および重金属のレベルを、標準の方法に従って決定する。結果を表１に示す。
【０１６９】
【表１】
2009526198.tif 000004
【０１７０】
実施例２
次に、前述のように、灰サンプルをＥＰＡのＴＣＬＰ手順に従って試験し、主要な元素の酸性浸出閾値を決定する。結果を表２に示す。
【０１７１】
【表２】
2009526198.tif 000005
【０１７２】
これに限定されるわけではないが、これらの実施例において、吸着剤の使用は、飛散灰に見られる様々な重金属のレベルを増加させることがわかった。たとえば、ヒ素、カドミウム、クロム、鉛、水銀および塩素は、基準よりも試験灰に高いレベルで存在している。これは、灰中でのこれらの典型的な元素の捕捉が増加していることを表すと考えられる。試験灰の亜鉛の増加レベルは説明できない。しかし、このことは、多量の脱スラッジングが、本発明の吸着剤の使用時にボイラ管から観察されるという事実に起因するだろう。亜鉛の増加レベルは、吸着剤との燃焼中にボイラ管から除去される材料に起因するだろう。
【０１７３】
表２は、飛散灰が、ヒ素、鉛および水銀などの元素の絶対レベルにおいてはより高いにも関わらず、ヒ素、鉛および水銀の浸出可能量が、基準においてよりも試験灰において、実質的により低いことを示している。
【０１７４】
ここに記載されるいくつかの実施形態および実施例は例であり、本発明の組成物および方法の全範囲の記載において限定的であることを意図されない。いくつかの実施形態、材料、組成物および方法の同等の変更、修正および変化は、実質的に類似した結果になるように、本発明の範囲内でなされ得る。
【図面の簡単な説明】
【０１７５】
【図１】汚染制御装置を設置および維持するための総資本投資の要素の非限定例を説明するブロック図である。
【図２】汚染制御選択肢をもたらす決定における、種々の年間コストおよびそれらの相互関係のこれに限定されるわけではない１つの例を説明する線図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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