FI20130249A

FI20130249A -

Info

Publication number: FI20130249A
Application number: FI20130249A
Authority: FI
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-01
Also published as: FI125598B

Description

MENETELMÄ VOIMALAITOKSISSA SYNTYVÄN KIVIHIILITUHKAN JA MUISSA POLTTOPROSESSEISSA TUOTETTUJEN HIILIPITOISTEN TUHKIENMETHOD FOR COAL ASH FROM POWER PLANTS AND FOR CARBON ASH PRODUCED IN OTHER COMBUSTION PROCESSES

JALOSTAMISEKSIREFINING

Keksintö kohdistuu menetelmään voimalaitoksissa syntyvän kivihiilituhkan ja muissa polttoprosesseissa tuotettujen hiilipitoisten tuhkien teolliseksi jalostamiseksi, käsittelemällä näitä tuhkia tarkasti suhteutettuna seoksena yhteisessä vaahdotusprosessissa ja erottamalla tehokkaan dispergointivaiheen jälkeen vaahdotustekniikkaa hyödyntäen mainitusta kivihiilituhkasta ja muissa polttoprosesseissa, joissa käytetään kierrätyspolttoainei-ta, syntyneestä tuhkasta hiilipitoinen lajike, joka voidaan palauttaa takaisin polttoon tai käyttää se muissa energiaa käyttävissä prosessissa sekä ottamalla talteen jalostamisessa saatu olennaisen hiilivapaa sideaineeksi soveltuva pozzolaanisia ominaisuuksia sisältävä tuhkafraktio.The present invention relates to a process for the industrial refining of coal ash and coal ash produced in other combustion processes by treating these ash in a proportional manner in a common flotation process and separating from the recovered sludge after efficient dispersing step, recovered or used in other energy-consuming processes and recovering the ash fraction with essentially pozzolanic properties resulting from refining as a substantially carbon-free binder.

Kokeellisesti on myös todettu että menetelmän mukaisessa rikastusprosessissa voidaan prosessissa tarvittavia kemikaaleja käyttäen sekä prosessin toimintaperiaatteiden ansiosta erottaa käsiteltävistä tuhkafraktioista, prosessiveteen liukenevia haitallisia yhdisteitä, kuten erilaisia kloridiyhdisteitä, joita erityisesti kaasutustuhka sisältää. Nämä prosessi-veteen rikastuvat yhdisteet voidaan poistaa prosessivedenkierrosta mekaanisesti tai kemiallisesti saostamalla. Kloridiyhdisteiden ja muiden haitallisten yhdisteiden pitoisuudet ri-kastusprosessin tuottamissa hiili- ja silikaattituotteissa pitää saada määräysten mukaiselle tasolle niiden käytettävyyden takia.It has also been experimentally found that the process enrichment process, using the chemicals needed in the process and the operating principles of the process, allows the separation of harmful compounds soluble from process ash fractions, such as various chloride compounds, particularly gassing ash. These process water-enriched compounds can be removed from the process water cycle by mechanical or chemical precipitation. Concentrations of chloride compounds and other harmful compounds in carbon and silicate products produced by the enrichment process must be brought to the specified level due to their usability.

Yleisesti tiedetään, että kivihiilituhkaa, jota syntyy tyypillisesti 14-16 % poltetun kivihiilen määrästä, voidaan käyttää sellaisenaan betonituotteissa ja muissa rakentamiseen liittyvissä kuivatuotteissa sekä betonityösovellutuksissa. Voimalaitosten savukaasujen päästörajojen tiukentumisen johdosta kivihiilituhkan hiilipitoisuudet ovat nousseet ja syntyneet tuhkat päätyvät tämän takia pääosiltaan kaatopaikkaläjitykseen.It is generally known that coal ash, typically formed from 14 to 16% of the amount of coal burned, can be used as such in concrete products and other dry products related to construction and in concrete work applications. As a result of the tightening of emission limits for power plants, the carbon content of coal ash has risen and the resulting ash is mainly destined for landfill.

Yleisesti tiedetään myös, että muissa erityyppisissä kierrätyspolttoaineen REF (recovered/ recycled fuel) polttoprosseissa syntyvien tuhkien, joita syntyy tyypillisesti 5-7 % kienrätys-polttoaineen määrästä, hyötykäyttöä vaikeuttaa polttoaineen laadun vaihteluja lentotuh-kien kiijava kemiallinen koostumus. Erilaisissa polttoprosesseissa REF polttoaineista syntyvää tuhkaa joudutaan tuhkan kiijavan kemiallisen koostumuksen takia yleisesti käsitte lemään ongelmajätteenä. Ongelmajätteen korkea käsittelykustannus vaikeuttaa jätettä polttavien prosessien käyttöä.It is also generally known that the utilization of ash from other types of recovered / recycled fuel REFs, typically 5 to 7% of the amount of recycled fuel, is complicated by the fluctuating chemical composition of the fly ash. Due to the chemical composition of the ash, the ash from REF fuels is generally regarded as hazardous waste in various incineration processes. The high cost of treating hazardous waste makes it difficult to use processes that incinerate waste.

Voimalaitoksissa syntyvä kivihiilituhka sisältää palamatonta hiiltä vaihtelevia määriä arvosta 1 % jopa 20 % :n. Kivihiilituhkan tuhka-aines on pääosin muodoltaan pyöreitä partikkeleita, jotka ovat lasittuneita silikaattimineraaleja.Coal ash from power plants contains flammable carbon in varying amounts from 1% up to 20%. The ash material of coal ash is predominantly spherical in shape, which is glazed silicate minerals.

Partikkelimuoto on edullinen ja tekee mahdolliseksi kivihiilen poltosta syntyvän lentotuh-kan hyötykäytön monissa sovellutuksissa, mikäli sen hiilipitoisuus on riittävän alhainen ja stabiili. Kivihiilituhka sisältää vain vähän niitä haitallisia aineita, joita yleisesti on muissa polttolaitoksissa kierrätyspolttoaineiden polton yhteydessä syntyvissä tuhkissa merkittävästi enemmän. Kivihiilen poltossa syntyvän lentotuhkan laatu pysyy myös vakaana, koska poltettavan kivihiilen koostumus ja laatu eivät merkittävästi vaihtele.The particulate form is advantageous and allows coal fly ash to be utilized in many applications as long as its carbon content is sufficiently low and stable. Coal ash contains only a small amount of harmful substances, which are generally significantly higher in the ash generated by the incineration of recycled fuels in other incinerators. The quality of fly ash from coal combustion also remains stable, as the composition and quality of the coal burned do not vary significantly.

Muissa polttoprosesseissa, joissa hyödynnetään kierrätyspolttoaineita, syntynyt lentotuhka-aines poltetuista raaka-aineista ja polttoprosessista johtuen poikkeaa koostumukseltaan paljon kivihiilen poltosta syntyvästä lentotuhkasta. Nämä REF-polttoaineista tuotetut tuhkat, joita syntyy kivihiilen polttoon verrattuna paljon vähemmän, sisältävät usein haitallisia aineita suuria määriä sekä paljon hiiltä, tyypillisesti jopa 15- 40 %.In other combustion processes that use recycled fuels, the fly ash material produced from the raw materials and combustion process differs significantly in composition from fly ash from coal combustion. These ash from REF fuels, which are much less produced compared to coal combustion, often contain high levels of harmful substances and high levels of carbon, typically up to 15-40%.

Yksinomaan muissa polttoprosesseissa tyypillisesti kieirätyspolttoaineista syntyvien tuh-kalajikkeiden tehokas käsitteleminen vaahdotusprosessissa on vaikeaa. Tämä johtuu siitä, että tuhkapartikkelien pinnoissa on vaahdotustapahtuman selektiivisyyttä haittaavia aine-yhdisteitä. Prosessin toimintaa vaikeuttaa tuhkalaadun kirjava kemiallinen koostumus ja sen kivihiilituhkaa merkittävästi suurempi hienousaste. Tuotefraktioiden hiiliyhdisteiden ja palamattoman ainesosan selektiivinen vaahdottamalla tapahtuva rikastaminen ei onnistu riittävän hyvin.Only in other combustion processes is it difficult to efficiently handle the ash species generated from the flare fuels in the flotation process. This is due to the fact that the ash particle surfaces contain substances which interfere with the selectivity of the flotation process. The process is hampered by the varied chemical composition of the ash grade and its significantly higher fineness of coal ash. Selective flotation enrichment of carbon compounds and non-combustible constituents of product fractions is not well enough.

Pelkästään REF- kierrätyspolttoaineesta syntyneestä lentotuhkasta on vaahdotustekniikalla tuotettujen tuotteiden laatua erittäin vaikea saada sellaiseksi, että ne soveltuisivat energiantuotantoon tai pozzolaaniseen sovellutukseen käytettäväksi sideaineeksi.It is very difficult to obtain the quality of products produced by flotation technology from fly ash from REF recycled fuel alone to be used as a binder for power generation or pozzolanic applications.

Nyt on kokeellisesti osoitettu, että kun kivihiilituhkasta ja muissa polttoprosesseissa REF-kierrätyspolttoaineesta tuotetusta lentotuhkasta muodostetaan tarkasti määritelty seos, jossa pääosa tuhkaseoksesta on kivihiilen poltosta syntynyttä lentotuhkaa, saadaan seoksesta vaahdotusprosessissa tehokasta dispergointia, kokooja- sekä painajakeraikaaleja käyttäen vaahdottamalla tuotettua tuotteita, joissa vaahdottunut aktiivisempi hiilipitoinen tuote soveltuu energiakäyttöön ja vaahdottamatta jäänyt silikaattipitoinen tuote tyypillisesti pozzolaaniseksi sideaineeksi. Tämän kehitetyn suhteutus-ja vaahdotustekniikan avulla voidaan myös REF- kierrätys-polttoaineen poltossa syntynyt lentotuhka tuotteistaa hyödynnettäviksi tuotteiksi.It has now been experimentally demonstrated that by forming a well defined blend of coal ash and other fly ash from REF recycled fuel, the majority of the ash mixture is is suitable for energy use and a non-foamed silicate containing product is typically a pozzolanic binder. With this advanced proportioning and flotation technology, fly ash from the combustion of REF recycled fuel can also be commercialized into recoverable products.

Tarkka ja oikea suhteutus sekä tehokas dispergointi ja oikeat vaahdotuskemikaalit tekevät mahdolliseksi kahden laadultaan ja ominaisuuksiltaan poikkeavan tuhkalaadun onnistuneen ja samanaikaisen prosessoinnin vaahdotustekniikkaa käyttäen. Samassa prosessissa saadaan tehokkaasti johdettua myös kaasutustuhkaan sitoutuneita haitallisia kemiallisia yhdisteitä prosessivesikiertoon, josta niitä voidaan poistaa tehokkaalla kemiallisella tai mekaanisella puhdistustekniikalla.Accurate and correct proportioning, effective dispersion and the right flotation chemicals allow successful and simultaneous processing of two ash grades of different quality and properties using flotation technology. In the same process, harmful chemical compounds bound to the ash ash can also be effectively introduced into the process water cycle, where they can be removed by an effective chemical or mechanical purification technique.

Kehitetyssä prosessissa käsiteltävän massan runko-osa muodostuu selvästi koostumukseltaan vakaammasta ja yksinkertaisemmasta kivihiililentotuhkasta, joka syntyy pelkästään kivihiilen poltosta.In the developed process, the body of the pulp to be treated consists of a more stable and simpler coal fly ash derived from coal combustion alone.

On tärkeää, että toisen nyt kuvatussa prosessissa jalostettavan tuhkan laatu on vakaa ja tunnettu. Kivihiili lentotuhkan selvästi suurempi osuus tekee vaahdotettavasta lietteestä stabiilimman ja lopputuotteiden laatu pysyy vakaana.It is important that the quality of the second ash to be processed in the process now described is stable and well known. The significantly higher proportion of coal fly ash makes the foaming sludge more stable and the quality of the end products remains stable.

Muissa polttoprosesseissa tyypillisesti kierrätyspolttoaineista tuotettuja Ientotuhkalaatuja voi olla käsittelyssä samanaikaisesti yksi tai useampia ja näiden tuhkien hienous voi merkittävästi poiketa kivihiilituhkan hienoudesta. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa.In other combustion processes, Types of fly ash produced from recycled fuels may be processed simultaneously and the fineness of these ashes may differ significantly from that of coal ash. The process according to the invention is characterized by what is stated in the claims.

Seuraavassa keksintöä selitetään lähemmin viittaamalla oheiseen kaavioon 1.The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying Scheme 1.

Vaahdotukseen kivihiilituhkasiilosta 1 ja polttolaitostuhkasiilosta 2 tulevat koostumukseltaan ja ominaisuuksiltaan erilaiset lentotuhkat, jotka on tarkoin suhteutettu käsitellään ensimmäiseksi dispergointilaitteissa 3, joissa voimakkaan mekaanisen sekoituksen avulla edullisesti kivihiililentotuhkan pyöreää partikkelimuotoa hyödyntäen saadaan kierrätys-polttoaineiden lentotuhkan sisältämien partikkeleiden pintoja puhdistetuksi sekä aktivoiduiksi ja pienistä hiukkasista koostuvia aglomeraatteja hajotetuksi ennen vaahdotusvai-hetta. Dispergointi voidaan tehdä useammassa vaiheessa siten, että aloitetaan sakeammalla lietteellä ja viimeisessä vaiheessa toimitaan sillä lietesakeudella, joka vaahdotusvaiheen kannalta oikea. Dispergointivaiheeseen lisätään myös vaahdotuksessa käytettävä kokooja-Öljy, joka voi olla bioöljyä, tyypillisesti mäntyöljyä 14. Vaahdotusöljyn avulla kerätään prosessissa talteen hiilipitoiset partikkelit ja samalla vaahdotusöljy irrottaa ja liuottaa tuhkatuotteista prosessiveteen haitallisia yhdisteitä kuten klorideja, jolloin kiinteät hiili- ja silikaattifiraktiot puhdistuvat.The foaming kivihiilituhkasiilosta 1 and polttolaitostuhkasiilosta 2 are the composition and nature of the fly ash, which is strictly proportional to the treated first disperser 3 with strong mechanical stirring means preferably circular particle forms of coal fly ash using a particle contained in the recycled fuel with fly ash surfaces of the cleaned and activated and consisting of small particles agglomerates are lysed prior vaahdotusvai-step. The dispersion can be carried out in several steps starting with a thicker slurry and in the final step operating at the slurry consistency which is correct for the flotation step. The dispersing step is also supplemented with a collector oil for flotation, which may be bio-oil, typically tall oil 14. The foaming oil is used to recover carbonaceous particles in the process, while the foaming oil removes and dissolves harmful compounds such as chlorides and solids in the process water.

Dispergointivaiheeseen lisätään lisäsi painaja-kemikaalia 15, joka estää silikaattifraktion vaahdottumista ja parantaa vaahdotusprosessin selektiivisyyttä. Vaahdotusvaiheita 4, 5 on prosessissa useampia sekä kertausvaihe 6 lopullisen hiilirikkaan tuotteen hiilipitoisuuden nostamiseksi riittävän korkeaksi.An additional depressant chemical 15 is added to the dispersion step, which prevents foaming of the silicate fraction and improves the selectivity of the flotation process. There are several flotation steps 4, 5 in the process and a flushing step 6 to raise the carbon content of the final carbon-rich product sufficiently high.

Tuhkan vaahdotusprosessi toimii suljetussa vesikierrossa. Käsittelyprosessissa veteen liuenneita klorideja ja muita haitallisia aineita puhdistetaan prosessin kiertovedestä mekaanisesti ja kemiallisesti 9,10 ja 11. Vaahdotusprosessissa tuotetuista hiili- ja silikaat-tituotteita poistetaan vettä mekaanisessa suodatusvaiheessa 7 ja 8 ja suodosvedet ohjataan prosessivesikiertoon, jota täydennetään vähintään sillä vesimäärällä, syöttö 12, mikä tuotettujen suodinkosteiden lopputuotteiden mukana poistuu. Puhdistettu prosessivesi kerätään altaaseen 13 ja seostetut ja mekaanisesti erotetut haitalliset tuotefraktiot varastoidaan 16, edelleen käsittelyä varten. Tämän fraktion määrä on hyvin pieni alkuperäisen kaasutustuhkan määrään verrattuna. Hiilirikkaan fraktion 7 suodatuksessa erotetun suodosveden määrä on olennaisesti pienempi kuin silikaattifraktion 8 vesimäärä. Hiilirikaste on reaktiivista, koska se sisältää erittäin hienoa 0,1-2 pm fraktiota, jonka ominaispinta-ala cm2/g on suuri hiilipartikkeleiden muodon takia. Tämä vaikuttaa siihen, että klooriyhdisteet ja muut haitalliset yhdisteet rikastuvat hiilirikkaaseen lietteeseen.. Kloridiyhdisteet ovat pääasiassa hiilirikkaassa lietteessä ja siitä suodatetussa vedessä.The ash flotation process operates in a closed water cycle. Chlorides and other undesirable substances dissolved in water during the treatment process are mechanically and chemically purified from the process water 9,10 and 11. with the final products of the filter wipes produced. The purified process water is collected in the tank 13 and the mixed and mechanically separated harmful product fractions are stored for further processing. The amount of this fraction is very small compared to the amount of original gasification ash. The amount of filtered water separated by filtration of the carbon-rich fraction 7 is substantially less than the amount of water of the silicate fraction 8. Carbon concentrate is reactive because it contains a very fine fraction of 0.1 to 2 µm which has a specific surface area cm 2 / g due to the shape of the carbon particles. This contributes to the concentration of chlorine compounds and other harmful compounds in the carbon-rich sludge. The chloride compounds are mainly present in the carbon-rich sludge and the water filtered from it.

Silikaattituotteen riittävän alhainen hiilipitoisuus syntyy vaahdotusprosessissa, jossa hiilipitoinen fraktio erotetaan tuhkaseoksesta.Sufficiently low carbon content of the silicate product is generated by a flotation process in which the carbonaceous fraction is separated from the ash mixture.

Kehitetyssä vaahdotusprosessissa syntyvän hiilipitoisen lajikkeen hiilisisaltö voi olla > 50%. Hiililajike on pääosiltaan antrasiittia eli koksia ja sen lämpöarvo merkittävästi korkeampi kuin kivihiilen.The carbon content of the carbonaceous variety produced in the developed flotation process may be> 50%. The coal variety is predominantly anthracite, or coke, and has a significantly higher calorific value than coal.

Palamattoman, tyypillisesti pozzolaanisen silikaattifraktion hiilipitoisuus on < 4%, joten se voidaan hyödyntää sideaineena sementti-ja betoniteollisuudessa. Prosessiveden tehokkaalla käytöllä ja puhdistuksella varmistetaan se, ettei tyypillisesti kloridiyhdisteiden määrä estä tuotteen hyödyntämistä sementti-ja betoniteollisuudessa.The non-combustible, typically pozzolanic, silicate fraction has a carbon content of <4% and can therefore be used as a binder in the cement and concrete industry. The efficient use and purification of process water ensures that typically the amount of chloride compounds does not prevent the product from being used in the cement and concrete industry.

Keksinnön etuna on, että kivihiilituhkasta ja polttolaitoksissa tyypillisesti kaasuttamalla tuotetuista tuhkista saadaan edullisesti hiilestä vapaaksi tyypillisesti sideaineeksi soveltuvaksi raaka-aineeksi ja myös erotettu hiili saadaan uudelleen käyttöön esim. polttoaineeksi tai muuhun käyttöön.An advantage of the invention is that coal ash and ash typically produced by gasification in incineration plants are preferably obtained as a carbon-free raw material suitable for use as a binder, and the recovered carbon is also reused, for example as a fuel or for other uses.

Claims

1. A process for the industrial refining of coal ash and coal-fired ash from other gasification processes by recovering the coal from said ash and recovering the substantially carbon-free ash from the refining process, characterized in that the process comprises: relative to the effective dispersion technique, the slurry mixture resulting from the flotation step separating the carbon-rich fraction from the carbon-poor silicate fraction and the process-water-soluble fraction by flotation, water is used as a medium in the flotation process and the ash and carbonaceous material containing silicate are separated therefrom, based on the active property of the carbon easily foamed and the properties of soluble harmful compounds dissolve in the process water, wherein said purification achieves a more efficient result with the amount of water to be purified being significantly less than the amount of water produced from the silicate fraction slurry and also the dissolution of the chloride compounds being significantly higher to the amount of water filtered from this carbon concentrate slurry.

Process according to claim 1, characterized in that the carbon content of the silicate fraction is monitored and controlled by the amount of ash from other combustion plants in the flotation process.