JP2010017616A - フライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
浮選工程における浮選分離の効率を下げずに、脱水工程における脱水速度及び効率を上昇させることで、処理量が多く、かつ高品質の改質フライアッシュを得られるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法及びその装置を提供する。
【解決手段】
フライアッシュに水を加えてスラリーとするスラリー化工程と、前記スラリーに捕集剤を添加する表面改質工程と、前記スラリーに起泡剤を添加する起泡剤添加工程と、前記スラリーを沈殿物と浮遊物に浮選分離する浮選工程と、前記浮選工程で得られた前記沈殿物のスラリーを脱水する沈殿物脱水工程からなるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法において、前記浮選工程の後に、浮選工程で得られた沈殿物のスラリーを一時貯留する中間タンクと遠心分離型脱水機の間を循環させることで濃縮する循環濃縮工程により前記スラリーを脱水し、この脱水されたスラリーを前記沈殿物脱水工程に搬送する。
【選択図】図１

Description

本願発明は、フライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法及びその装置に関し、特に、石炭焚き火力発電所等で発生するフライアッシュから未燃カーボンを効率的に除去し、フライアッシュ及び除去した未燃カーボンを有効利用する方法に関する。

石炭焚き火力発電所では、微粉砕した石炭をボイラ内で燃焼させ、そのエネルギーを電気に変換している。この燃焼により融解状態になった灰の粒子が、高温の燃焼ガス中を浮遊し、ボイラ出口で温度が低下することに伴い、球形微細粒子となって電気集塵器に捕集され、この粒子はフライアッシュと呼ばれている。

前記フライアッシュは、セメント及び人工軽量骨材の原料、コンクリート用混和材等に利用されている。しかしながら、フライアッシュをコンクリートの混和材として使用すると、フライアッシュ中の未燃カーボンがＡＥ減水剤等を吸収し、コンクリートの作業性を低下させる。また、コンクリートの打設時には、未燃カーボンが浮き上がり、コンクリートの打継部に黒色部が発生する等の弊害がある。さらに、フライアッシュ中に未燃カーボンが多いと、人工軽量骨材の品質が低下するという問題もある。

ここで、現在、未燃カーボンの含有量は日本産で１〜５重量％、ベトナム産で１６〜１８重量％となっているため、通常ではセメント原料として使用することが難しくなっている。

上記の問題を解決するためにフライアッシュに水を加えてスラリー化し、捕集剤及び起泡剤を投入し、浮選分離により未燃カーボンを除去する方法が開示されている（例えば非特許文献１参照）。

図３に浮選分離を利用した未燃カーボン除去方法の処理工程を示す。まず、スラリー化工程では、火力発電所等で発生した未燃カーボンを含むフライアッシュに水を加え、スラリー濃度が１５重量％程度のスラリーとする。次に表面改質工程では前記スラリーに軽油又は灯油等を捕集剤としてフライアッシュに対して０．５重量％程度投入し、さらに撹拌することで未燃カーボン粒子の表面に捕集剤粒子（油）が密着して親油性化が進む。次に起泡剤添加工程では表面を改質された前記スラリーに起泡剤を添加し、浮選機で浮選分離を行い、親油性化が進んだ未燃カーボンは浮遊物として回収され、フライアッシュは沈殿物として回収される。

一方、浮遊物脱水工程では、前記未燃カーボンがフィルタープレス式脱水機等で脱水されフロスケーキ（脱水ケーキ）として回収される。前記フロスケーキは濃縮未燃炭素とも呼ぶことができ、補助燃料として使用することが可能となっている。

他方、沈殿物脱水工程では、前記フライアッシュがフィルタープレス式脱水機等で脱水されフライアッシュケーキ（脱水ケーキ）として回収される。前記フライアッシュケーキは未燃カーボンの含有量が０．５重量％以下となった、高品質フライアッシュであり、セメント混和剤や混合剤として利用することが可能となっている。
三井造船技報Ｎｏ．１９２（２００７−１１）

しかしながら、非特許文献１に記載の浮選分離の方式では、フライアッシュに水等を加えスラリー化したのちに、再び脱水機により脱水してフロスケーキ及びフライアッシュケーキを製品として回収するため、スラリー濃度が低いと脱水処理に時間がかかってしまい、スラリー濃度が高いと浮選分離の効率が悪くなるという問題を抱えている。

特に、フィルタープレス式の脱水機を使用した場合、脱水効果は高い（含水率を下げる効果が高い）が、スラリーをフィルターの間に送り込み、さらに圧搾するために多くの時間が必要となり、プラント全体の処理量のボトルネックとなっている。

即ち、脱水工程における処理時間の短縮が、プラントにおける全体の処理時間の短縮に直結しているということである。

また、フィルタープレス式脱水機は非常に高価な装置であり、プラントにおける処理量を増加させるためには、従来は、フィルタープレス式脱水機の大型化が必須条件となり、これはフライアッシュを処理するためのプラントの建設コスト増加の原因となっていた。

さらに、上記のような要因があるため、脱水時間の短縮を目的として、スラリー濃度を上昇させた場合、スラリーの流動性が低下し、浮選分離の効率が大幅に低下するため、回収される製品であるフロスケーキ（未燃カーボン）の量が減少し、かつ、フライアッシュケーキ（改質フライアッシュ）の未燃カーボン含有量の増加に伴う品質の悪化が発生してしまう。

本願発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、浮選工程における浮選分離の効率を下げずに、脱水工程における脱水速度及び効率を上昇させることで、処理量が多く、かつ高品質の改質フライアッシュを得られるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法及びその装置を提供することである。

また、プラントで発生した水等を循環して使用するよう構成することで、フライアッシュの処理に伴う廃棄物の発生を抑制し、環境への影響を少なくしたフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法及びその装置を提供することである。

上記の目的を達成するための本願発明にかかるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法は、フライアッシュに水を加えてスラリーとするスラリー化工程と、前記スラリーに捕集剤を添加する表面改質工程と、前記スラリーに起泡剤を添加する起泡剤添加工程と、前記スラリーを沈殿物と浮遊物に浮選分離する浮選工程と、前記浮選工程で得られた前記沈殿物のスラリーを脱水する沈殿物脱水工程からなるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法において、前記浮選工程の後に、浮選工程で得られた沈殿物のスラリーを一時貯留する中間タンクと遠心分離型脱水機の間を循環させることで濃縮する循環濃縮工程により前記スラリーを脱水し、この脱水されたスラリーを前記沈殿物脱水工程に搬送することを特徴とする。

前記沈殿物脱水工程の前に、その前処理として前記循環濃縮工程でスラリーの含水率をある程度下げることで、沈殿物脱水工程における脱水効率を上昇させることが可能となった。即ち、沈殿物脱水工程に送られるスラリー濃度が上昇したため、単位時間当たりに脱水機に送られるスラリーにおける沈殿物（フライアッシュ）の質量が増加し、脱水工程における単位量あたりの処理時間を短縮することが可能となった。

この脱水効率上昇に伴い、プラントにおけるフライアッシュの処理量を増加させることが可能となり、又は、脱水工程で使用する脱水機の小型化が可能となるため、プラント建
設にかかるコストを低減することが可能となった。

また、前記循環濃縮工程である程度の脱水ができるため、前記浮選工程において、従来の循環濃縮工程がない方法に比べて、多くの水を使用してスラリーの濃度を下げることが可能となった。このスラリー濃度の低下に伴い、未燃カーボンの分離効率が良くなり、処理対応できるフライアッシュの種類が増加した。

上記のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法において、前記浮選工程の一方で得られた沈殿物を循環濃縮工程及び沈殿物脱水工程で処理を行い生産物として改質フライアッシュを回収し、他方で得られた浮遊物を浮遊物脱水工程で脱水し、生産物として未燃カーボンを回収することを特徴とする。

この方法により、セメント等の原料となる改質フライアッシュ、及び補助燃料として使用可能な未燃カーボンを生産物として製造することが可能となった。

上記のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法において、前記循環濃縮工程で回収された液相を、前記スラリー化工程及び起泡剤添加工程の一方又は両方に一部又は全部を戻して再利用することを特徴とする。

この方法により、フライアッシュの処理に必要となる水を極力循環させて、系の中で再利用することが可能となったため、排水による環境への影響を低減することが可能となり、これに伴い必要となる水量も低減することが可能となった。

上記のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法において、前記スラリーの各工程におけるスラリー濃度を、前記表面改質工程で５〜２０重量％、前記浮選工程で５〜２０重量％、前記循環濃縮工程で１０〜３０重量％となるように循環濃縮工程での循環時間及び前記再利用する液相の供給量を制御することを特徴とする。

循環濃縮工程でスラリーの濃度を制御することで、脱水工程における脱水機を効率的に運用することが可能となった。

上記のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法において、前記循環濃縮工程において、前記循環濃縮工程前のスラリー濃度に対して、循環濃縮工程後のスラリー濃度が２〜１０重量％上昇するように循環濃縮工程で循環する制御をしたことを特徴とする。

上記の目的を達成するためのフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置は、スラリータンク、表面改質機、条件槽、浮選機をスラリー輸送管でその順序で連通し、前記浮選機から一方は改質フライアッシュスラリータンク、遠心分離型脱水機及び沈殿物脱水機に連通し、他方はフロスタンク及び浮遊物脱水機に連通してなるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置において、前記スラリータンクで処理対象物であるフライアッシュと水を混合してスラリーとし、前記表面改質機で前記スラリーと捕集剤を混合し、前記条件槽で前記スラリーに起泡剤を添加し、前記浮選機で前記スラリーの浮選分離をし、一方の沈殿物を前記改質フライアッシュスラリータンクと前記遠心分離型脱水機とを循環させて循環濃縮し、その後に前記沈殿物脱水機で脱水処理を行い、他方の浮遊物を前記フロスタンクに滞留させ、その後に前記浮遊物脱水機で脱水処理を行なうように構成したことを特徴とする。

上記のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置において、前記遠心分離型脱水機を流体サイクロンとしたことを特徴とする。

液体サイクロンを使用することにより、フィルター等を使用する脱水装置に比べ、単位時間当たりの処理量が向上し、連続処理が可能となった。また、フィルター等の交換が不必要となった。

上記のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置において、前記沈殿物脱水機である改質フライアッシュスラリー脱水機から改質フライアッシュを生産物として回収し、前記浮遊物脱水機であるフロス脱水機から未燃カーボンを含むフロスを生産物として回収するよう構成したことを特徴とする。

上記のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置において、前記改質フライアッシュスラリー脱水機及びフロス脱水機が共にフィルタープレス型脱水機であることを特徴とする。

脱水機をフィルタープレス型脱水機にしたことで、スラリーの圧搾を強力に行なうことが可能であり、生産物である改質フライアッシュ及び未燃カーボンを含水率の極めて低い脱水ケーキとして生産することが可能となった。

上記のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置において、前記遠心分離型脱水機で回収された液相を、前記スラリータンク及び前記条件槽の一方又は両方に、一部又は全部を戻して再利用するように構成したことを特徴とする。

水を装置内で循環させて使用することで、必要となる水の量が減少し、かつ排水に伴い発生する環境への負荷を低減することが可能となった。

本願発明のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法及び除去装置によれば、浮選工程における浮選分離の効率を下げずに、脱水工程における脱水速度及び効率を上昇させることで、処理量が多く、かつ高品質の改質フライアッシュを得られるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法及びその装置を提供することが可能となった。

また、装置で発生した水等を循環して使用するよう構成することで、フライアッシュの処理に伴う廃棄物の発生を抑制し、環境への影響を少なくしたフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法及びその装置を提供することが可能となった。

以下、本願発明を図に示す実施形態を参照して具体的に説明する。
図２は本願発明の実施例の１つであるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置の概略を示しており、図１はその工程図を示している。

（プラントにおける工程）
火力発電所等で発生したフライアッシュはフライアッシュ受入タンク１０に供給される。前記フライアッシュは微細な粉末状であり、さらに微細粉末の表面には未燃カーボンが付着している。まず、スラリー化工程では、これらを処理するためにスラリータンク４にフライアッシュを投入し、水（循環水）を加えスラリー化する（スラリー化工程）。

スラリー化したフライアッシュはスラリー移送ポンプ１１にて次工程の表面改質機５に送られ、ここでは、例えば軽油や灯油等の油を捕集剤として添加し、撹拌することで前記捕集剤に未燃カーボンを吸着させ、表面を改質されたスラリーは条件槽６に送られる（表面改質工程）。

前記条件槽６では起泡剤を添加し（起泡剤添加工程）、前記起泡剤を添加されたスラリーは浮選機７に送られ、撹拌されることで、未燃カーボンは浮遊物としてフロススラリータンク８に送られ、未燃カーボンを取り除かれた改質フライアッシュは沈殿物として改質フライアッシュスラリータンク９に送られる（浮選工程）。

一方、フロススラリータンク８に送られた未燃カーボンは、フィルタープレス型のフロス脱水機に送られ、脱水されて（浮遊物脱水工程）、生産物のフロスケーキ（未燃カーボン）として回収される。

他方、改質フライアッシュスラリータンク９（中間タンク）に送られた改質フライアッシュは、フライアッシュスラリー濃縮サイクロン（液体サイクロン）と前記改質フライアッシュスラリータンク９を循環することで、水分が除去され、スラリー濃度が上昇する（循環濃縮工程）。

スラリー濃度が上昇したスラリーは、フィルタープレス型の改質フライアッシュスラリー脱水機３に送られ、脱水されて（沈殿物脱水工程）、生産物のフライアッシュケーキ（改質フライアッシュ）として回収される。

ここで、フライアッシュスラリー濃縮サイクロン１で回収された水分は、前記スラリータンク４又は条件槽６で再利用する。

また、回収された水分はスラリーの濃度調整に使用することが可能となっている。

（各装置におけるスラリー濃度の範囲）
各装置における処理可能とするスラリー濃度、及び最適なスラリー濃度の範囲を（表１）に示す。

浮選工程ではスラリー濃度が高くなるとスラリーの流動性が低下し、浮選分離の効率が低下するため、スラリー濃度が低い値となっている。

（表１）より、表面改質工程ではスラリー濃度を３０重量％で処理し、浮選工程で１０重量％とし、脱水工程では３０重量％で処理されるのが望ましいが、従来の方法では工程の途中（例えば浮選工程）でスラリー濃度を下げた場合は、その後段は濃度が下がった状態のスラリーを処理する必要があった。

しかしながら、本願発明によれば、例えば浮選工程でスラリー濃度を下げて、浮選分離の効率を上げたとしても、脱水工程では脱水効率のよい、高い濃度のスラリーを供給することを可能としている。これは、脱水工程の前の循環濃縮工程によるものである。

（循環濃縮工程）
本願発明の装置（プラント）における循環濃縮工程の効果を以下に説明する。例えば、
スラリー化工程でスラリー濃度を１５重量％に調整されたスラリーは、表面改質工程においても１５重量％となっている。これは、途中で添加される捕集剤や起泡剤がスラリーの重量に対して１重量％未満であるため、ほとんどスラリー濃度に影響はでないためである。

次に浮選工程で沈殿物として回収された改質フライアッシュスラリーのスラリー濃度は１５重量％となっている。

従来はこのスラリー濃度が１５重量％のスラリーを改質フライアッシュスラリー脱水機３に供給し、脱水を行なっていたが、これに対して循環濃縮工程で３０重量％までスラリー濃度を上昇させた場合を考える。

例えば、脱水機３から回収されるフライアッシュケーキの質量を１５として、処理すべきスラリーの質量及びそれに必要な時間を（表２）に示した。ここで、脱水機３はフィルタープレス型の脱水機であり、スラリーを流入後、フィルターにより圧搾するバッチ式として、さらに、圧搾時間は５．５分で固定されているとした。これは、圧搾時間は製品として回収されるフライアッシュケーキの品質により規定されているからである。

（表２）からわかるように、スラリー濃度が高い（３０％の）場合は、脱水機３に供給すべきスラリーの質量が少なく（５０）なるため、スラリー流入時間が２．５分と短くなり、脱水処理時間全体を８．０分まで短縮することが可能となった。

本願発明の装置において、処理するフライアッシュの量（供給されるフライアッシュの量）を一定として考えた場合に、従来の装置に比べ、処理に必要な時間は２４％削減（８．０分／１０．５分＝０．７６２）されているため、プラントの規模を小型化することが可能となった。

また、フィルタープレス式脱水機のフィルターは、高価なものが多いが、本願発明により、処理に必要となるろ過面積を時間と同様に２４％削減することが可能となった。

以上、本願発明により、浮選工程における浮選分離の効率を下げずに、脱水工程における脱水速度及び効率を上昇させることで、処理量が多く、かつ高品質の改質フライアッシュを得られるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法及びその装置の提供を実現した。

また、プラントで発生した水等を循環して使用するよう構成することで、フライアッシュの処理に伴う廃棄物の発生を抑制し、環境への影響を少なくしたフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法及びその装置の提供を実現した。

本願発明の方法を実施した例の工程図である。 本願発明の装置の１つの実施例の概略図である。 従来のフライアッシュの処理プラントの工程図である。

符号の説明

１ 液体サイクロン（フライアッシュスラリー濃縮サイクロン）
２ 浮遊物脱水機（フロス脱水機）
３ 沈殿物脱水機（改質フライアッシュスラリー脱水機）
４ スラリータンク
５ 表面改質機
６ 条件槽
７ 浮選機
８ フロススラリータンク
９ 改質フライアッシュスラリータンク
１０ フライアッシュ受入タンク
１１ スラリー移送ポンプ

Claims (10)

1. フライアッシュに水を加えてスラリーとするスラリー化工程と、前記スラリーに捕集剤を添加する表面改質工程と、前記スラリーに起泡剤を添加する起泡剤添加工程と、前記スラリーを沈殿物と浮遊物に浮選分離する浮選工程と、前記浮選工程で得られた前記沈殿物のスラリーを脱水する沈殿物脱水工程からなるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法において、
   前記浮選工程の後に、浮選工程で得られた沈殿物のスラリーを一時貯留する中間タンクと遠心分離型脱水機の間を循環させることで濃縮する循環濃縮工程により前記スラリーを脱水し、この脱水されたスラリーを前記沈殿物脱水工程に搬送することを特徴とするフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法。
2. 前記浮選工程の一方で得られた沈殿物を循環濃縮工程及び沈殿物脱水工程で処理を行い生産物として改質フライアッシュを回収し、他方で得られた浮遊物を浮遊物脱水工程で脱水し、生産物として未燃カーボンを回収することを特徴とする請求項１に記載のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法。
3. 前記循環濃縮工程で回収された液相を、前記スラリー化工程及び起泡剤添加工程の一方又は両方に一部又は全部を戻して再利用することを特徴とする請求項１又は２に記載のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法。
4. 前記スラリーの各工程におけるスラリー濃度を、前記表面改質工程で５〜２０重量％、前記浮選工程で５〜２０重量％、前記循環濃縮工程で１０〜３０重量％となるように循環濃縮工程での循環時間及び前記再利用する液相の供給量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去方法。
5. 前記循環濃縮工程において、前記循環濃縮工程前のスラリー濃度に対して、循環濃縮工程後のスラリー濃度が２〜１０重量％上昇するように循環濃縮工程で循環する制御をしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフライアッシュ中の未燃カーボン除去方法。
6. スラリータンク、表面改質機、条件槽、浮選機をスラリー輸送管でその順序で連通し、前記浮選機から一方は改質フライアッシュスラリータンク、遠心分離型脱水機及び沈殿物脱水機に連通し、他方はフロスタンク及び浮遊物脱水機に連通してなるフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置において、
   前記スラリータンクで処理対象物であるフライアッシュと水を混合してスラリーとし、前記表面改質機で前記スラリーと捕集剤を混合し、前記条件槽で前記スラリーに起泡剤を添加し、前記浮選機で前記スラリーの浮選分離をし、一方の沈殿物を前記改質フライアッシュスラリータンクと前記遠心分離型脱水機とを循環させて循環濃縮し、その後に前記沈殿物脱水機で脱水処理を行い、他方の浮遊物を前記フロスタンクに滞留させ、その後に前記浮遊物脱水機で脱水処理を行なうように構成したことを特徴とするフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置。
7. 前記遠心分離型脱水機を流体サイクロンとしたことを特徴とする請求項６に記載のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置。
8. 前記沈殿物脱水機である改質フライアッシュスラリー脱水機から改質フライアッシュを生産物として回収し、前記浮遊物脱水機であるフロス脱水機から未燃カーボンを含むフロスを生産物として回収するよう構成したことを特徴とする請求項６又は７に記載のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置。
9. 前記改質フライアッシュスラリー脱水機及びフロス脱水機が共にフィルタープレス型脱水機であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置。
10. 前記遠心分離型脱水機で回収された液相を、前記スラリータンク及び前記条件槽の一方又は両方に、一部又は全部を戻して再利用するように構成したことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載のフライアッシュ中の未燃カーボンの除去装置。

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