ES2913000T3 - Sistema y método de tratamiento de ceniza de carbón - Google Patents

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Abstract

Un proceso para producir una ceniza de carbón modificada, comprendiendo el proceso: recoger una cantidad a granel de ceniza de carbón, habiéndose generado previamente la ceniza de carbón por medio de combustión de carbón, teniendo la ceniza de carbón un 9 % de Pérdida por Ignición de carbono o menos; formar la ceniza de carbón recogida en una corriente de ceniza de carbón; seleccionar un intervalo de tiempo de exposición a sublimación para reducir la Pérdida por Ignición de la ceniza de carbón a un 3 % o menos, en el que el intervalo seleccionado de tiempo de exposición a sublimación está entre 10 y 30 minutos; eliminar al menos un 50 % de carbono de la ceniza de carbón en una sublimación de carbono no autosostenida, sometiendo la corriente de ceniza de carbón a un calor de sublimación procedente de una planta de generación de energía, horno o enfriador que varía entre 454 °C (850 °F) y 649 °C (1200 °F) y durante el intervalo de tiempo seleccionado de exposición a sublimación; y retirar la corriente de ceniza de carbón del calor de sublimación tras completar el intervalo seleccionado de tiempo de exposición a sublimación para formar una ceniza de carbón modificada.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y método de tratamiento de ceniza de carbón
Campo
La presente divulgación se refiere a sistemas y métodos de tratamiento de ceniza de carbón y, más particularmente, a tratamientos que dan como resultado una ceniza de carbón modificada.
Antecedentes
Los procesos industriales, tales como la operación de centrales eléctricas de carbón, generalmente generan subproductos de combustión de carbón o residuos de combustión de carbón (colectivamente, "CCR"). CCR son materiales que generalmente se depositan en vertedero, se someten a lagunaje o se reciclan/reutilizan. CCR pueden tener características o componentes, o pueden exhibir cualidades, que hacen que dichos materiales no resulten aptos para reciclaje o reutilización, lo que lleva a que se depositen en vertedero o sean sometidos a lagunaje. Estas características o cualidades pueden incluir humedad, mercurio, selenio, carbono, amoníaco, cloruros, tamaño de partícula, compuestos orgánicos, hidrocarburos u otras variables.
La ceniza de carbón es un tipo de CCR que se produce por combustión del carbón. Entre los tipos de ceniza de carbón producida en la combustión de carbón se encuentran la ceniza volante de carbón y la ceniza de fondo de carbón. Se estima que varios millones de toneladas de ceniza de carbón se depositan en vertederos o se someten a lagunaje cada año en los Estados Unidos. Se estima además que más de 100 millones de toneladas adicionales ya se encuentran en vertedero o lagunas. Es posible que esta ceniza depositada en vertedero o sometida a lagunaje no esté ubicadas de manera apropiada en las comunidades locales y los ecosistemas de agua subterránea. Además, los costes para reubicar CCR procedentes de vertedero o lagunaje pueden ser significativos. Además, la reubicación de CCR no puede alterar ni cumplir las posibles cuestiones normativas que puedan estar asociadas a dichos CCR. Mercurio, por ejemplo, continua liberándose de cualquier superficie expuesta a la atmósfera.
A la vista de los desafíos planteados por el vertido o el lagunaje de CCR, a menudo resulta preferible o deseable intentar reciclar o reutilizar los CCR cuando se encuentran en forma de ceniza de carbón. Los procesos industriales que pueden aprovechar el uso de ceniza de carbón reciclada incluyen la producción de hormigón, hormigón premezclado, bloques, adoquines y similares. Una aplicación potencial es el uso de ceniza de carbón en hormigón como material cementante suplementario. Sin embargo, existen desafíos para reciclar o reutilizar la ceniza de carbón y otros CCR en determinados procesos industriales, debido a las potenciales cualidades o características inapropiadas de CCR, algunas de las cuales se han descrito con anterioridad.
De este modo, la ceniza de carbón que contiene mercurio, carbono, exceso de humedad, amoníaco y potencialmente otros metales pesados, a menudo constituye un desafío en cuanto a reciclaje o reutilización. Con frecuencia, la ceniza volante de carbón que contienen más de 65 ppm de amoníaco no se puede utilizar por parte de la industria de hormigón y mezcla preparada sin tener en cuenta los posibles problemas de exposición. La ceniza volante de carbón con más de un 6 % de carbono (medido como % de pérdida por ignición o "LOI") generalmente no se usa en las industrias de hormigón u hormigón premezclado debido al mayor potencial de cuestiones relacionadas con el índice de espuma, problemas de incorporación de aire y cuestiones de moteado. La ceniza volante de carbón con más de un 2 % de humedad generalmente no se usa en aplicaciones de la industria de hormigón premezclado debido a que las especificaciones de ASTM prohíben dicha práctica. En resumen, todos estos problemas inhiben el aumento de reciclaje y reutilización de la ceniza de carbón. Además, en la medida en que dichos desafíos de reciclaje conducen a más fracciones de ceniza de carbón u otros CCR destinados a vertedero o lagunaje, la incapacidad de reciclar o reutilizar los CCR aumenta los posibles problemas normativos o ambientales asociados al vertido o lagunaje.
Los subproductos de combustión de carbón depositados en vertedero o sometidos a lagunaje o los residuos de combustión de carbón, tales como la ceniza de carbón, se pueden reciclar o regenerar a través de diversos procesos denominados generalmente "combustión de carbono". Estas técnicas, sin embargo, presentan varios inconvenientes y desventajas. El proceso de combustión de carbono generalmente se limita al procesado de materiales secos con un contenido de carbono superior a un 9 %. Dichas combustiones a menudo no tienen en cuenta la presencia de mercurio, que se puede liberar a la atmósfera junto con el amoníaco en forma de NOx. Los procesos actuales de combustión de carbono con frecuencia requieren estructuras y equipos estacionarios significativos, lo que hace que estos procesos tengan un coste prohibitivo para aplicaciones industriales potenciales, como cuando se pretende su uso como materiales cementantes suplementarios.
Además, si bien dicha combustión de carbono puede abordar el exceso de carbono o limitar determinados contaminantes, generalmente no aborda la cuestión de los metales pesados, tales como mercurio, que pueden permanecer en la corriente gaseosa tras la combustión de carbono, lo que requiere la aplicación adicional contraproducente de carbono activado con hidrógeno o PAC con el fin de recuperar los metales pesados liberados durante el propio proceso de combustión de carbono. Los procesos de combustión de carbono a menudo generan una fuente de NOx, que tiene la desventaja de contribuir a las emisiones de gases de efecto invernadero o puede liberar mercurio. De hecho, en ciertos casos, la cantidad de NOx o mercurio generado por el proceso de combustión de carbón puede ser similar o equivalente a la cantidad de NOx o mercurio que se pretende eliminar mediante medidas adoptadas cerca del propio punto de combustión de carbón. En tales casos, el punto de emisión de NOx o mercurio simplemente se ha desplazado desde el generador de energía o fuente de combustión de carbón, y se ha concentrado en la instalación de combustión de carbono aguas abajo del mismo.
El documento US 2005/0089460 A1 describe un método para reducir los niveles de mercurio en un material contaminado con mercurio usando energía de microondas. El documento US 2015/0038321 A1 describe un método para tratar carbono activado en forma de polvo (CAP) y/o residuos de combustión de carbón (CCR) mediante calentamiento de al menos uno de un PAC gastado y/o CCR para separar al menos un metal pesado de al menos uno de PAC gastado y/o CCR, con el fin de generar una corriente limpia y una corriente de metales pesados, combinando la corriente de metales pesados con un sulfuro de metal alcalinotérreo soluble en agua para crear una corriente combinada. Y eliminar al menos una parte del al menos un metal pesado de la corriente combinada. El documento WO 2004/108621 A3 describe un proceso para convertir ceniza volante de baja reactividad en un material puzolánico altamente reactivo por medio de calentamiento de la ceniza volante hasta que al menos una parte de la ceniza volante se funde, y a continuación enfriamiento rápido de la ceniza volante.
A la vista de lo anterior, sería ventajoso desarrollar sistemas y métodos de tratamiento de CCR en forma de ceniza de carbón, dando como resultado dichos tratamientos o métodos una ceniza de carbón modificada adecuada para su uso en procesos industriales posteriores.
Sumario
Los sistemas y métodos de tratamiento para carbono activado gastado, carbono activado gastado en forma de polvo (PAC) y/o residuos de combustión de carbón (CCR), tales como ceniza de carbón, se divulgan en la presente memoria. En las reivindicaciones se define un proceso para producir una ceniza de carbón modificada según la presente invención. Las siguientes realizaciones e implementaciones describen aspectos útiles para comprender la invención. En una realización ilustrativa, los sistemas y métodos de tratamiento divulgados en la presente memoria se refieren a la eliminación de mercurio y otros metales pesados de carbono activado gastado que se ha utilizado previamente para la reducción de la contaminación por metales pesados. En otra realización ilustrativa, los sistemas y métodos de tratamiento divulgados en la presente memoria se refieren a la eliminación de mercurio y otros metales pesados de CCR o subproductos tales como ceniza volante, ceniza de fondo y/o yeso sintético. Tanto la ceniza volante como los residuos de desulfuración de gases de combustión (FGD) se han identificado como CCR con el potencial de aumentar las concentraciones de mercurio y/u otros contaminantes.
En otra implementación adicional, el proceso para producir una ceniza de carbón modificada implica recoger una cantidad a granel de dicha ceniza de carbón, generalmente después de que se haya producido o se haya depositado en vertedero, o se encuentre a temperaturas próximas a temperatura ambiente, en contraposición a las temperaturas de operación de la planta de generación energía. La ceniza de carbón recogida generalmente tiene un 12 % de LOI de carbono o menos.
De acuerdo con el proceso a modo de ejemplo, se forma una corriente de ceniza de carbón a partir de la ceniza de carbón recogida, y se elimina al menos un 50 % de carbono de la ceniza de carbón, ocurriendo dicha eliminación en una sublimación no autosostenida de carbono. Esta sublimación se logra sometiendo la corriente de ceniza de carbón a una temperatura de sublimación tal que oscila entre 454 °C (850 °F) y 621 °C (1150 °F), y dicha exposición a temperatura se produce entre aproximadamente 10 minutos y aproximadamente 30 minutos.
Se determina el intervalo de tiempo de exposición de la ceniza de carbón para reducir el valor de LOI desde su nivel inicial hasta un 3 % de carbono o menos. Tras completar el intervalo de tiempo de exposición, la ceniza de carbón se retira de la temperatura de sublimación, formando así una ceniza de carbón modificada. Como resultado del proceso anterior, la ceniza de carbón modificada resulta adecuada para su uso en la industria de cemento u hormigón, tal como el uso de la ceniza de carbón modificada como material cementante suplementario o alimentación de horno.
En una posible implementación, la ceniza de carbón puede comprender ceniza volante de carbón o ceniza de fondo de carbón. En el caso de la ceniza de fondo de carbón, las partículas generalmente tienen un tamaño mayor que 80 micrómetros. En consecuencia, una posible etapa de proceso implicaría pulverizar o tamizar la ceniza de fondo o las partículas de ceniza de carbón antes o después de que hayan pasado a través de diversas etapas de tratamiento anteriores para convertirse en ceniza de carbón modificada. Las operaciones de pulverización o tamizado pueden dar como resultado que un 80 % de las partículas de ceniza de carbón modificada pasen a través de un tamiz de 45 micrómetros.
En una variación de los procesos según la presente divulgación, la cantidad a granel de ceniza de carbón tiene un metal pesado asociado a la misma, y el proceso implicaría etapas de separación de metales pesados de la ceniza de carbón, mediante volatilización de mercurio, al tiempo que se somete la ceniza de carbón a una temperatura de sublimación de 454 °C (850 °F) a 649 °C (1200 °F). El metal pesado, una vez volatilizado, se puede tratar con sulfuro de metal alcalinotérreo o polisulfuro de metal alcalinotérreo.
En otros posibles procesos según la presente divulgación, la ceniza de carbón sujeta a las etapas de tratamiento anteriores está limitada en su exposición al aire a un valor entre 14,16 y 84,95 metros cúbicos (500 y 3000 pies cúbicos) de aire por minuto, durante el tiempo de exposición de la ceniza de carbón a la temperatura de sublimación.
El proceso según la presente divulgación, en determinadas implementaciones, se puede llevar a cabo por medio de un dispositivo de desorción térmica, tal como un recipiente de volatilización rotatorio. La ceniza de carbón recogida se inserta como corriente en dicho recipiente de volatilización rotatorio y se expone a la temperatura de sublimación mencionada con anterioridad. El recipiente de volatilización rotatorio puede comprender un horno rotatorio o un calcinador rotatorio.
El proceso según la presente descripción también puede implicar someter la corriente de ceniza de carbón a un segundo intervalo de temperatura en forma de un intervalo de temperatura de 232 °C (450 °F) a 399 °C (750 °F), siendo dicha temperatura suficiente para transformar el amoníaco que pueda estar presente en la corriente de ceniza de carbón en un gas. La exposición a la temperatura de gasificación dentro del intervalo de 232 °C (450 °F) a 399 °C (750 °F) puede, en determinadas implementaciones, variar por un período de tiempo entre 10 minutos y 20 minutos, escogiéndose el intervalo de exposición de modo que la ceniza de carbón modificada resultante tenga un contenido de amoníaco reducido de 60 PPM o menos.
Un sistema para producir una ceniza de carbón modificada, según la presente divulgación, puede hacer uso de un recipiente de almacenamiento de ceniza de carbón, que tiene un mecanismo de alimentación para suministrar una corriente de ceniza de carbón a partir del mismo. La corriente de ceniza de carbón puede entrar posteriormente, ya sea de forma directa o indirecta, en un calcinador rotatorio que tiene una entrada en comunicación (directa o indirecta) con el mecanismo de alimentación del recipiente de almacenamiento de ceniza de carbón. Según una implementación, el calcinador tiene múltiples zonas de calor independientes, estando dispuestas las múltiples zonas de calor independientes entre la entrada y la salida del calcinador, exponiendo de este modo la corriente de ceniza de carbón a calor indirecto mientras ésta se encuentra en el calcinador, pudiendo variar dicho calor entre las zonas de calor, para incluir ya sea calor suficiente para sublimar carbono, calor para gasificar amoníaco, calor para volatilizar mercurio, o uno o más de los anteriores solos o en combinación. El calcinador en determinadas implementaciones puede tener una tasa de descarga variable que oscila entre 5 y 50 toneladas por hora.
En una posible variación del sistema de la presente divulgación, una unidad de tratamiento puede estar asociada de forma operativa con el dispositivo de desorción, tal como un recipiente de volatilización. La unidad de tratamiento puede estar conectada en comunicación de aire (es decir, neumática) con el horno rotatorio. Cuando el calcinador volatiliza el metal pesado de la ceniza de carbón recibida en el mismo, la unidad de tratamiento recibe una corriente de metal pesado volatilizado en una cámara de tratamiento definida en la unidad de tratamiento. Se puede introducir una disolución de tratamiento, tal como un sulfuro o polisulfuro de metal alcalinotérreo, en la cámara de tratamiento a través de una entrada, en cantidades suficientes para facilitar el contacto con el metal pesado volatilizado y formar un precipitado de metal pesado. De este modo, el sistema no solo se puede usar para reducir el valor de LOI de carbono o las partes por millón de amoníaco contenidas en la ceniza de carbón, sino que también puede reducir la cantidad de mercurio y tratar el mercurio resultante para formar un precipitado de metal pesado.
Estos y otros aspectos de la divulgación se pueden comprender más fácilmente a partir de la siguiente descripción y los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
Una realización del sistema y método de tratamiento de residuos de combustión de carbón y carbono activado se ilustra en la figura del dibujo adjunto que pretende ser un ejemplo no limitante, en el que se pretende que los números de referencia aludan a partes similares o correspondientes, y en la que:
La Figura 1 ilustra un diagrama de una realización de un aparato y métodos relacionados para tratar carbono activado gastado en forma de polvo (PAC) y/o residuos de combustión de carbón (CCR), incluyendo residuos en forma de ceniza de carbón.
Descripción detallada
En la presente memoria se divulgan realizaciones detalladas de la presente invención, sin embargo, se debe comprender que las realizaciones divulgadas son meramente ejemplos de la invención, que se puede realizar de varias formas. Por lo tanto, los detalles funcionales específicos divulgados en la presente memoria no se deben interpretar como limitantes, sino simplemente como base para las reivindicaciones y como base representativa para enseñar a los expertos en la técnica a emplear diversas formas la presente invención.
Un sistema de tratamiento y método para tratar y/o reducir la contaminación de carbono activado en forma de polvo (PAC) y/o residuos de combustión de carbón (CCR) según una realización ilustrativa se describe con referencia a la Figura 1. Como se ilustra en la Figura 1, PAC usado y/o uno o más CCR(s) 21 se pueden recoger a partir de un sistema de recogida de partículas, por ejemplo, un filtro de mangas o un precipitador electrostático (ESP), y se pueden transferir a una unidad de almacenamiento 23, por ejemplo, un silo. Desde la unidad de almacenamiento, PAC y/o CCR(s) usados se transfieren a un recipiente o zona de volatilización 25. Como se ilustra en la Figura 1, PAC y/o CCR(s) usados se transfieren a través del recipiente de volatilización 25 por medio de un tornillo dosificador 27. Los expertos en la materia deben apreciar que la configuración exacta del mecanismo de transporte, ya sea mediante un tornillo dosificador u otro medio, y la configuración de la zona o recipiente de volatilización, así como su relación espacial entre sí, pueden variar dependiendo de la aplicación particular, y de este modo se pueden usar medios o métodos para transferir PAC y/o CCR usado al recipiente de volatilización más allá de lo ilustrado.
Para volatilizar mercurio y/u otros metales pesados capturados en PAC y/o CCR(s) usados, se añade calor a PAC y/o CCR(s) usados, en esta versión en la zona de volatilización 25. Por ejemplo, el punto de ebullición de mercurio es de unos trescientos cincuenta y seis y cincuenta y ocho centésimas de grado Celsius (356,58) o unos seiscientos setenta y tres y ochocientos cuarenta y cuatro milésimas de grado Fahrenheit (673,844), a partir del cual mercurio existe como gas. Los ensayos han demostrado que diversas formas de mercurio se volatilizan a temperaturas mucho más bajas a partir de cien grados centígrados (100) y se miden en un analizador de mercurio.
En una realización ilustrativa, se puede añadir calor a PAC y/o CCR usados en el tornillo dosificador 27, y/o en un recipiente de volatilización que rodea o sigue al tornillo dosificador. Mercurio y otros metales pesados capturados en PAC y/o CCR usados se vaporizan en una corriente de gas 29, generalmente combinada con la atmósfera inerte, dejando una corriente 31 limpia de PAC y/o CCR que se puede eliminar y/o reciclar en el sistema. La aplicación de calor puede variar para adaptarse al proceso o aplicación industrial particular. En una posible implementación, la cantidad de energía térmica gastada se adapta para que sea suficiente para separar mercurio de PAC y/o CCR usados, sin que sea tan excesiva como para desperdiciar energía. En algunas aplicaciones, la temperatura mínima deseable que se debe aplicar es de 356 grados Celsius, que corresponde a la temperatura de sublimación (de sólido a vapor) para mercurio, pero nuevamente, es posible que la separación de mercurio a partir de PAC o CCR usado para algunos procesos se logre con temperaturas más bajas de hasta 150 grados centígrados, o puede suceder más ventajosamente a temperaturas tan elevadas como 500 grados centígrados.
El calor residual o el exceso de calor de uno o más procesos dentro de la planta de generación energía, horno, enfriador u otro proceso industrial se usa para elevar la temperatura de PAC y/o CCR usado hasta el punto de provocar la liberación de metales pesados a partir de PAC y/o CCR usado. En ausencia de calor en exceso o residual, o si dicho calor resulta insuficiente, se puede asociar operativamente una fuente de calor de refuerzo o cualquier otra fuente de calor adecuada, gas, eléctrica o de otro tipo, con el(los) PAC y/o CCR(s) usado(s). El potencial de combustión de PAC y/o CCR(s) existe a altas temperaturas. Por tanto, cuando se calientan PAC y/o CCR usados, en una realización preferida, la zona de volatilización 25 debe ser una atmósfera inerte, por ejemplo, una zona de agotamiento de oxígeno que incorpore un contenido de oxígeno de aproximadamente un dos por ciento (2 %) o menos, o un gas inerte adecuado.
En otra realización ilustrativa, PAC y/o CCR(s) usados se pueden calentar hasta el punto de combustión de carbono. Esto liberará cualesquiera metales pesados, incluido mercurio incorporado, en la corriente de gas que se puede tratar con los reactivos químicos. Esto también tiene como resultado la creación de una ceniza de combustión residual, que se puede recoger y utilizar o desechar.
La corriente de aire o corriente de gas que contiene mercurio vaporizado y otros metales pesados se puede transferir a una unidad de tratamiento. En una realización ilustrativa, una unidad de tratamiento 33 incluye, pero sin limitación, conductos, cámaras y similares. Se inyecta o pulveriza una disolución de tratamiento 35 en la corriente de aire que contiene mercurio vaporizado y/u otros metales pesados para, de este modo, tratar y eliminar al menos parcialmente mercurio y/u otros metales pesados de la corriente de aire. El patrón de pulverización, el tamaño de las gotitas, la tasa de pulverización y otros parámetros de la unidad de tratamiento 33 están seleccionados para lograr los niveles de reducción de mercurio pretendidos para el proceso industrial particular. En una realización ilustrativa, la disolución de tratamiento es una disolución acuosa de pulverización que contiene un sulfuro y/o polisulfuro alcalinotérreo soluble en agua. En una realización, el polisulfuro de metal alcalinotérreo puede ser un polisulfuro de magnesio o un polisulfuro de calcio, y el polisulfuro de metal alcalinotérreo puede estar presente en la disolución en una cantidad de aproximadamente un uno por ciento (1 %) a aproximadamente un veintinueve por ciento (29 %) en agua. En otra realización, el polisulfuro de metal alcalinotérreo es una mezcla de uno o más polisulfuros de magnesio y uno o más polisulfuros de calcio, en la que los polisulfuros están presentes en la disolución en una cantidad de alrededor de un uno por ciento (1 %) a alrededor de un veintinueve por ciento (29 %) en agua.
Los expertos en la técnica deberían apreciar que la cantidad de sulfuro y/o polisulfuro alcalinotérreo en la disolución de tratamiento puede variar fuera de los intervalos anteriormente comentados. En muchas aplicaciones, el objetivo económico puede ser utilizar la menor cantidad de sulfuro y/o polisulfuro alcalinotérreo que resulte operativamente posible. Por ejemplo, la cantidad de sulfuro y/o polisulfuro alcalinotérreo utilizada pueden variar dependiendo de la dispersión en la corriente de aire, la velocidad de la corriente de aire, la concentración de mercurio y otros metales pesados en la corriente de aire y otros parámetros del tipo.
En una realización ilustrativa, la disolución de tratamiento puede incluir uno o más agentes catalizadores que tengan un pH de aproximadamente siete (7) o más, tal como un fosfato adecuado. Sin embargo, los expertos en la técnica deben apreciar que dependiendo del pH de PAC y/o CCR(s) y/o la corriente de aire que contiene mercurio vaporizado y/u otros metales pesados, puede suceder que el agente catalizador no se use.
En otra realización ilustrativa, la disolución de tratamiento puede incluir uno o más tensioactivos, dispersantes y/o hiperdispersantes. En una realización, el tensioactivo, dispersante y/o hiperdispersante está compuesto por uno o más copolímeros de bloques de polietileno-poli(óxido de etileno) y/o sus ésteres de fosfato. La adición de tensioactivo, dispersante y/o hiperdispersante al fluido de tratamiento puede ser opcional. Cuando se incluye el tensioactivo, dispersante y/o hiperdispersante, el tensioactivo, dispersante y/o hiperdispersante se pueden proporcionar en una cantidad suficiente que contribuya a mantener el agente de reacción o el reactivo en el fluido de tratamiento antes de la reacción con el metal(es). Además, la disolución de tratamiento puede incluir sulfuro y/o polisulfuro alcalinotérreo, uno o más tensioactivos, dispersantes y/o hiperdispersantes, y uno o más agentes catalizadores.
En una realización ilustrativa, al tratar la corriente de aire con la disolución de tratamiento, el mercurio vaporizado y/u otros metales pesados precipitan fuera de la corriente de aire y el precipitado se puede filtrar. El precipitado es el residuo procedente del proceso y sistema de tratamiento descritos anteriormente, en forma de mercurio y/u otros metales pesados y contaminantes. Este residuo se puede recoger o filtrar de otro modo por cualquier medio adecuado, en la presente implementación se muestra como un silo de residuos 37. En relación con el manejo de mercurio u otros residuos contaminantes, mercurio recogido y/u otros metales pesados se pueden procesar posteriormente, reciclar o eliminar de otra manera apropiada. Un pequeño filtro de partículas 39, que se muestra aguas abajo del silo 37, se puede usar como parte del proceso de tratamiento de residuos y, en determinadas implementaciones, se puede colocar o configurar de otro modo para capturar la parte de metales pesados de la corriente de gas resultante. Asimismo, se pueden emplear otros implementos y equipos de procesado en relación con los residuos formados por medio del proceso de tratamiento, de manera que mercurio u otros metales pesados sean capturados en forma seca o en forma líquida, como una suspensión, según el proceso industrial, objetivos o cualquier número de parámetros. Mercurio u otros residuos de metales pesados recogidos a través del presente proceso pueden asumir otras características o formas, dependiendo de la aplicación.
A continuación, el aire limpio restante se expulsa a la atmósfera a través de un sistema de recogida de partículas. Cualquier residuo que se capture en el sistema de recogida de partículas se puede devolver al recipiente de almacenamiento.
En una realización ilustrativa, el sistema de tratamiento y el método ilustrados en la Figura 1 se pueden usar para tratar PAC y/o CCR(s) usados de forma continua o no continua para eliminar mercurio y/u otros metales pesados del PAC y/o CCR(s), a medida que aumentan las concentraciones en PAC y/o CCR(s). La base discontinua se puede adaptar a las mediciones de la cantidad de mercurio y/u otros metales pesados tomadas a partir de una o más muestras de PAC y/o CCR(s), o en respuesta a las mismas.
En una realización ilustrativa, el recipiente de volatilización puede adoptar una diversidad de formas, que incluyen, entre otras, conductos, cámaras y otros recipientes de este tipo. El sistema de recogida de partículas puede ser cualquiera de la diversidad de aparatos adecuados para capturar, filtrar o recoger de otro modo polvo procedente de plantas industriales o centrales de generación de energía y otras operaciones diversas. Dada la diversidad de configuraciones posibles de las plantas industriales o de generación de energía, los expertos en la técnica deben apreciar que el sistema de recogida de partículas, así como el aparato o sistema para el tratamiento de PAC y/o CCR(s) usados, se pueden asociar de forma operativa con una o más operaciones de la planta industrial o de generación de energía capaces de recibir material destinado a tratamiento, en cualquier número de ubicaciones adecuadas en relación con los componentes de la planta industrial o planta de generación de energía. En muchas implementaciones posibles, el aparato de tratamiento está asociado operativamente al proceso industrial para recibir PAC y/o CCR(s) usados después del punto de recogida en la instalación, y devolver PAC y/o CCR(s) limpios, antes de su punto de introducción al proceso industrial.
En una posible implementación, el sistema de tratamiento y el método relacionado se utilizan en relación con ceniza de carbón, tal como ceniza de carbón volante o de fondo, y se emplean diversas etapas de procesado y equipos relacionados para producir ceniza de carbón modificada apropiada para su uso como material cementante suplementario. En dicha implementación, la unidad de almacenamiento 23 tiene la forma de un contenedor de almacenamiento de ceniza de carbón.
Se recoge una cantidad a granel de ceniza de carbón y a continuación se almacena en la unidad de almacenamiento 23. Las ceniza de carbón se pueden recoger a partir de cualquier número de fuentes de proceso posteriores a la producción, tal como después de que la ceniza de carbón se haya generado por medio de combustión de carbón en una planta de generación de energía y preferentemente la ceniza de carbón está a una temperatura igual o más próxima a temperatura ambiente, no a las temperaturas de combustión asociadas a las operaciones de la planta de generación de energía. La ceniza de carbón también se pueden recoger a partir de una laguna o vertedero en el que se haya colocado después de haber sido recogida previamente en un sistema de recogida de partículas.
La ceniza de carbón se transforma en una corriente de ceniza de carbón mediante la alimentación adecuada desde la unidad 23 de almacenamiento de ceniza de carbón, a través de un mecanismo de transporte o alimentación, tal como un tornillo dosificador 27 que se muestra en la Figura 1. El mecanismo de transporte o alimentación está adaptado para suministrar la corriente de ceniza de carbón desde el recipiente 23 al recipiente o zona de volatilización 25. Aunque el tornillo dosificador 27 se muestra esquemáticamente en la Figura 1 extendiéndose al interior de la zona de calentamiento 25, otras configuraciones también se encuentran dentro del alcance de la presente divulgación. En una posible configuración, el tornillo dosificador 27 comprende un mecanismo de transporte o alimentación en forma de un alimentador de tipo tornillo que va desde el recipiente de almacenamiento 23, pero dicho alimentador no se extiende hasta el recipiente 25 y en su lugar suministra la corriente de ceniza de carbón a la zona o lado de entrada del recipiente 25 de volatilización rotatorio. Otras configuraciones más para alimentar ceniza de carbón desde el recipiente de almacenamiento 23 a la zona de calor 25 están igualmente dentro del alcance de la presente divulgación, y dichos mecanismos de alimentación no se limitan a un tornillo dosificador.
La ceniza de carbón se puede recibir dentro de un tambor rotatorio de dicho recipiente 25 y se somete a calor indirecto ya que el tambor rotatorio del recipiente 25 está expuesto al calor externo. El recipiente 25 está orientado o adaptado de otro modo para transportar la ceniza de carbón presente en el mismo a través de una o más zonas de calentamiento, después de lo cual la ceniza de carbón abandona el tambor giratorio. En una versión, la ceniza de carbón abandona el tambor rotatorio de un dispositivo de desorción o calcinador rotatorio por medio de otro dispositivo de transporte, tal como una cinta transportadora de tornillo u otro, mostrándose dicho dispositivo de transporte esquemáticamente debajo del recipiente 25 en la Figura 1.
El recipiente o zona de volatilización 25 puede adoptar la forma de un dispositivo de desorción térmica, tal como un horno rotatorio, un calcinador rotatorio u otra forma de recipiente de volatilización rotatorio. El recipiente o zona de volatilización 25 puede estar sujeto a calor directo, es decir, una llama dentro del tambor o cámara que actúa sobre la cantidad de ceniza de carbón recibida dentro del tambor o cámara a través de contacto directo o convección de aire o gas. Alternativamente o, además, la cantidad de ceniza de carbón recibida en el tambor o cámara del recipiente de volatilización 25 se puede someter a calor indirecto, es decir, calor suministrado externamente al tambor o cámara del recipiente de volatilización 25 en el que se recibe la ceniza de carbón.
La ceniza de carbón adecuada para el procesado según la presente divulgación puede tener un LOI que varía dependiendo de cualquier número de factores y, en consecuencia, la cantidad a granel correspondiente o corriente de ceniza de carbón se puede caracterizar mediante un LOI promedio y desviaciones de dicho LOI promedio. Si la cantidad a granel de ceniza de carbón procesada en virtud de la presente proviene de un proceso de producción único o procesos similares o de reservas de carbón únicas o similares, las desviaciones del promedio de LOI de la ceniza de carbón correspondiente pueden ser menores y el proceso puede reflejar una corriente de ceniza de carbón que tenga un valor de LOI más coherente a través de la cantidad a granel que se está procesando.
La ceniza de carbón que tiene un LOI mayor que un 9 % se puede procesar según la presente divulgación y, durante dicho procesado, la totalidad o una parte de dicha ceniza de carbón puede experimentar una reacción de combustión autosostenida que elimine el carbono de la misma. En una posible implementación, el procesado de ceniza de carbón que induce dicha combustión autosostenida se puede lograr de manera eficiente y efectiva dentro de un recipiente 25 de volatilización rotatorio que tiene una velocidad de descarga que oscila entre 5 y 50 toneladas por hora, y dicho recipiente puede ser del tipo que expone la corriente de ceniza de carbón a calor indirecto, como se ha comentado con anterioridad. La ceniza de carbón que tienen un valor de LOI de carbono de un 9 % o menos también se puede procesar según la presente divulgación, provocando generalmente dicho valor de LOI que la ceniza de carbón sea difícil o inapropiada para la combustión autosostenida. Para tales intervalos de LOI, la corriente de ceniza de carbón se puede recibir en el dispositivo de desorción térmica, tal como un horno rotatorio o un calcinador rotatorio en la presente implementación, y se somete a al menos una zona de temperatura que oscila entre 454 °C (850 °F) y 649°C (1200 °F). La presente exposición de temperatura tiene lugar durante un tiempo de exposición dentro de un intervalo entre 10 minutos y 30 minutos, para exponer la ceniza de carbón a una sublimación de carbono no autosostenida. Esta sublimación contrasta con la combustión autosostenida comentada con anterioridad.
En una implementación preferida, el tiempo de exposición del proceso reduce el valor de LOI de la ceniza de carbón de un valor entre un 3 % y un 9 % a un 3 % o menos. El recipiente de volatilización rotatorio, tal como el horno rotatorio o el calcinador rotatorio, utiliza calor indirecto y dicho recipiente puede estar separado de los hornos de proceso industriales subyacentes. Como tal, una implementación del proceso divulgado reduce ventajosamente el valor de LOI de ceniza de carbón sin requerir hornos rotatorios de fabricación de cemento u otros hornos de proceso industrial de calor directo que transporten material en presencia de combustión real. Además, los recipientes rotatorios de volatilización de calor indirecto de la presente implementación permiten un mayor control de las zonas de calentamiento en términos de temperatura y tiempos de exposición.
Según un posible proceso, la corriente de ceniza de carbón se somete a una temperatura de sublimación indirecta que varía entre 454 °C (850 °F) y 649 °C (1200 °F), y el intervalo de exposición puede estar seleccionado para eliminar en menos un 50 % del carbono de la ceniza de carbón, reduciendo el valor de LOI de la ceniza de carbón a un 3 % o menos, de modo que resulte apropiado como material cementante suplementario en forma de ceniza de carbón modificada.
Se realizaron las siguientes demostraciones, de acuerdo con la divulgación descrita con anterioridad. Se procesó ceniza volante de carbón que no es adecuada para su uso como material cementante debido a la cantidad de amoníaco presente en la ceniza. Esta misma ceniza tampoco resultó apta para su uso como materia prima de horno de cemento debido a las concentraciones de mercurio. Además, el proceso también se utilizó para reducir el valor de LOI de la ceniza, lo que hace de ella un producto más apto para comercialización con vistas a la industria de hormigón. Los resultados del ensayo se muestran en la tabla siguiente:
Tabla 1
Figure imgf000008_0001
Además, esta misma ceniza se usó luego para demostrar el desempeño en hormigón. Esos resultados se muestran a continuación.
Tabla 2
Figure imgf000008_0002
Los compuestos recogidos en la Tabla 2, específicamente, los compuestos N2.1-3, comprenden ceniza de carbón modificada que tiene un valor de LOI de carbono por debajo de un 3 por ciento, amoníaco por debajo de 60 ppm y mercurio por debajo de 100 PPB. Según lo indicado por PSI, SAI, Requerimiento de agua y Aire para el 18 % de la Tabla 2, el proceso para producir la ceniza de carbón modificada se logró sin exposiciones o condiciones inseguras, y sin comprometer la idoneidad de la ceniza de carbón modificada resultante para otros fines. Como tal, la ceniza generada está intacta y lista para ser usada, por ejemplo, como material cementante que cumple con todos los requisitos necesarios de ASTM y de mercado.
La ceniza volante de carbón, cuando se procesa según la presente implementación, puede dar como resultado ceniza de carbón modificada caracterizada por un 80 % de las partículas de ceniza de carbón modificada que pasa a través de un tamiz de 45 micrómetros, característica que se logra sin etapas adicionales de pulverización o tamizado. En el caso de ceniza de fondo u otra ceniza de carbón que tenga partículas de más de 80 micrómetros, la presente implementación puede incluir etapas adicionales de pulverización o tamizado, ya sea la ceniza de carbón recogida antes de sus etapas de tratamiento, o la realización de dichas etapas en la ceniza de carbón modificada resultante después del tratamiento que se ha indicado con anterioridad.
Los sistemas y métodos de la presente divulgación pueden exponer la ceniza de carbón a uno o más intervalos de calor durante uno o más intervalos de tiempo, para eliminar componentes indeseables de la ceniza de carbón y producir ceniza de carbón modificada sin las desventajas asociadas de dichos componentes indeseables. Además de reducir el valor de LOI de carbono por debajo de un 3 %, la ceniza de carbón puede estar sujeta a una temperatura de 232 °C (450 °F) a 399 °C (750 °F), y durante un período de tiempo que oscila entre 10 minutos y 20 minutos, el período de tiempo seleccionado para reducir el amoníaco, que puede estar presente en la ceniza de carbón, siendo la reducción tal que la ceniza de carbón modificada tenga 60 PPM o menos de amoníaco incorporado. La exposición al calor en los intervalos de temperatura mencionados anteriormente hace que amoníaco presente en la corriente de ceniza de carbón se gasifique y da como resultado la producción de óxidos y otros efluentes, que se pueden tratar para reducir los riesgos de exposición. Estos mismos gases que pasan por el sistema de tratamiento dan como resultado emisiones de N2 frente a NOx.
En determinadas implementaciones, los procesos descritos anteriormente pueden incluir la limitación de exposición de la ceniza de carbón a entre 11,33 y 84,95 metros cúbicos (400 y 3000 pies cúbicos) de aire por minuto. Esta limitación a la exposición al aire se puede lograr ventajosamente cuando el recipiente de volatilización 25 tiene forma de calcinador rotatorio. La limitación de exposición al aire anterior puede mejorar la eficiencia del procesado, especialmente cuando las etapas de eliminación de carbono se combinan con etapas de tratamiento para eliminar el mercurio volatilizado, tal como por medio de una unidad de tratamiento 25 que se muestra en la Figura 1.
Cuando se pretende eliminar mercurio de la ceniza de carbón, tal como reducir el mercurio de más de 200 PPB a menos de 100 PPB, se ha descubierto que la corriente de ceniza de carbón aprovecha la exposición a la temperatura de sublimación dentro del intervalo de 343-454 °C ( 650 - 850 °F), preferentemente con una temperatura objetivo o promedio de alrededor de 356 °C (672 °F), es decir, la temperatura de sublimación de sulfuro de mercurio, y durante un tiempo de exposición que oscila entre 20 y 30 minutos. En un posible protocolo, la corriente de ceniza de carbón se expone en primer lugar a una temperatura de sublimación de 510 °C (950 °F) a 621 °C (1150 °F) durante 10 minutos, con el fin de reducir el porcentaje de LOI de carbono al comienzo de la operación, y a continuación se expone la corriente de ceniza de carbón a la temperatura de gasificación más baja de 343 °C (650) a 454 °C (850 °F), con el fin de volatilizar mercurio y de 232 °C (450 °F) a 399 °C (750 °F) para gasificar amoníaco, teniendo lugar dichas exposiciones a temperaturas más bajas durante un período de tiempo que varía de 10 a 20 minutos adicionales más allá de los 10 minutos iniciales utilizados para la sublimación de carbono.
Además de los intervalos de temperatura y los tiempos de exposición divulgados anteriormente, la rotación del recipiente 25 de volatilización rotatorio hace girar el CCR, tal como la ceniza de carbón, contenido en el mismo. Como tal, CCR/ceniza de carbón está expuesto no solo al entorno calentado del recipiente 25 sino también a la corriente de gas portadora de la gasificación de metales pesados y/o amoníaco. El oxígeno de dicha corriente de gas contribuye a la sublimación (o combustión) de carbono al entrar en contacto con carbono, contribuyendo a la reducción del porcentaje de LOI. Se puede variar aún más la rotación del recipiente 25, dependiendo de la aplicación, para lograr el valor deseado de LOI u otras características del recipiente 25 de salida de ceniza de carbón modificada. Las velocidades de rotación adecuadas pueden oscilar entre 1/2 RPM y 10 RPM dependiendo del diseño de recipiente y, según se requiera, para alcanzar los tiempos de retención deseados. Se aprecia que se proporcionan uno o más orificios, canales o conductos de escape (mostrados esquemáticamente en 29) en comunicación con el recipiente rotatorio de volatilización para el transporte, para tratamiento posterior según sea necesario, de amoníaco gasificado, mercurio volatilizado u otros componentes aéreos formados durante el tratamiento de la ceniza de carbón modificada siguiente.
El funcionamiento del sistema y los procesos relacionados según la presente divulgación resultan fácilmente evidentes a partir de la descripción anterior. En una posible implementación, la ceniza de carbón, incluida la ceniza volante y/o la ceniza de fondo, se recogen a granel y se someten a calor de sublimación, preferentemente de naturaleza indirecta, y con una temperatura mayor que 454 °C (850 °F) y menor de 649 °C (1200 °F). En una implementación particular, la ceniza de carbón recogida se inserta en un calcinador rotatorio como corriente de ceniza de carbón y se expone a un intervalo de temperatura mayor que 482 °C (900 °F) y menor que 621 °C (1150 °F) como se muestra en la Tabla 3 a continuación. En otra implementación más, la temperatura se mantiene dentro de 50 °F (10 °C) de un promedio de 510 °C (950 °F).
Tabla 3
Figure imgf000010_0001
El proceso según la presente divulgación puede incluir etapas opcionales adicionales. Así, en un enfoque, se pueden determinar o estimar las temperaturas objetivo para una ceniza particular antes de someter la cantidad total de ceniza de carbón o corriente de ceniza de carbón a las etapas de calentamiento o tiempos de exposición a los que se hace referencia en la presente memoria. Dicha determinación o estimación anticipada puede implicar la aplicación de una escala de temperatura para someter a calentamiento las muestras de la corriente de ceniza de carbón objeto de procesado, a una pluralidad de temperaturas específicas y mantener dichas temperaturas, durante un período de 30 a 60 minutos. El valor de LOI para cada ceniza se somete a ensayo antes y después de cada etapa específica de temperatura, siendo dichas etapas, por ejemplo, incrementos de entre 10 y 38 °C (50 y 100 grados Fahrenheit). El cambio de LOI en las diferentes etapas comprende datos que se pueden usar para apuntar o estimar una temperatura dentro del intervalo de 454°C (850 °F) a 649 °C (1200 °F) para lograr una reducción deseada de LOI para la ceniza de carbón modificada que se va a producir. Además, es posible que dicha escala de temperatura pueda determinar si una ceniza particular resulta apropiada para el procesado divulgado en la presente memoria.
El calor, según la presente implementación, ya sea directo o indirecto, se puede limitar a una temperatura máxima para mantener el recipiente de volatilización rotatorio, tal como el calcinador rotatorio, sustancialmente exento de silicatos fundidos. La formación de dichos componentes fundidos no resulta deseable e interfiere con los procesos de reducción de carbono asociados al tratamiento de la ceniza de carbón y la producción de ceniza de carbón modificada apropiada para su uso como material cementante suplementario.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Un proceso para producir una ceniza de carbón modificada, comprendiendo el proceso:
    recoger una cantidad a granel de ceniza de carbón, habiéndose generado previamente la ceniza de carbón por medio de combustión de carbón, teniendo la ceniza de carbón un 9 % de Pérdida por Ignición de carbono o menos; formar la ceniza de carbón recogida en una corriente de ceniza de carbón;
    seleccionar un intervalo de tiempo de exposición a sublimación para reducir la Pérdida por Ignición de la ceniza de carbón a un 3 % o menos, en el que el intervalo seleccionado de tiempo de exposición a sublimación está entre 10 y 30 minutos;
    eliminar al menos un 50 % de carbono de la ceniza de carbón en una sublimación de carbono no autosostenida, sometiendo la corriente de ceniza de carbón a un calor de sublimación procedente de una planta de generación de energía, horno o enfriador que varía entre 454 °C (850 °F) y 649 °C (1200 °F) y durante el intervalo de tiempo seleccionado de exposición a sublimación; y
    retirar la corriente de ceniza de carbón del calor de sublimación tras completar el intervalo seleccionado de tiempo de exposición a sublimación para formar una ceniza de carbón modificada.
  2. 2. - El proceso de la reivindicación 1, en el que la ceniza de carbón comprende ceniza de fondo caracterizada por tener partículas mayores que 80 micrómetros, y que además comprende pulverizar o tamizar al menos una de la ceniza de carbón recogida y la ceniza de carbón modificada, para formar partículas de ceniza de carbón modificada caracterizadas por que un 80 % de las partículas de ceniza de carbón modificada pasan a través de un tamiz de 45 micrómetros.
  3. 3. - El proceso de la reivindicación 1, en el que la etapa de recogida comprende recoger una cantidad a granel de ceniza de carbón que tiene un metal pesado asociado, y que comprende además las etapas de separar el metal pesado de la ceniza de carbón por medio de volatilización del metal pesado mientras se somete la ceniza de carbón a calor de sublimación, y tratar el metal pesado volatilizado con al menos un sulfuro de metal alcalinotérreo o un polisulfuro de metal alcalinotérreo.
  4. 4. - El proceso de la reivindicación 1, que además comprende la etapa de limitar la exposición de la ceniza de carbón a un valor entre 11,33 y 84,95 metros cúbicos (400 y 3000 pies cúbicos) de aire por minuto durante el intervalo seleccionado de tiempo de exposición a sublimación.
  5. 5. - El proceso de la reivindicación 1, que comprende además la etapa de insertar la ceniza de carbón recogida en un recipiente de volatilización rotatorio.
  6. 6. - El proceso de la reivindicación 5, en el que la etapa de insertar la ceniza de carbón recogida en el recipiente de volatilización rotatorio comprende insertar la corriente de ceniza de carbón en uno de un horno rotatorio y un calcinador rotatorio.
  7. 7. - El proceso de la reivindicación 1, en el que la etapa de recogida comprende recoger una cantidad a granel de ceniza volante de carbón.
  8. 8. - El proceso de la reivindicación 1, en el que la etapa de recogida comprende recoger una cantidad a granel de ceniza de carbón que tiene de un 6 % a un 9 % de Pérdida por Ignición de carbono y 60 ppm o más de amoníaco.
  9. 9. - El proceso de la reivindicación 8, en el que el proceso comprende además:
    después de someter la corriente de ceniza de carbón a calor de sublimación durante el intervalo seleccionado de tiempo de exposición a sublimación, exponer la corriente de ceniza de carbón a un calor de gasificación que tiene una temperatura de 232 °C (450 °F) a 399 °C (750 °F) durante un período de tiempo que oscila entre 10 minutos y 20 minutos, en el que el período de tiempo está seleccionado para reducir el amoníaco de la ceniza de carbón modificada a 60 ppm o menos.
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