(57)【要約】      （修正有）【課題】石炭灰の形態での石炭燃焼副産物や石炭燃焼残渣の処理システムおよび方法の提供。【解決手段】バルク量の石炭灰を回収し、石炭灰流れを熱（１つの実装において８５０°Ｆ〜１２００°Ｆにわたる）に約１０分〜約３０分暴露することにより、石炭灰中の炭素ＬＯＩが３％以下となるまで炭素を除去することを含み、石炭灰流れは昇華熱から除去されて改質石炭灰を形成する、改質石炭灰を生産するためのシステムおよび方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質石炭灰を生産するための方法であって、
バルク量の石灰灰を回収することであって、前記石炭灰が石炭の燃焼により以前に生成され、前記石炭灰が９％以下の炭素ＬＯＩを有することと、
前記回収された石炭灰を石炭灰流れの形にすることと、
前記石炭灰流れを１０分〜３０分の範囲の暴露時間中で８５０°Ｆ〜１２００°Ｆにわたる昇華熱にさらすことにより、炭素の非自己持続的昇華において炭素の少なくとも５０％を石炭灰から除去することと、
石炭灰のＬＯＩを３％以下に低減するように前記暴露時間の範囲を選択することと、
前記選択された暴露時間の終了時に前記昇華熱から前記石炭灰流れを除去して改質石炭灰を形成することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記石炭灰が、８０ミクロンを超える粒子を有することを特徴とするボトムアッシュを含み、
前記回収された石炭灰および前記改質石炭灰の少なくとも１つを微粉砕または選別して、前記改質石炭灰の粒子の８０％が４５ミクロンスクリーンを通過することを特徴とする前記改質石炭灰の粒子を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記回収するステップが、重金属が結合したバルク量の石炭灰を回収することを含み、
前記石炭灰を前記昇華熱にさらしている間に前記重金属を揮発させること、および前記揮発重金属をアルカリ土類金属硫化物またはアルカリ土類金属多硫化物の少なくとも１つで処理することにより、前記石炭灰から前記重金属を分離するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記選択された範囲の暴露時間中、石炭灰の暴露を毎分４００〜３０００立方フィートの空気に制限するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記回収された石炭灰を回転揮発管に挿入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記回収された石炭灰を前記回転揮発管に挿入するステップが、前記石炭灰流れをロータリーキルンおよび回転か焼炉の１つに挿入することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記回収するステップが、バルク量の石炭フライアッシュを回収することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記回収するステップが、６％〜９％の炭素ＬＯＩおよび６０ｐｐｍ以上のアンモニアを有するバルク量の石炭灰を回収することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記選択された範囲の暴露時間で前記石炭灰流れを前記昇華熱にさらした後、前記石炭灰流れが、４５０°Ｆ〜７５０°Ｆの温度を有するガス化熱に１０分〜２０分にわたる時間暴露され、前記時間が前記改質石炭灰中の前記アンモニアを６０ｐｐｍ以下に低減するように選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
改質石炭灰を生産するための方法であって、
バルク量の石灰灰を回収することであって、石炭灰が石炭の燃焼により以前に生成され、石炭灰の量が６％以上の炭素ＬＯＩおよび６０ｐｐｍ以上のアンモニアの特徴の少なくとも１つを有することと、
前記回収された石炭灰を石炭灰流れとして回転揮発管に挿入することと、
前記回転揮発管に入っている間、以下の加熱ステップ：（ｉ）温度および暴露時間が炭素ＬＯＩを３％未満に低減するように選択される、間接的な昇華熱および１０分〜３０分にわたる第１の関連暴露時間中；ならびに（ｉｉ）温度および暴露時間がアンモニアを６０ｐｐｍ以下に低減するように選択される、ガス化熱および１０分〜２０分にわたる第２の関連暴露時間中の少なくとも１つに、前記石炭灰流れをさらすことと、
前記回転揮発管に入っている間、石炭灰の暴露を毎分４００〜３０００立方フィートの空気に制限することと、
加熱ステップの終了時に、石炭灰を毎時５〜５０トンにわたる吐出量で前記回転揮発管から排出して改質石炭灰を形成することと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記回収するステップが、重金属が結合したバルク量の石炭灰を回収することを含み、
前記石炭灰に間接熱を加えるステップを行っている間に前記重金属を揮発させること、および前記揮発重金属をアルカリ土類金属硫化物またはアルカリ土類金属多硫化物の少なくとも１つで処理することにより、前記石炭灰から前記重金属を分離するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記間接熱を加えるステップが、最大温度を制限するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記暴露を制限するステップが、前記回転揮発管に入っている間、前記石炭灰の暴露を毎分９００〜３０００立方フィートの空気に制限することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記石炭灰流れを熱にさらすステップが、前記石炭灰流れ中の炭素を実質的に燃焼させること、または炭素を実質的に昇華させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記石炭灰を回収するステップが、９％を超える炭素の平均ＬＯＩまたは９％以下の炭素の平均ＬＯＩを有するように、バルク量を回収することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのステップが、石炭灰における挿入ステップの前、または改質石炭灰における排出ステップ後に行われて改質石炭灰の粒子を形成し、前記改質石炭灰の粒子の８０％が４５ミクロンスクリーンを通過する、微粉砕または選別ステップの少なくとも１つを行うことをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記バルク量を回収するステップが、石炭フライアッシュから実質的に成る石炭灰のバルク量を回収することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
（ｉ）前記間接的な昇華熱の少なくとも１つが８５０°Ｆを超えて１２００°Ｆ未満の温度を有し、および（ｉｉ）前記ガス化熱が４５０°Ｆ〜７５０°Ｆの温度を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記回収された石炭灰を石炭灰流れとして前記回転揮発管に挿入するステップが、前記石炭灰流れをロータリーキルンおよび回転か焼炉の１つに挿入することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
改質石炭灰を生産するためのシステムであって、
石炭灰流れを送達するように適合された送り機構を有する石炭灰貯蔵容器と、
前記送り機構と連通した注入口を有する回転揮発管であって、前記回転揮発管が複数の独立した加熱ゾーンを有し、前記回転揮発管が、石炭灰流れを受け取る注入口端部、排出端部、および前記回転揮発管に入っている間、前記石炭灰流れを間接熱に暴露させるための複数の独立した加熱ゾーンを有し、前記回転揮発管が、毎時５〜５０トンの選択的に可変な吐出量を有する前記回転揮発管と、
石炭灰から揮発される重金属の流れを受け取る前記回転揮発管と空気圧連通した処理ユニットであって、前記処理ユニットがその中に区切られた処理チャンバを有し、前記処理チャンバが、前記揮発重金属流れを接触させ、重金属沈殿物を形成するのに十分な量でそこを通って処理溶液を受け取るように適合された注入口を有し、前記処理チャンバが、石炭灰の加熱中に前記チャンバ内で形成されるガス化化合物が通って出る排気口を有する前記処理ユニットと
を含む、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、石炭灰の処理、より具体的には改質石炭灰をもたらす処理のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭火力発電所の操業等の工業プロセスは、一般的に石炭燃焼副産物や石炭燃焼残渣（総称して「ＣＣＲ」）をもたらす。ＣＣＲは、一般的には埋め立てられ、池に貯蔵され(ponded)、またはリサイクル／再利用される物質である。ＣＣＲは、このような物質をリサイクルまたは再利用に適さないものにする特徴もしくは成分を有する、または特性を示す可能性があり、代わりに埋め立てられるまたは池に貯蔵されることになる。これらの特徴または特性には、水分、水銀、セレン、炭素、アンモニア、塩化物、粒径、有機物、炭化水素または他の変数が含まれ得る。
【０００３】
石炭灰は、石炭燃焼により生産される一種のＣＣＲである。石炭燃焼において生産される石炭灰の種類には、石炭フライアッシュと石炭ボトムアッシュがある。米国では、毎年、数百万トンの石炭灰が埋め立てられまたは池に貯蔵されているものと推定される。さらに１億トン以上が既に埋立地または貯蔵池にあると推定されている。これらの埋め立てられたまたは池に貯蔵された灰は、地域社会および地下水生態系に関して適切に置かれていない可能性がある。さらに、埋め立てられたまたは池に貯蔵されたＣＣＲを移転させる費用は相当なものになり得る。その上、ＣＣＲの移転は、このようなＣＣＲに関連し得る潜在的な規制問題を改めるまたは対処することはできない。例えば、水銀は、大気に暴露されたいずれの表面からも放出し続けることになる。
【０００４】
ＣＣＲの埋め立てや池への貯蔵によりもたらされる課題を考えると、石炭灰の形態の際にＣＣＲのリサイクルや再利用を試みることが、多くの場合で好ましくまたは望ましい。リサイクル石炭灰を使用することから恩恵を受ける工業プロセスには、コンクリート、レディーミックス、ブロック、ペーバー等の生産が含まれる。１つの可能性のある適用としては、補助セメント系材料としてコンクリートに石炭灰を使用することである。しかし、上記のいくつかを概説したＣＣＲの不適切な潜在的特性または特徴のため、特定の工業プロセスにおいて、石炭灰および他のＣＣＲをリサイクルや再利用することには課題が残っている。
【０００５】
故に、水銀、炭素、過剰な水分、アンモニア、および潜在的に他の重金属を含有する石炭灰は、多くの場合、リサイクルや再利用の課題を突きつける。６５ｐｐｍを超えるアンモニアを含有する石炭フライアッシュ(coal fly ash)は、多くの場合、潜在的な暴露問題に対して責任を取ることなく、コンクリートおよびレディーミックス工業によって使用されることはできない。６％を超える炭素（％強熱減量(Loss-on-Ignition)、すなわち「ＬＯＩ」として測定された）を含む石炭フライアッシュは、発泡指数(foam index)の問題、空気連行の問題、およびスポッティングの問題の可能性の増加のため、一般的にコンクリートまたはレディーミックス工業によって使用されない。２％を超える水分を含む石炭フライアッシュは、このような行為を禁じるＡＳＴＭ規格のため、コンクリートレディーミックス工業の利用において一般的には使用されない。要するに、これらの問題の全てが、石炭灰のリサイクルおよび再利用の増加を妨げている。さらには、このようなリサイクル課題が、石炭灰または他のＣＣＲのより多くの埋め立てまたは池への貯蔵をもたらす限り、ＣＣＲをリサイクルまたは再利用することができないことによって、埋め立てまたは池への貯蔵に伴う潜在的な規制問題または環境問題は増加している。
【０００６】
埋め立てられ若しくは池に貯蔵された石炭灰等の石炭燃焼副産物または石炭燃焼残渣は、一般的には「炭素焼尽(carbon burnout)」と呼ばれる様々なプロセスを通じてリサイクルまたは再生することができる。しかしながら、これらの手法は様々な短所および欠点を有している。炭素焼尽プロセスは、典型的には、９％を超える石炭含有量を有する乾燥材料を処理することに限定されている。このような焼尽は、多くの場合、ＮＯｘの形態でアンモニアと共に大気中へ放出され得る水銀の存在に対して、責任を取ることがない。現在の炭素焼尽プロセスは、多くの場合、多くの据置形機器および構造を必要とし、これらのプロセスは、補助セメント系材料として使用しようとする場合等の潜在的な工業利用に、法外な費用がかかるようになる。
【０００７】
さらに、このような炭素焼尽は、過剰炭素に対処し、または特定の汚染物質を制限し得るが、一般的には水銀等の重金属に対処していない。重金属は、炭素焼尽後、ガス流中に残留する可能性があり、炭素焼尽プロセス自体の間に放出される重金属を再捕集するために、水素活性炭やＰＡＣの非生産的なさらなる利用を必要としている。炭素焼尽プロセスは、多くの場合、温室効果ガス放出に寄与する欠点を有する、または水銀を放出し得るＮＯｘ源を生成する。実際、特定の場合において、炭素焼尽プロセスにより生成されるＮＯｘまたは水銀の量は、石炭燃焼自体の程度に最も近い、講じた措置により排除しようとしたＮＯｘまたは水銀の量と似るまたは同等となる可能性がある。このような場合、ＮＯｘまたは水銀放出点は発電機または石炭燃焼源から単純に移動し、その下流の炭素焼尽の設備に濃縮されている。
【０００８】
上述した事情に照らせば、石炭灰の形態でのＣＣＲの処理システムおよび方法を開発することが有利であり、このような処理または方法は、その後の工業プロセスでの使用に適した改質石炭灰をもたらすであろう。
【発明の概要】
【０００９】
廃活性炭、廃粉末活性炭（ＰＡＣ）、および／または石炭灰などの石炭燃焼残渣（ＣＣＲ）の処理システムおよび方法が本明細書に開示される。１つの例証的な実施形態において、本明細書に開示される処理システムおよび方法は、以前は重金属汚染の低減に使用されていた廃活性炭からの水銀および他の重金属の除去に関する。別の例証的な実施形態において、本明細書に開示される処理システムならびに方法は、フライアッシュ、ボトムアッシュ、および／もしくは合成石膏などのＣＣＲまたは副産物からの水銀および他の重金属の除去に関する。フライアッシュおよび排煙脱硫（ＦＧＤ）残渣のいずれも、水銀および／または他の汚染物質濃度が上昇している可能性を有するＣＣＲとして同定された。
【００１０】
さらに別の実装において、改質石炭灰を生産するための方法は、一般的には改質石炭灰が生産されもしくは埋め立てられた後に、またはさもなければ、発電所の運転温度とは対照的に周囲により近い温度となった後に、このような石炭灰のバルク量を回収することを含む。回収された石炭灰は、一般的には１２％以下の炭素ＬＯＩを有するであろう。
【００１１】
例示的な方法によれば、石炭灰流れ(coal ash stream)は回収された石炭灰から形成され、炭素の少なくとも５０％が石炭灰から除去され、このような除去は炭素の非自己持続的昇華(non-self-sustaining sublimation)において生じる。この昇華は、石炭灰流れを昇華熱(sublimation heat)にさらすことにより達成され、このような熱は８５０°Ｆ〜１１５０°Ｆにわたり、このような熱暴露は約１０分〜約３０分生じる。
【００１２】
石炭灰の暴露時間の範囲は、ＬＯＩをその初期レベルから３％以下の炭素まで低減するように決定される。暴露時間の範囲が完了すると、石炭灰は昇華熱から除去され、これによって改質石炭灰を形成する。上述した方法の結果として、改質石炭灰は、補助セメント系材料またはキルンフィード(kiln feed)としての改質石炭灰の使用など、セメントまたはコンクリート工業における使用に適している。
【００１３】
１つの考えられる実装において、石炭灰は、石炭フライアッシュまたは石炭ボトムアッシュのいずれかを含むことができる。石炭ボトムアッシュの場合、粒子は、一般的に８０ミクロンより大きいサイズである。したがって、１つの考えられる方法ステップは、改質石炭灰になるための上記した様々な処理ステップを経る前または経た後で、ボトムアッシュ粒子もしくは石炭灰粒子のいずれかを微粉砕または選別することを含むであろう。微粉砕または選別オペレーションは、４５ミクロンスクリーンを通過する改質石炭灰の粒子の８０％をもたらし得る。
【００１４】
本開示による方法の１つの変形形態にて、バルク量の石炭灰は、これと関連する重金属を有し、方法は、石炭灰を８５０°Ｆ〜１２００°Ｆの昇華熱にさらしながら水銀を揮発させることにより重金属を石炭灰から分離するステップを含むであろう。重金属は、揮発すると、アルカリ土類金属硫化物またはアルカリ土類金属多硫化物のいずれかで処理することができる。
【００１５】
本開示による他の考えられる方法において、上記した処理ステップを受ける石炭灰は、昇華熱への石炭灰の暴露中、空気への暴露が毎分５００〜３０００立方フィートの空気に制限される。
【００１６】
本開示による方法は、特定の実装において、回転揮発管等の加熱脱着装置を用いて達成できる。回収された石炭灰は、このような回転揮発管に流れとして挿入され、前述した昇華熱への暴露を受ける。回転揮発管は、ロータリーキルンまたは回転か焼炉のいずれかを含み得る。
【００１７】
本開示による方法は、石炭灰流れを４５０°Ｆ〜７５０°Ｆの温度範囲の形態で第２の熱範囲にさらすことも含んでもよく、このような熱は、石炭灰流れ中に存在し得るアンモニアを気体に変換するのに十分なものである。４５０°Ｆ〜７５０°Ｆの範囲でのガス化熱への暴露は、特定の実装においては１０分〜２０分の時間にわたり、暴露範囲は、得られた改質石炭灰が６０ｐｐｍ以下の低下したアンモニア含有量を有するように選択される。
【００１８】
本開示による改質石炭灰を生産するためのシステムは、石炭灰貯蔵容器を利用してもよく、該容器はそこから石炭灰流れを送達するための送り機構を有する。石炭灰流れはその後、石炭灰貯蔵容器の送り機構と連通（直接的または間接的に）した注入口を有する回転か焼炉に直接的または間接的に入り得る。１つの実装によれば、か焼炉は複数の独立した加熱ゾーンを有し、複数の独立した加熱ゾーンはか焼炉注入口と排出口の間に配置され、これによりか焼炉に入っている間に石炭灰流れを間接熱に暴露させる。このような熱は、炭素を昇華させるのに十分な熱、アンモニアをガス化するための熱、水銀を揮発させるための熱、または上述の１つもしくは複数を単独でもしくは組み合わせて含む加熱ゾーンによって異なる可能性がある。か焼炉は特定の実装において、毎時５〜５０トンにわたる可変吐出量を有し得る。
【００１９】
本開示のシステムの１つの考えられる変形形態にて、処理ユニットは、揮発管等の脱着装置と動作可能に結合できる。処理ユニットは、回転か焼炉と空気（すなわち、空気圧）連通するように連結できる。か焼炉がその中で受け取った石炭灰から重金属を揮発させている際、処理ユニットは、処理ユニットの中で区切られた処理チャンバ中で揮発重金属流れを受け取る。アルカリ土類金属硫化物または多硫化物などの処理溶液は、揮発重金属を接触させ、重金属沈殿物を形成するのに十分な量で、注入口を通って処理チャンバに挿入できる。このように、システムは、炭素ＬＯＩまたは石炭灰中に含有される１００万分の１のアンモニアを低減するのに使用することができるだけでなく、水銀の量を低減し、得られた水銀を処理して重金属沈殿物を形成することもできる。
【００２０】
本開示のこれらのおよび他の態様は、以下の説明および添付図面からより容易に理解することができる。
【００２１】
活性炭および石炭燃焼残渣処理システムおよび方法の実施形態が、添付図面の図に図示される。図は例示的であり、限定を意味するものではなく、同様な言及は、同様なまたは対応する部分を指すことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】廃粉末活性炭（ＰＡＣ）および／または石炭灰の形態での残渣を含む石炭燃焼残渣（ＣＣＲ）を処理するための装置および関連方法の実施形態の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の詳細な実施形態について本明細書に開示されているものの、開示された実施形態は、様々な形態で具現化され得る本発明の単に例示にすぎないことが理解されるべきである。したがって、本明細書に開示された特定の機能的な詳細は、限定するものとして解釈されるべきでなく、単に特許請求の範囲の基礎として、また本発明を様々に使用するための当業者を教示する代表的な基礎として解釈されるべきである。
【００２４】
例証的な実施形態による、粉末活性炭（ＰＡＣ）および／または石炭燃焼残渣（ＣＣＲ）からの汚染を処理および／または低減するための処理システムおよび方法は、図１を参照して記載される。図１に図示されるように、廃ＰＡＣおよび／または１つまたは複数のＣＣＲ  ２１は、微粒子回収システム、例えば、バグハウスまたは電気集塵機（ＥＳＰ）から回収され、貯蔵ユニット２３、例えばサイロに移動され得る。貯蔵ユニットから、廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲは揮発管またはゾーン２５に移動される。図１に図示されるように、廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲは、計量スクリュー２７を介して揮発管２５に移動され、または揮発管２５を通り抜ける。搬送機構の正確な構成（計量スクリューまたは他の手段のどちらによってであろうと）、および揮発ゾーンまたは管の構成、および互いに対する空間的関係は、特定の適用に応じて異なり得、そのため、図示されたものを超えて廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲを揮発管に移動させる手段または方法が使用され得ることが当業者に理解されるべきである。
【００２５】
廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ中で捕集された水銀および／または他の重金属を揮発させるために、このバージョンでは揮発ゾーン２５において熱が廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲに加えられる。例えば、水銀の沸点は、摂氏約三百五十六と百分の五十八（３５６．５８）度、または華氏約六百七十三と千分の八百四十四（６７３．８４４）度であり、沸点後、水銀は気体として存在する。試験は、様々な形態の水銀が、摂氏百（１００）度という低さで始まるはるかに低い温度で揮発し、水銀分析器で測定されることを示した。
【００２６】
例証的な実施形態にて、熱は、計量スクリュー２７、および／または計量スクリューを取り囲むもしくは計量スクリューに続く揮発管において、廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲに加えられてもよい。廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ中で捕集された水銀および他の重金属は、一般的には不活性雰囲気と組み合わされてガス流２９に気化し、除去されおよび／またはシステムにリサイクルされ得る浄化ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ流３１を残す。熱の適用は、特定の工業プロセスまたは利用に適合するように変えることができる。１つの考えられる実装において、費やされる熱エネルギーの量は、エネルギーを浪費するほど過剰となることなく、廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲから水銀を分離するのに十分となるように調整される。いくつかの適用において、適用される望ましい最低温度は、水銀の昇華温度（固体から気体へ）に相当する摂氏３５６度であるが、いくつかのプロセスに関する廃ＰＡＣまたはＣＣＲからの水銀分離は、摂氏１５０度のより低温で達成され得、または摂氏５００度という高温でより有利には生じ得ることが可能である。
【００２７】
例証的な実施形態にて、発電所、キルン、冷却器内の１つもしくは複数のプロセス、または他の工業プロセスからの廃熱または余熱は、重金属を廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲから放出させる段階まで廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲの温度を上昇させるのに使用されてもよい。廃熱または余熱の非存在下またはこのような熱が不十分である場合、ブースター熱源、または任意の他の適切な熱源、ガス、電気、またはその他のものが、廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲと動作可能に結合されてもよい。ＰＡＣおよび／またはＣＣＲの燃焼の可能性は高温で存在する。したがって、廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲを加熱する場合、１つの好ましい実施形態にて、揮発ゾーン２５は、不活性雰囲気、例えば、約二パーセント（２％）以下の酸素含有量を含有する酸素枯渇ゾーン、または適切な不活性ガスであるべきである。
【００２８】
別の例証的な実施形態にて、廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲは、炭素燃焼の段階まで加熱されてもよい。これは、その中に含有された水銀を含むいずれの重金属も、試薬の化学物質で処理することができるガス流中に放出するであろう。これはまた残留燃焼灰も生み出す結果となり、残留燃焼灰は回収および活用または廃棄することができる。
【００２９】
気化した水銀および他の重金属を含有する気流またはガス流は、次いで処理ユニットに移動することができる。例証的な実施形態にて、処理ユニット３３は、配管、チャンバ等が含まれるものの、これらに限定されない。処理溶液３５は、気化した水銀および／または他の重金属を含有する気流に注入または噴霧され、これにより水銀および／または他の重金属を気流から処理および少なくとも部分的に除去する。処理ユニット３３の噴霧パターン、液滴サイズ、噴霧速度、および他のパラメータは、特定の工業プロセスに求められる水銀低減レベルを達成するように選択される。例証的な実施形態にて、処理溶液は、水溶性アルカリ土類硫化物および／または多硫化物を含有する水性噴霧溶液である。１つの実施形態にて、アルカリ土類金属多硫化物は、マグネシウム多硫化物またはカルシウム多硫化物のいずれかであってもよく、アルカリ土類金属多硫化物は、水中約一パーセント（１％）〜約二十九パーセント（２９％）の量で溶液中に存在してもよい。別の実施形態にて、アルカリ土類金属多硫化物は、１つまたは複数のマグネシウム多硫化物および１つまたは複数のカルシウム多硫化物の混合物であり、該多硫化物は、水中約一パーセント（１％）〜約二十九パーセント（２９％）の量で溶液中に存在している。
【００３０】
処理溶液中のアルカリ土類硫化物および／または多硫化物の量は、上記列挙された範囲の外では異なり得ることが当業者に理解されるべきである。多くの適用において、経済的な目標は、アルカリ土類硫化物および／または多硫化物をオペレーション上できるだけ少なく使用することであり得る。例えば、使用されるアルカリ土類硫化物および／または多硫化物の量は、気流中での分散、気流の速度、気流中の水銀および他の重金属の濃度、ならびに該タイプの他のパラメータに依存して異なり得る。
【００３１】
例証的な実施形態にて、処理溶液は、適切なリン酸塩等の、約七（７）以上のｐＨを有する１つまたは複数の触媒剤を含んでもよい。一方で、ＰＡＣおよび／もしくはＣＣＲならびに／または気化した水銀および／もしくは他の重金属を含有する気流のｐＨに応じて、触媒剤は使用できないことが当業者に理解されるべきである。
【００３２】
別の例証的な実施形態にて、処理溶液は、１つまたは複数の界面活性剤、分散剤、および／または超分散剤を含んでもよい。１つの実施形態にて、界面活性剤、分散剤、および／または超分散剤は、１つまたは複数のポリエチレンオキシド−ポリエチレンブロックコポリマーおよび／またはそのリン酸エステルから成る。処理流体への界面活性剤、分散剤、および／または超分散剤の添加は、任意選択的なものであってもよい。界面活性剤、分散剤、および／または超分散剤が含まれる場合、界面活性剤、分散剤、および／または超分散剤は、金属との反応の前に、処理流体中の反応剤または反応試薬の維持を助けるのに十分な量で提供され得る。さらに、処理溶液は、アルカリ土類硫化物および／または多硫化物、１つまたは複数の界面活性剤、分散剤、および／または超分散剤、ならびに１つまたは複数の触媒剤を含んでもよい。
【００３３】
例証的な実施形態にて、気流を処理溶液で処理すると、気化した水銀および／または他の重金属が気流から沈殿し、沈殿物は濾過除去することができる。沈殿物は、水銀および／または他の重金属ならびに汚染物質の形態での、上記処理プロセスおよびシステムからの残留物である。これの残留物は、この実装では残留物サイロ３７として示された任意の適切な手段により、回収またはさもなければ濾過除去することができる。水銀または他の汚染物質残留物の取り扱いに関連して、回収された水銀および／または他の重金属は、次いでさらに処理され、リサイクルされ、またはさもなければ適正に廃棄され得る。サイロ３７の下流に示された小微粒子フィルター３９は、残留物処理プロセスの一部として使用することができ、特定の実装において、得られたガス流の重金属部分を捕集するように置かれ、またはさもなければ構成され得る。同様に、水銀または他の重金属が、工業プロセス、目標、または任意のパラメータ数に応じて乾燥形態またはスラリーなどの液体形態で捕集されるように、他の実装および処理装置が、処理プロセスにより形成された残留物に関連して使用されてもよい。このプロセスを通じて回収された水銀または他の重金属残留物は、適用に応じてさらなる特徴または形態を呈し得る。
【００３４】
残りの清浄な空気は、次いで微粒子回収システムを通って大気に排出される。微粒子回収システムでさらに捕集されるいずれの残留物も、貯蔵ビンに戻すことができる。
【００３５】
例証的な実施形態にて、図１に図示された処理システムおよび方法は、ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ中の濃度が増加するにつれて、水銀および／または他の重金属をＰＡＣおよび／またはＣＣＲからを除去するために、廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲを継続的または非継続的に処理するのに使用することができる。非継続的な処理は、ＰＡＣおよび／もしくはＣＣＲの１つもしくは複数の試料から採取された水銀および／もしくは他の重金属の量の測定値に合わせてもよく、または該測定値に応じてもよい。
【００３６】
例証的な実施形態にて、揮発管は、配管、チャンバ、および該タイプの他の管を含むがこれらに限定されない様々な形態をとり得る。微粒子回収システムは、工業プラントまたは発電所および他の様々なオペレーションからの粉塵を捕集、濾過、またはさもなければ回収するのに適した様々な装置のいずれかであってもよい。様々な工業プラントまたは発電所構成が可能であることを考えると、微粒子回収システム、ならびに廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲを処理するための装置またはシステムは、工業プラントまたは発電所の構成要素に対して任意の数の適切な位置で、処理用物質を受け取ることができる工業プラントまたは発電所の１つまたは複数のオペレーションと動作可能に結合され得ることが当業者に理解されるべきである。多くの考えられる実装において、処理装置は、該設備における回収段階後に廃ＰＡＣおよび／またはＣＣＲを受け取り、工業プロセスへの導入段階前に浄化ＰＡＣおよび／またはＣＣＲを戻すために、工業プロセスと動作可能に結合されるであろう。
【００３７】
１つの考えられる実装において、処理システムおよび関連方法が、石炭フライアッシュまたは石炭ボトムアッシュなどの石炭灰に関連して使用され、様々な処理ステップおよび関連機器が、補助セメント系材料としての使用に適した改質石炭灰を生産するために使用される。このような実装において、貯蔵ユニット２３は、石炭灰貯蔵容器の形態となる。
【００３８】
バルク量の石炭灰が回収され、次いで貯蔵ユニット２３に貯蔵される。石炭灰は、石炭灰が発電所における石炭の燃焼により生成された後などの、任意の数の生産後プロセス源から回収することができ、好ましくは、石炭灰は、発電所の運転に関連する燃焼温度ではなく、周囲温度または周囲により近い温度である。石炭灰は、微粒子回収システム中で以前に回収された後に石炭灰が置かれた池または埋立地から回収できる。
【００３９】
石炭灰は、図１に示された計量スクリュー２７などの搬送または送り機構によって、石炭灰貯蔵ユニット２３から適切な送りにより石炭灰流れに形成される。送りまたは搬送機構は、容器２３から揮発管またはゾーン２５へ石炭灰流れを送達するように適合される。計量スクリュー２７は、加熱ゾーン２５に及ぶように図１に概略的に示されているものの、他の構成が同様に本開示の範囲内である。１つの考えられる配置において、計量スクリュー２７は、貯蔵ビン２３から通じるスクリュー型フィーダーの形態で搬送または送り機構を含むが、このようなフィーダーは管２５には及ばず、代わりに回転揮発管２５のインプット側または注入口ゾーンへ石炭灰流れを送達する。石炭灰を貯蔵ビン２３から加熱ゾーン２５へ送るためのさらに他の構成は、同様に本開示の範囲内であり、このような送り機構は、計量スクリューに限定される必要はない。
【００４０】
石炭灰は、このような管２５の回転ドラムの内側で受け取ることができ、管２５の回転ドラムが外部熱に暴露されるとき間接熱にさらされる。管２５は、その中で受け取られた石炭灰を１つまたは複数の加熱ゾーンを通って搬送するように配向またはさもなければ適合され、加熱ゾーン後、石炭灰は回転ドラムから出る。１つのバージョンにおいて、石炭灰は、スクリュー型または他のコンベヤーなどの別の搬送装置を用いて脱着装置または回転か焼炉の回転ドラムから出る。このような搬送装置は、図１の管２５の下に概略的に示されている。
【００４１】
揮発管またはゾーン２５は、ロータリーキルン、回転か焼炉、もしくは他の形態の回転揮発管等の加熱脱着装置の形態であってもよい。揮発管またはゾーン２５は、直火、すなわち、直接接触または空気もしくはガス対流を通じて、ドラムまたはチャンバ内で受け取られる石炭灰の量に作用するドラムまたはチャンバ内の炎にさらされてもよい。あるいは、またはその上、揮発管２５のドラムまたはチャンバ中で受け取られる石炭灰の量は、間接熱、すなわち、石炭灰が中で受け取られる揮発管２５のドラムまたはチャンバに外部から供給される熱にさらされてもよい。
【００４２】
本開示による処理に適した石炭灰は、任意の数の要因に応じて異なるＬＯＩを有することができ、したがって、石炭灰の対応するバルク量または流れは、平均ＬＯＩ、およびこのような平均ＬＯＩからの偏差によって特徴付けることができる。以下に処理される石炭灰のバルク量が、単一もしくは類似の生産プロセス、または単一もしくは類似の貯炭からのものであれば、対応する石炭灰のＬＯＩ平均からの偏差はより小さくなり得、プロセスは、処理されるバルク量にわたってより一貫したＬＯＩを有する石炭灰流れを反映することができる。
【００４３】
９％を超えるＬＯＩを有する石炭灰が本開示により処理されてもよく、このような処理の間にこのような石炭灰の全部または一部は、そこから炭素を除去する自己持続的燃焼反応(self-sustaining combustion reaction)を起こす可能性がある。１つの考えられる実装において、このような自己持続的燃焼を誘導する石炭灰処理は、毎時５〜５０トンにわたる吐出量を有する回転揮発管２５内で効率的および効果的に達成することができ、このような管は、上記に論じた石炭灰流れを間接熱に暴露させるタイプであってもよい。９％以下の炭素ＬＯＩを有する石炭灰も本開示により処理することができ、このようなＬＯＩは、石炭灰を自己持続的燃焼には概して困難または不適にする。このようなＬＯＩ範囲に関して、石炭灰流れは、本実装におけるロータリーキルンまたは回転か焼炉などの加熱脱着装置中で受け取ることができ、８５０°Ｆ〜１２００°Ｆにわたる少なくとも１つの加熱ゾーンにさらされる。この熱暴露は、石炭灰をその中の炭素の非自己持続的昇華に暴露させるために、１０分〜３０分の範囲の暴露時間中に生じる。この昇華は、上記に論じた自己持続的燃焼とは対照的なものである。
【００４４】
１つの好ましい実装において、該プロセスの暴露時間は、３％〜９％の石炭灰のＬＯＩを３％以下に低減する。ロータリーキルンまたは回転か焼炉などの回転揮発管は間接熱を使用し、このような管は、下層の工業プロセスキルンから分離することができる。このため、開示されたプロセスの１つの実装は、回転セメント製造キルン、または実際の燃焼の存在下で物質を搬送する他の直火工業プロセスキルンを必要とすることなく、石炭灰のＬＯＩを有利には低下させる。さらに、本実装の間接熱回転揮発管は、温度および暴露時間の両方に関して加熱ゾーンの制御の向上を可能にする。
【００４５】
１つの考えられるプロセスによれば、石炭灰流れは、８５０°Ｆ〜１２００°Ｆにわたる間接的な昇華熱(indirect sublimation heat)にさらされ、暴露範囲は、炭素の少なくとも５０％を石炭灰から除去し、石炭灰のＬＯＩを３％以下に低減し、その結果、これが改質石炭灰としての補助セメント系材料として適切となるように選択され得る。
【００４６】
上記開示と一致する以下の実証実験を行った。灰中に存在するアンモニアの量が原因でセメント系材料としての使用に適さない、石炭フライアッシュを処理した。この同じ灰は、水銀の濃度が原因でセメントキルン原料としての使用にも適さなかった。その上、灰におけるＬＯＩを低減し、灰をコンクリート工業により市場性のあるものにするのにも該プロセスを使用した。試験結果を以下に表にする。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
次いで、これらの同じ灰を、コンクリートでの性能を実証するのに使用した。それらの結果を以下に示す。
【００４９】
【表２】
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［表２の定義］
ＰＳＩ：ポンド毎平方インチ圧縮強度  ＳＡＩ：活性度指数
水分要求量（Ｗａｔｅｒ  Ｒｅｑ）：水分要求量（Ｗａｔｅｒ  Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ）  １８％空気：空気連行
【００５０】
表２に記載された複合材料、より具体的には複合材料＃１〜３は、３パーセントより下の炭素ＬＯＩ、６０ｐｐｍより下のアンモニア、および１００ＰＰＢより下の水銀を有する改質石炭灰を含む。表２に示したＰＳＩ、ＳＡＩ、水分要求量、および１８％空気により示されるように、改質石炭灰を生産するプロセスは、安全でない暴露または状況なしで、および他の目的に対する得られた改質石炭灰の適合性を損なうことなく達成された。したがって、生成された灰は無傷であり、例えば全ての必要なＡＳＴＭおよび市場要件に合格するセメント系材料として使用される準備ができている。
【００５１】
石炭フライアッシュは、本実装により処理される場合、改質石炭灰の粒子の８０％が４５ミクロンスクリーンを通過することを特徴とする改質石炭灰をもたらすことができ、このような特徴は、追加の微粉砕または選別ステップなしで達成される。８０ミクロンを超える粒子を有するボトムアッシュまたは他の石炭灰の場合、本実装は、処理ステップの前に回収された石炭灰を微粉砕もしくは選別するいずれかの追加のステップ、または上記に言及した処理の後に得られた改質石炭灰でこのようなステップを行うことを含み得る。
【００５２】
本開示のシステムおよび方法は、１つまたは複数の時間範囲にわたって１つまたは複数の熱範囲に石炭灰を暴露させて、石炭灰の望ましくない成分を除去し、このような望ましくない成分の関連する欠点なしに改質石炭灰を生産することができる。炭素ＬＯＩを３％より下に低下させることに加えて、石炭灰は４５０°Ｆ〜７５０°Ｆの温度、および１０分〜２０分にわたる時間であって、石炭灰中に存在し得るアンモニアを低減するように選択される時間さらされてもよく、低減は、改質石炭灰がその中に６０ｐｐｍ以下のアンモニアを有するような低減である。前述した温度範囲の熱への暴露は、石炭灰流れ中に存在するアンモニアをガス化させ、酸化物および他の排出物を生産する結果となる。これらは、暴露リスクを低減するために処理されることができる。処理システムを通過するこれらの同じガスは、ＮＯｘと対比して、Ｎ２の放出をもたらすこととなる。
【００５３】
特定の実装において、上記に開示したプロセスは、石炭灰の暴露を毎分４００〜３０００立方フィートの空気に制限することを含んでもよい。空気暴露に対するこの制限は、揮発管２５が回転か焼炉の形態である場合に有利に達成することができる。上述した空気暴露制限は、図１に示された処理ユニット２５を用いるなど、特に炭素除去ステップが揮発水銀を除去するための処理ステップと組み合わされる際に、処理効率を改善することができる。
【００５４】
２００ＰＰＢを超えて１００ＰＰＢ未満への水銀の低減など、水銀を石炭灰から除去することが望ましい場合、石炭灰流れは、６５０〜８５０°Ｆの範囲で、好ましくは約６７２°Ｆの標的または平均温度、すなわち、硫化水銀の昇華温度により、および２０〜３０分にわたる暴露時間で昇華熱に暴露することから恩恵を受けることが見出された。１つの考えられるプロトコルにおいて、石炭灰流れは最初に、炭素の百分率ＬＯＩを低減する目的で該プロセスの開始時に９５０°Ｆ〜１１５０°Ｆの昇華熱に１０分間暴露され、石炭灰流れは次いでその後、水銀を揮発させる目的で６５０〜８５０°Ｆのより低いガス化温度、およびアンモニアをガス化する４５０°Ｆ〜７５０°Ｆに暴露される。このようなより低温の暴露は、炭素を昇華させるのに使用される最初の１０分を超えて、さらに１０〜２０分にわたる時間生じる。
【００５５】
上記に開示した温度範囲および暴露時間に加え、回転揮発管２５の回転は、その中で受け取られる石炭灰などのＣＣＲを回転させる。したがって、ＣＣＲ／石炭灰は、管２５の加熱環境だけでなく、重金属および／またはアンモニアのガス化からの運搬ガス流にも暴露される。このようなガス流中の酸素は、炭素と接触すると炭素昇華（または燃焼）に寄与することになり、ＬＯＩ百分率の低減に寄与する。管２５のさらなる回転は、管２５を出る改質石炭灰の所望のＬＯＩまたは他の特徴を達成するために、適用に応じて異なり得る。適切な回転速度は、管設計に依存して、および標的保持時間を達成するために必要に応じて１／２ＲＰＭ〜１０ＲＰＭにわたってもよい。１つまたは複数の排気口、チャネル、または導管（２９に概略的に示された）が回転揮発管と連通して提供されて、その下で改質石炭灰の処理中に形成されるガス化アンモニア、揮発水銀、または他の空中成分を、必要に応じてその後の処理のために運び去ることが理解されよう。
【００５６】
本開示によるシステムおよび関連方法のオペレーションは、上記から容易に明らかである。１つの考えられる実装において、石炭フライアッシュおよび／またはボトムアッシュを含む石炭灰はバルク量で回収され、本来は好ましくは間接的な、ならびに８５０°Ｆを超えて１２００°Ｆ未満の温度を有する昇華熱にさらされる。１つの特定の実装において、回収された石炭灰は石炭灰流れとして回転か焼炉に挿入され、以下の表３に示された９００°Ｆを超えて１１５０°Ｆ未満の熱範囲に暴露される。さらに別の実装において、熱の温度は平均９５０°Ｆの＋５０°Ｆ内に維持される。
【００５７】
【表３】
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【００５８】
本開示による方法は、さらなる任意選択的なステップを含んでもよい。そのため、１つのアプローチにおいて、石炭灰のバルク量または石炭灰流れを本明細書で言及された加熱ステップまたは暴露時間に供するより前に、特定の灰に対する標的温度が決定または推定され得る。このような事前の決定または推定は、処理される石炭灰流れの試料を複数の特定の温度の熱にさらし、このような温度を３０〜６０分の間維持するための温度梯子(temperature ladder)の適用を含み得る。各灰のＬＯＩは、各特定の温度ステップの前後で試験される。このようなステップは、例えば、華氏５０〜１００度の増分となる。異なるステップにおけるＬＯＩの変化は、生産される改質石炭灰のＬＯＩの標的低減を達成する８５０°〜１２００°Ｆの範囲内の温度を標的化または推定するのに使用され得るデータを含む。その上、このような温度梯子は、特定の灰が本明細書に開示された処理に適しているかどうかを決定し得ることが可能である。
【００５９】
本実装による熱は、直接または間接いずれであろうと、融合ケイ酸塩が実質的にない回転か焼炉などの回転揮発管を維持するために最大温度に制限することができる。このような融合成分の形成は望ましくなく、石炭灰の処理、および補助セメント系材料としての使用に適した改質石炭灰の生産に関連する炭素低減プロセスを妨げる。
【００６０】
処理システムおよび方法が特定の実施形態に関連して記載され、図示されてきたが、多くの変形形態および変更形態が当業者に明らかとなり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく行われ得る。
【００６１】
本開示は、上記のように記載した正確な詳細、方法論または解釈に限定されるものではなく、そのため変形形態および変更形態は本開示の範囲内に含まれることが意図される。
【図１】
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【外国語明細書】
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