Triboelectrostatic Beneficiation of Land Filled and Ponded Fly Ash

PREPRINT- article à paraître dans la cendre ACAA au travail, Question II 2015

Beneficiation triboélectrostatique de

Cendres volantes remplies de terres et pondées

Par Lewis Baker, Abhishek Gupta, Stephen Gasiorowski, et Frank Hrach

L'Association de cendres de charbon américain (ACAA) enquête annuelle sur la production et l'utilisation de cendres volantes de charbon les rapports entre 1966 et 2011, plus de 2.3 milliards de tonnes courtes de cendres volantes ont été produites par des chaudières de services publics au charbon.1 De ce montant, environ 625 millions de tonnes ont été utilisées avantageusement, surtout pour la production de ciment et de béton. Cependant, les autres 1.7+ milliards de tonnes se trouvent principalement dans les décharges ou rempli les réservoirs de retenue s'est accumulées. Alors que le taux d'utilisation des produits fraîchement cendres volantes ont considérablement augmenté ces dernières années, avec les taux actuels près de 45%, environ 40 millions de tonnes de cendres volantes continuent d'être mis au rebut chaque année. Alors que le taux d'utilisation en Europe ont été beaucoup plus élevés aux États-Unis., des volumes considérables de cendres volantes ont également été stockés dans des décharges et des mises en fourrière dans certains pays européens.

Récemment, l’intérêt de récupérer ce matériel éliminé a augmenté, en partie en raison de la demande de cendres volantes de haute qualité pour la production de béton et de ciment pendant une période de production réduite, la production d’électricité au charbon a diminué en Europe et en Amérique du Nord.. Les préoccupations concernant l’impact à long terme sur l’environnement de ces sites d’enfouissement incitent également les services publics à trouver des applications d’utilisation bénéfiques pour ces cendres stockées..

QUALITÉ DES CENDRES REMPLIES DE TERRES ET BIENVEILLANCE REQUISE

Bien qu’une partie de ces cendres volantes stockées puissent être utilisées comme, la grande majorité exigera un traitement pour répondre aux normes de qualité pour la production de ciment ou de béton. Puisque le matériau a été généralement mouillé pour permettre la manipulation et le compactage tout en évitant la production de poussière en suspension dans l’air, le séchage et la désagglomeration est une exigence nécessaire pour une utilisation dans le béton puisque les producteurs de béton voudront poursuivre la pratique de l’ennegage de la mouche comme un, poudre fine. Cependant, assurer la composition chimique de la cendre répond aux spécifications, notamment la teneur en carbone mesurée en perte d’allumage (LOI), est un plus grand défi. Comme l’utilisation des cendres volantes a augmenté au cours de la dernière 20+ années, la plupart des cendres « n spec » a été utilisée de façon bénéfique, et les cendres hors-qualité éliminés. Ainsi, La réduction de la loi sera une exigence pour l’utilisation de la grande majorité des cendres volantes récupérables des fourrières d’utilité.

RÉDUCTION DE LOI PAR SÉPARATION TRIBOÉLECTRIQUE

Alors que d’autres chercheurs ont utilisé des techniques de combustion et des procédés de flottaison pour la réduction de la loi de la cendre de mouche récupérée et, ST Equipment & Technologies (STET) a constaté que son système unique de séparation de la ceinture triboélectrostatique, longtemps utilisé pour la valorisation des cendres volantes fraîchement générées, est également efficace sur les cendres récupérées après séchage approprié et désagglomeration.

Des chercheurs de STET ont testé le comportement de séparation triboélectrostatique des cendres séchées en décharge provenant de plusieurs décharges de cendres volantes dans les Amériques et en Europe. Cette cendre récupérée s’est séparée de façon très similaire aux cendres fraîchement générées avec une différence surprenante: la charge des particules a été inversée par rapport à celle des cendres fraîches avec le carbone charge négatif par rapport au minéral.2 D’autres chercheurs de la séparation électrostatique du carbone de cendre mouche ont également observé ce phénomène.3,4,5 La polarité du séparateur triboélectrostatique STET peut facilement être ajustée pour permettre le rejet du carbone chargé négativement des sources de cendres volantes séchées en décharge. Aucune modification particulière à la conception ou aux commandes du séparateur n’est nécessaire pour tenir compte de ce phénomène.

PRÉSENTATION DE LA TECHNOLOGIE – SÉPARATION DE CARBONE DE CENDRES VOLANTES

Dans le séparateur de carbone STET (Figure 1), matériel est nourri dans la mince écart entre deux électrodes planes parallèles. Les particules sont facturés triboelectrically par contact entre. Le carbone chargé positivement et négativement chargé minéral (dans les cendres fraîchement généré qui n'a pas été humidifié et séché) sont attirés par les face à électrodes. Les particules sont ensuite emportés par une ceinture de mouvement continue et transportés dans des directions opposées. La ceinture déplace l'adjacent à chaque électrode vers les extrémités opposées du séparateur de particules. La vitesse de bande élevée permet également à des débits très élevés, up to 36 tonnes / heure sur un seul séparateur. Le petit écart, domaine haute tension, courant de compteur, l’agitation vigoureuse des particules et l’action autonettoyante de la ceinture sur les électrodes sont les caractéristiques critiques

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du séparateur STET. En contrôlant les divers paramètres du procédé, comme la vitesse du tapis, point d'alimentation, et le taux d'alimentation, le processus STET produit cendres LOI faible contenu carbone de moins de 1.5 À 4.5% d'alimentation des cendres volantes dont la LOI de 4% à plus 25%.

Fig. 1 Traitement du séparateur STET séché, cendres volantes en décharge

La conception du séparateur est relativement simple et compact. Une machine conçue pour traiter 40 tonnes par heure est d’environ 30 ft. (9 M.) long, 5 ft. (1.5 M.) large, et 9 ft., m (2.75 M.) haute. La courroie et les galets associés sont les seules parties mobiles. Les électrodes sont stationnaires et composé d'un matériau approprié résistant. La ceinture est faite de plastique non conducteur. Du séparateur puissance est sur 1 kilowatt-heure par tonne de matière traitée avec la plus grande partie de l'énergie consommée par deux moteurs de la courroie.

Le processus est entièrement sec, ne nécessite aucun matériel supplémentaire autre que les cendres volantes et ne produit aucune émission des déchets de l'eau ou l'air. Les matériaux récupérés sont constitués de ramener en teneur en carbone à un niveau approprié pour l'usage comme un adjuvant pouzzolanique dans le béton de cendres volantes, et une fraction riche en carbone utile comme combustible. Utilisation de deux flux de produits fournit un 100% solution aux problèmes d'élimination des cendres volantes.

PROASH® RÉCUPÉRÉ DES REMPLISSAGES DE TERRES

Quatre sources de cendres ont été obtenues à partir des décharges: échantillon A d’une centrale électrique située au Royaume-Uni et échantillons B, C, et D des États-Unis. Tous ces échantillons se composaient de cendres provenant de la combustion du charbon bituminous par les grandes chaudières. En raison de l’imbrication de matériaux dans les décharges, aucune autre information n’est disponible concernant des conditions spécifiques de source de charbon ou de combustion.

Les échantillons reçus par STET contenus entre 15% et 27% l’eau comme c’est le cas pour les matières en décharge. Les échantillons contenaient également des quantités variables de >1/8 pouces (~3 mm) Matériel. Préparer les échantillons à la séparation du carbone, les gros débris ont été enlevés par criblage et les échantillons ont ensuite séchés et désagrémisés avant la valorisation du carbone. Plusieurs méthodes de séchage/désagglomeration ont été évaluées à l’échelle pilote afin d’optimiser le processus global. STET a sélectionné un, système de traitement des aliments pour animaux qui offre le séchage et la désagglomeration simultanés nécessaires à une séparation électrostatique efficace. Une feuille de débit générale du processus est présentée dans figure 2.

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Figure 2: Diagramme de flux de processus

Les propriétés des échantillons préparés se trouvaient bien dans la fourchette des cendres volantes obtenues directement à partir de chaudières utilitaires normales.. Les propriétés les plus pertinentes pour les flux séparateurs et les produits sont résumées dans tableau 2 avec le produit récupéré.

SÉPARATION DU CARBONE

Les essais de réduction du carbone à l’aide du séparateur de ceinture triboélectrique STET ont permis de récupérer très bien les produits à faible teneur en eau de l’eau provenant des quatre sources de cendres volantes des décharges.. La charge inversée du carbone, telle que discutée ci-dessus, n’a pas dégradé la séparation de quelque façon que ce soit par rapport au traitement des cendres fraîches.

Les propriétés des cendres volantes à faible valeur de loi récupérées à l’aide du procédé STET pour les cendres fraîchement recueillies de la chaudière et les cendres récupérées dans la décharge sont résumées dans le tableau 1. Les résultats montrent que la qualité du produit pour ProAsh® produit à partir de matières mises en décharge est équivalent à un produit produit à partir de sources de cendres volantes fraîches.

Tableau 1: Propriétés du flux et de proash récupéré®.

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PERFORMANCE EN BÉTON

Les propriétés du ProAsh® produits à partir du matériel d’enfouissement récupéré ont été comparés à celui de ProAsh® produits à partir de cendres volantes fraîches générées par les chaudières utilitaires à partir du même endroit. Les cendres récupérées traitées répondent à toutes les spécifications des normes ASTM C618 et AASHTO M250. Le tableau suivant résume la chimie des échantillons provenant de deux des sources montrant la différence insignifiante entre le matériau frais et le matériau récupéré..

Tableau 2: Chimie des cendres des cendres faibles de loi.

Développement de la force d’un 20% substitution de la faible LOE mouche cendres dans un mortier contenant 600 lb cementitious/ yd3 (Voir le tableau 3 ci-dessous) a montré le ProAsh® produit dérivé de mortiers de cendres en décharge avec une résistance comparable à celle des mortiers produits à l’aide de ProAsh® à partir de cendres volantes fraîches produites au même endroit. Le produit final de la cendre récupérée bénéficiéficiée soutiendrait des utilisations haut de gamme dans l’industrie du béton compatible avec la position très précieuse ProAsh® bénéficie sur les marchés qu’il dessert actuellement.

Tableau 3: Résistance compressive des cylindres de mortier.

ÉCONOMIE DE PROCESSUS

La disponibilité du gaz naturel à faible coût aux États-Unis améliore considérablement l’économie des procédés de séchage, y compris le séchage des cendres de mouche mouillées des décharges. Tableau 4 résume les coûts de carburant pour les opérations aux États-Unis pour 15% et 20% teneur en humidité. Les inefficacités typiques du séchage sont incluses dans les valeurs calculées. Les coûts sont basés sur la masse des matériaux après séchage. Les coûts différentiels pour le séchage des cendres volantes pour le traitement de séparation triboélectrostatique STET sont relativement faibles.

Tableau 4: Coûts de séchage sur la base de la masse séchée.

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Même avec l’ajout de coûts de séchage des aliments pour animaux, le processus de séparation STET offre un faible coût, industriellement prouvé, processus de réduction de la loi de cendres volantes mises en décharge. Le procédé STET pour les cendres volantes récupérées représentent un tiers à la moitié du coût en capital par rapport aux systèmes à combustion. Le procédé STET pour les cendres volantes récupérées a également des émissions significativement plus faibles dans l’environnement par rapport aux systèmes de combustion ou de flottaison. Étant donné que la seule source d’émission d’air supplémentaire à l’installation standard du procédé STET est un séchoir au gaz naturel, permis serait relativement simple.

VALEUR DE CARBURANT RÉCUPÉRÉ DES CENDRES VOLANTES DE HAUTE TENEUR EN CARBONE

En plus du produit de faible teneur en carbone pour une utilisation dans le béton, tout nommé ProAsh®, la séparation de STET traiter également récupère autrement gaspillée de carbone non brûlé sous forme de cendres volantes riches en carbone, EcoTherm marque™. EcoTherm™ a valeur de carburant significative et peuvent facilement être retournées à la centrale électrique à l’aide de la STET EcoTherm™ Système de retour pour réduire l’utilisation de charbon à l’usine. Lorsque EcoTherm™ est brûlé dans la chaudière de l’utilitaire, l'énergie de combustion est converti en haute pression / vapeur à haute température et ensuite à l'électricité à la même efficacité que le charbon, en général 35%. La conversion de l'énergie thermique récupérée en électricité dans ST Equipment & Technologie LLC EcoTherm™ Système de retour est deux à trois fois supérieur à celui de la technologie compétitive où l’énergie est récupérée comme la chaleur sous forme d’eau chaude qui circule dans la chaudière eau système d’alimentation. EcoTherm™ est aussi utilisé comme une source d’alumine dans les fours à ciment, déplaçant la bauxite plus cher qui est habituellement transporté longues distances. Utilisant le carbone haut EcoTherm™ cendres dans une centrale électrique ou un four à ciment, maximise la récupération de l'énergie provenant du charbon livré, réduisant le besoin d'extraire et de transporter le carburant supplémentaire aux installations.

État s Talen énergie Brandon rives, SMEPA R.D. Morrow, NBP Belledune, Didcot npower, EDF Energy West Burton, RWEnpower Aberthaw, et la Corée du Sud-Est Power usines de cendres volantes comprennent tous EcoTherm™ Systèmes de retour.

INSTALLATIONS DE TRAITEMENT DES CENDRES STET

Le processus de séparation de STET a été utilisé 1995 pour la bienveillance des cendres volantes et a généré plus de 20 millions de tonnes de cendres volantes de haute qualité pour la production de béton. Vol à faible loi contrôlé ProAsh®, est actuellement produite avec la technologie de STET dans onze centrales électriques à travers les États-Unis., Canada, au Royaume-Uni., Pologne, et République de Corée. ProAsh® cendres volantes a été approuvé pour une utilisation par les autorités plus de vingt de route de l’état, ainsi que de nombreuses autres agences de la spécification. ProAsh® a également été certifié par l’Association canadienne de normalisation et EN 450:2005 normes de qualité en Europe. Installations de traitement des cendres en utilisant la technologie STET sont répertoriées dans le tableau 5.

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Tableau 5. Installations de traitement des cendres volantes à l’aide de la technologie de séparation STET

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CONCLUSIONS

Après un scalping approprié de gros matériaux, Séchage, et désagglomeration, les cendres volantes récupérées dans les décharges des centrales électriques peuvent être réduites en teneur en carbone à l’aide du séparateur de ceinture triboélectrique STET commercialisé. La qualité du produit de cendres volantes, ProAsh® l’utilisation du système STET sur les matières d’enfouissement récupérées équivaut à ProAsh® produit à partir de cendres volantes fraîches. Le ProAsh® produit est très bien adapté et prouvé dans la production de béton. La récupération et la valorisation des cendres enfouies fourniront un approvisionnement continu en cendres de haute qualité pour les producteurs de béton en dépit de la réduction de la production de cendres « fraîches » à mesure que les services publics au charbon réduisent la production. Plus, Les centrales électriques qui doivent retirer les cendres des sites d’enfouissement pour faire face à l’évolution des réglementations environnementales seront en mesure d’utiliser le processus pour transformer une responsabilité en matière première de déchets en une matière première précieuse pour les producteurs de béton. Le processus de séparation STET avec équipement de pré-traitement des aliments pour animaux pour le séchage et la désagr cité des cendres volantes est une option intéressante pour la valorisation des cendres avec des coûts nettement inférieurs et des émissions plus faibles par rapport à d’autres systèmes de combustion et de flottaison.

RÉFÉRENCES

[1]Produits de Combustion de charbon américain charbon Ash et statistiques sur l'usage: http (en)://www.acaa- usa.org/Publications/Production-Use-Reports.

[2]Rapport interne st, August 1995.

[3]Li,T.X,. Schaefer, J.l., Interdiction, H., Neathery, J.k., et Stencel, J.m. Traitement de la beneficiation sèche des cendres volantes de combustion, Actes de la Conférence du DOE sur le carbone non brûlé sur les cendres volantes des services publics, May 19 20, Pittsburgh, Pa, 1998.

[4]Baltrus, J.p., Diehl, J.r., Soong, Y., Sables, W. Séparation triboélectrostatique des cendres volantes et inversion de charge, Carburant 81, (2002) pp.757-762.

[5]Cangialisi, F., Notarnicola, M., Liberti, L, STENCEL, J. Le rôle de l’utilisation de l’aération sur la distribution de la charge de cendres volantes pendant la valorisation triboélectrostatique, Journal of Hazardous Materials, 164 (2009) pp.683-688.

Auteurs

Lewis Baker est le responsable européen du support technique chez ST Equipment & Technology (STET) basé au Royaume-Uni

Abhishek Gupta est ingénieur de processus basé à l’usine pilote et au laboratoire de Separation Technologies., Centre technique STET, 101 Avenue Hampton, MA Needham 02494 +1-781-972-2300

Dr. Stephen Gasiorowski, Doctorat. est chercheur principal pour ST Equipment & Technology (STET) basé dans le New Hampshire.

Frank Hrach est vice-président de l’ingénierie des processus basé à l’usine pilote et à l’installation de laboratoire de Separation Technologies, Centre technique STET, 101 Avenue Hampton, MA Needham 02494 +1-781-972-2300