JP5973647B2 - 活性炭および石炭燃焼残渣処理システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、活性炭および石炭燃焼残渣の処理に関するものである。

未使用状態では、粉末活性炭（ＰＡＣ）は、活性炭の一形態であり、当該活性炭が高い浸透性を持つように処理されることにより、広い表面領域を吸着のために利用できる。他の形態の活性炭は、一般的に、きめがより粗く、粒度が大きい。いずれの形態の活性炭も、発電所、セメントキルン、焼却炉、および、他の産業設備の稼動によって生じる、排気流れ、または、その他の工業プロセス流れから、水銀等の重金属を含む、不要な不純物、汚染物、または、その他の不要な成分を捕捉するために使用することができる。ＰＡＣは、世界的に、上述した、任意の産業プラントからの排ガス流れから、水銀および他の重金属の形態を捕捉するために好ましい。産業プロセスでの使用の結果として、ＰＡＣは、特殊な工業生産物というだけでなく、多くの場合、当該ＰＡＣによって捕捉された、水銀およびその他の重金属を適切に処理するときの取り組みのために再利用されない。

水銀およびその他の重金属を帯びた、使用（消費）済みのＰＡＣには、一般的に、処分というジレンマが存在する。２６０ppm 未満の水銀を含む、消費済みの活性炭は、環境規制（連邦規制）に従って、埋め立てられ、または、例えば、コンクリートに閉じ込められて固定される。他方、２６０ppm を超える水銀を含む、消費済みの活性炭は、高水銀の下位のカテゴリにあると考えられており、埋め立てが禁止されている。２６０ppm を超える水銀を含む、消費済みの活性炭は、現在のところ、貯蔵庫または廃坑に１年間当り１０００tonの見積率で蓄積される。さらに、消費済みの活性炭の処分問題は、アメリカ合衆国だけの問題ではない。消費済みの活性炭は、熱再生法として知られるプロセスを通して、再生または再利用することができる。しかしながら、この技術は、ある一定の欠点および不都合を有する。例えば、ＰＡＣそれ自体の、より細かい物理的特徴は、一般に、消費済みの活性炭に使用される、熱再生法プロセスに適さない。さらに、摂氏約５００度を超える使用可能温度と不活性雰囲気との両方が必要となるため、熱再生法プロセスは、高温吸着の発生に適当な、装置およびプロセスを必要とする。これにより、不純物が活性炭から脱着してガス流れに入り込む。さらに、なおいっそう、不純物を中和し、または、「焼失させる」ために、第２プロセスフェーズが一般的に必要である。第２プロセスフェーズでは、しばしば、なおいっそう、第１フェーズよりも高い温度、例えば、華氏２３００度で、前記ガス流れを含んで処理する必要がある。

上述の熱再生法は、ある所定の不純物を中和できる一方、当該熱再生法は、一般的に、熱再生法後のガス流れに残留する可能性のある、水銀等の重金属を、当該流れから重金属を再捕捉するために未使用の活性炭またはＰＡＣにおける、さらなる非生産的な処理を要求するため、処理しない。

最も典型的な産業的事例では、消費済みの活性炭または消費済みのＰＡＣは、バグハウスや電気集塵装置等のパティキュレート収集システムで捕捉することができる。或る産業では、消費済みのＰＡＣは、独立した物質流れとして捕捉することができ、他の産業では、消費済みのＰＡＣはフライアッシュとして他のパティキュレートとともに混合させることができる。消費済みの活性炭または消費済みのＰＡＣを捕捉するための取り組みにもかかわらず、そのさらなる処理および使用が、その水銀または他の重金属内容物が原因で、厳しく制限される。なので、例えば、消費済みのＰＡＣを混合させたフライアッシュは、セメントキルンプロセスで揮発する、水銀および重金属内容物のため、素材としてセメントキルンで利用できない可能性がある。さらに、消費済みのＰＡＣは、炭素それ自体を原因とする発泡係数の問題のため、レディーミクストコンクリートでの利用に困難な場合がある。結果として、消費済みのＰＡＣは、本来、埋め立てなければならない廃棄物である。

消費済みのＰＡＣの特性および組成は、素材、吸着剤、ＰＡＣ射出システムの設計または動作によって著しい影響を受ける。よって、消費済みのＰＡＣの成分の化学的および物理的特性、フライアッシュまたは他の石炭燃焼残渣(ＣＣＲｓ)は、個々のプラントまたは施設基盤で評価されなければならない。例えば、消費済みのＰＡＣ、フライアッシュを有する消費済みのＰＡＣ、または、他のＣＣＲｓは、事実上、ｐＨおよび濃度、または、各特定施設のために要求される試薬溶液を変えることができる。

解決を解決するための手段

ここに、消費済みの活性炭、消費済みの粉末活性炭(ＰＡＣ)および／または石炭燃焼残渣(ＣＣＲ)のために処理システムおよび方法を開示する。産業プラントで使用される活性炭は、石炭燃焼残渣などの、粉末活性炭を含む、多くの形態または名称を呈し、また、ここに開示したシステムおよび方法は、開示された実施例に限定されるものではなく、他の活性炭および残渣をカバーできることはいうまでもない。例示的実施例では、ここに開示した処理システムおよび方法は、重金属汚染削減のために以前から使用されている、消費済みの活性炭からの水銀および他の重金属の除去に関する。他の例示的実施例では、ここに開示した処理システムおよび方法は、ＣＣＲｓまたはフライアッシュ、ボトムアッシュおよび／もしくは合成石膏等の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:flue-gas desulfurization)残渣の両者は、水銀増加性能および／または他の汚染濃度を有するＣＣＲｓとして同視される。

例示的実施例では、消費済みのＰＡＣおよび／または少なくとも１つ以上のＣＣＲを処理するための方法は、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)を収集するステップ、および、収集したＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)から、少なくとも１つの重金属を分離して、浄化したＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)流れおよび重金属流れを生成するために、収集したＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)を酸素低下区域（時に”不活性雰囲気”と呼ばれる）における高い温度で加熱するステップを含む。前記酸素低下区域では、高い温度での、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)の燃焼のための機会を取り除くため、酸素含有量は、約２％以下である。

付加的に、前記方法は、水溶性アルカリ土類金属多硫化物(water soluble alkaline-earth metal polysulfide)を供給するステップ、結合流れを生成するために重金属流れに水溶性アルカリ土類金属硫化物(water soluble alkaline- earth metal sulfide)を結合するステップ、および、前記結合流れから、或る重金属の少なくとも一部を取り除くステップを含むことができる。例示的実施例では、前記方法は、触媒(catalyst)を供給するステップ、および／または、前記結合流れを生成するために超分散剤(hyperdispersant)または界面活性剤(surfactant)を供給するステップを含むことができる。ここで、アルカリ土類金属は、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、およびラジウムを含む周期表の第２族元素を意味する。ここで開示された、処理システムおよび方法の利点は、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)を、埋め立て、または、さもなければ処分する前に、処理できるステップ、および、重金属の解離能力を最小にするために、処理されたＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)が他に戻されて再利用できるステップを含むことができる。熱吸着プロセスおよび化学試薬(chemical reagents)の使用の組み合わせにより、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)は、再利用し、再活性化し、そして、再使用することができる。付加的に、不活性環境での加熱アプリケーションにおける類似のプロセスにより、金属および他の重金属は、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)から取り除くことができ、そして、残渣として化学試薬で捕捉することができる。どちらの場合も、結果物としての残渣は、高濃度の、安定した非溶出性の形態(a stable non-leachable form)である。この残渣は、その後、処分し、再利用し、あるいは、他のプロセスで、販売可能な素材として使用することができる。

開示の態様は、以下の説明および添付図面から、より容易に理解される。

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例は、典型的かつ限定されないことを意図する添付図面で説明されている。

消費済みの粉末活性炭（ＰＡＣ）および／または石炭燃焼残渣（ＣＣＲｓ）を処理するための方法およびそれに関連する装置の一実施例の線図である。

ここには、本発明の詳細な実施例が開示されているが、当該実施例は単なる典型例であり、様々な形態で実施できることはいうまでもない。したがって、ここに開示された、特定の機能的な細部は、限定的に解釈されるものではなく、単に特許請求の範囲および当業者が本発明を様々に採用できることを示唆するための代表的な基礎として解釈されるものである。

図１には、参考として、粉末活性炭（ＰＡＣ）および／または石炭燃焼残渣（ＣＣＲｓ）から汚染物を減少させ、および／または、処理するための処理方法および処理システムの例示的実施例を示す。図１に示すように、消費済みの、ＰＡＣおよび／または少なくとも１つのＣＣＲ(ｓ)２１は、例えば、バグハウスまたは電気集塵装置などの、パティキュレート収集システムによって収集することができるとともに、例えば、サイロなどの、貯蔵装置２３に移送することができる。貯蔵装置から、消費済みの、ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)が揮発管または揮発区域２５に移送される。図１に示すように、消費済みの、ＰＡＣおよび／またはＣＣＲｓは、直接または計量スクリュー２７を通って、揮発管に移送される。計量スクリューによるものであるかその他の手段によるものであるかといった厳密な搬送機構の構成、および、揮発区域または揮発管の構成、同様に、これら構成要素間の相対的な位置関係は、個々の処理に応じて変更することができ、また、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)を揮発管に移送するための、例示した範囲を超えた、多くの手段もしくは方法を使用することができることは、当業者であればいうまでもない。

消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)の中から捕捉した、水銀および／またはその他の重金属を揮発させるために、この説明では、揮発区域２５内の、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)に熱を加える。例えば、水銀の沸点は、摂氏３５６．５８度、または、華氏約６３７．８４４度であり、当該温度点の後は、水銀はガスとして存在する。検証によれば、様々な形態の水銀が摂氏１００度という非常に低い温度で揮発し始め、水銀分析によって測定されることを示している。

例示的実施例では、計量スクリュー２７、および／または、当該計量スクリュー２７の周りもしくはこれに続く揮発管で、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(s)に熱を加えることができる。消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)内で捕捉した、水銀およびその他の重金属は、前記システム内で取り除き、および／または、再利用することができる、浄化させたＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)流れ３１を残すために、一般的に不活性雰囲気に結合させた、ガス流れ２９内で気化する。加熱処理は、個々の産業プロセスまたは処理に合うように変更することができる。可能な一実施例としては、熱エネルギー量を、エネルギーが浪費されるほど過度ではなく、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)から水銀を分離するのに十分なように目的に合わせて増大させる。ある処理では、供給されるべき好ましい最小温度は、水銀の昇華温度（固体から気体）に対応する摂氏３５６度であるが、再び、あるプロセスに対して、消費済みのＰＡＣまたはＣＣＲから水銀を分離することは、摂氏１５０度より低い温度で達成させることができ、あるいは、摂氏５００度の高温度でより有利に生じさせることもある。

例示的実施例では、発電所、キルン、または、他の産業プロセス内における、１つ以上のプロセスからの廃熱または余熱は、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)の温度を、当該消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)から重金属を解離させる点に高めるために使用することができる。廃熱もしくは余熱がなければ、もしくは、こうした熱が十分でなければ、補助熱熱源、または、ガス、電気もしくはその他の、他の任意の適当な熱源が、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)と有効的に関連付けられる。ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)の燃焼性能は、高い温度に存在する。したがって、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)を加熱するとき、好適な一実施例では、揮発区域２５は、不活性雰囲気、例えば、酸素含有量が約２％以下の酸素低下区域、または、適当なガス不活性状態でなければならない。

他の例示的実施例では、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)は、燃焼点に加熱することができる。これにより、水銀を含む任意の重金属は、試薬用薬品で処理できるガス流れ内に解離される。またこれにより、収集および利用または廃棄が可能な、残留燃焼灰が生成される。

気化した水銀および他の重金属を含む空気流れまたはガス流れはそれから処理ユニットに移送させることができる。例示的実施例では、処理装置３３は、限定されるものではないが、配管、チャンバ、それに類するものを含む。処理溶液３５は、これにより、処理するため、気化した水銀および／または他の重金属を含む空気流れ内に射出され、または、噴射され、また、少なくとも部分的に、当該空気流れから水銀および／または他の重金属を除去する。処理装置３３の噴射パターン、液滴サイズ、溶射速度および他のパラメータを選択して、個々の産業プロセスのために求められる水銀減少レベルを達成する。例示的実施例では、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む。一実施例では、水溶性アルカリ土類金属多硫化物は、多硫化マグネシウム(magnesium polysulfide)または多硫化カルシウム(calcium polysulfide)のいずれかであってもよく、また、アルカリ土類多硫化物は、水に対して約１％から約２９％までの量で溶液中に存在してもよい。他の実施例では、アルカリ土類金属多硫化物は、１つ以上の多硫化マグネシウムおよび１つ以上の多硫化カルシウムの混合物であり、多硫化物は、水に対して約１％から約２９％までの量で溶液中に存在してもよい。

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、上掲された範囲外に変更できることは、当業者であれば言うまでもない。多くの処理では、経済上の目的から、操作上可能な限りアルカリ土類硫化物および／または多硫化物を使用しないようにできる。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、空気流れ内での散乱、空気流れの速度、空気流れ内における水銀および他の重金属の濃度、および、他の種類のパラメータに依存して変更することができる。

例示的実施例では、処理溶液は、適当なリン酸塩等、約７以上のｐＨを有する１つ以上の触媒エージェント(catalyst agent)を含んでいてもよい。しかしながら、気化した水銀および／または他の重金属を含む空気流れ、および／または、ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)のｐＨに依存し、触媒エージェントを使用しなくてもよいことは言うまでもない。

他の例示的実施例では、処理溶液は、１つ以上の界面活性剤、分散剤、および／または、超分散剤を含んでもよい。一実施例では、界面活性剤、分散剤、および／または、超分散剤は、１つ以上の、ポリエチレン酸化物-ポリエチレンブロックコポリマ(polyethylene oxide- polyethylene block co-polymers)、および／または、そのリン酸エステル(phosphate esters)で構成されている。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、任意である。界面活性剤、分散剤、および／または、超分散剤を含む場合、界面活性剤、分散剤、および／または、超分散剤は、金属に反応する前の、処理流体の反応剤または反応試薬の維持を補助するのに十分な量で与えられる。付加的に、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つ以上の、界面活性剤、分散剤、および／または、超分散剤、および、１つ以上の触媒エージェントを含んでもよい。

例示的実施例では、空気流れを処理溶液で処理するとき、気化した水銀および／または他の重金属は、空気流れからの除去を促進し、また、沈殿物は、フィルタで濾過させてもよい。残渣は、水銀および／または他の重金属および不純物の形での、上述した処理プロセスおよびシステムからの残留物である。残渣は、この実施例では、沈殿サイロ３７として示す、任意の適当な手段によって、収集され、さもなければ、濾過して取り除かれる。水銀または他の不純物残渣の取り扱いに関して、収集された水銀および／または他の重金属は、さらに処理し、再利用し、さもなければ、適切に処分することができる。サイロ３７の下流に示す、小型のパティキュレートフィルタ３９は、残渣処理プロセスの一部として使用することができ、所定の実施例では、結果的に生じるガス流れの重金属部分を捕捉するように配置し、さもなければ、構成することができる。同様に、産業プロセス、目的または任意の数のパラメータに応じて、水銀または他の重金属が、乾燥状態、または、スラリーのような液体状態で捕捉されるように、処理プロセスによって形成された残渣に関して、他の手段および処理装置を採用することができる。処理に応じて、このプロセスを通して収集された、水銀または他の重金属残渣は、なおさらなる特性または形態を持つと推測される。

残存する清浄空気は、その後、パティキュレート収集システムを通して、所定の雰囲気に放出される。さらにパティキュレート収集システムで捕捉された、任意の残渣は、貯留容器に戻すこともできる。

例示的実施例では、図１に例示する、処理システムおよび方法は、消費済みの、ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)を、当該ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)から、水銀および／または他の重金属を取り除くための、連続的な処理または非連続的な処理で、濃度がＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)で増加するように、処理するために使用することができる。非連続的な処理は、１つ以上のＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)のサンプルから得られる、水銀および／または他の重金属の量の大きさに、またはそれに応じて、適合させることができる。

例示的実施例では、揮発管は、限定されるものではないが、配管、チャンバおよび他の容器を含む、様々な形態をとることができる。パティキュレート収集システムは、産業プラントまたは発電所および他の様々な操業設備からの煤塵の、捕捉、濾過、または、さもなければ、収集に適当な、任意の様々な装置であればよい。様々な産業プラントまたは発電所の構成が可能になることで、パティキュレート収集システムは、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)を処理するための、装置およびシステムと同様、産業プラントまたは発電所の構成要素に関連する、任意の数の、適当な場所で、処理のための物質を受け入れることができる、産業プラントまたは発電所の、１つ以上の操業と有効的に関連付けられることは、当業者であればいうまでもない。多くの可能な実施例では、処理装置は、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)を施設で収集した後に受け入れるために、また、浄化された、ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)を産業プロセス内に導入する前に戻すために、産業プロセスと有効に関連付けられる。

処理システムおよび方法を、所定の実施例に関して例示的に説明したが、多くの変化及び変更は当業者であれば明らかであり、こうした変化及び変更は、発明の思想および範囲から逸脱することなく可能である。

例えば、ＰＡＣおよび／またはＣＣＲ(ｓ)が処理すべき物質として説明される一方、上述したシステムおよび方法、並びに、この開示の思想及び範囲内でのバリエーションは、任意の粗さ、粒径または特性単独、または、水銀、重金属または他の不純物を捕捉するために使用されるかどうかを問わず、他の組成またはガス流れ成分との組み合わせの、ＰＡＣ以外の活性炭の形態に適当であり、任意の数の産業プロセスと関連付けられる。同様に、ＣＣＲ(ｓ)以外の残渣は、ここで説明した実施例を使用することで同様に処理することができ、ここでの開示の思想および範囲内での適当な変形である。

よって、開示の内容は、方法論または解釈の精密な詳細に限定されるものではなく、上述の変化および変更として明らかにしたものは、当該開示の範囲内に含まれるべきものである。

Claims (11)

1. 粉末活性炭(ＰＡＣ)および／または石炭燃焼残渣(ＣＣＲｓ)を処理するための方法であって、当該方法は、
   少なくとも１つの、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲから、少なくとも１つの重金属を分離して、浄化した流れおよび重金属流れを生成するために、当該少なくとも１つの、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲを加熱するステップ、
   結合流れを生成するために、前記重金属流れに水溶性アルカリ土類金属硫化物および／または多硫化物を結合するステップ、および、
   前記結合流れから少なくとも１つの重金属の少なくとも一部を取り除くステップ、 を有する、粉末活性炭および／または石炭燃焼残渣を処理するための方法。
2. 請求項１の方法において、前記水溶性アルカリ土類金属多硫化物が、カルシウム多硫化物またはマグネシウム多硫化物である、方法。
3. 請求項１の方法において、さらに産業プロセスから、少なくとも１つの、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲを収集するステップ、を有する、方法。
4. 請求項１の方法において、前記重金属流れに水溶性アルカリ土類金属硫化物を結合するステップが、前記水溶性アルカリ土類金属硫化物を前記重金属流れに供給するステップである、方法。
5. 請求項１の方法において、前記結合ステップは、重金属流れに触媒を結合するステップを含む、方法。
6. 請求項１の方法において、前記結合ステップは、重金属流れに界面活性剤または超分散剤を結合するステップを含む、方法。
7. 請求項１の方法において、前記加熱ステップは、不活性雰囲気で、少なくとも１つの、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲを加熱するステップを含む、方法。
8. 請求項１の方法において、さらに、残留燃焼灰を生成するために、少なくとも１つの、消費済みのＰＡＣおよび／またはＣＣＲを燃焼させるステップ、を有する、方法。
9. 請求項８の方法において、さらに、前記残留燃焼灰を収集するステップ、を有する、方法。
10. 請求項１の方法において、結合するステップは、水溶性アルカリ土類金属硫化物を重金属流れに噴射するステップを含む、方法。
11. 請求項１の方法において、さらに、少なくとも１つの、重金属の取り除かれた部分を、前記結合流れからパティキュレートフィルタで捕捉するステップ、を有する、方法。

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