本申请要求于2014年6月4日提交的美国临时申请号62/007,922以及于2014年7月25日提交的美国临时申请号62/029,418的权益，出于所有目的将这些申请各自的全部内容通过援引的方式并入本申请。
发明的技术领域
本发明涉及含钠粉煤灰的稳定，其中该含钠粉煤灰是在利用钠基吸附剂污染控制系统的燃烧过程中，特别是在用于发电的煤燃烧过程中利用包含碳酸钠、碳酸氢钠、和/或倍半碳酸钠(或天然碱)的干吸附剂的燃烧过程中提供的。
发明背景
美国的排放法规已经通过添加排放控制物导致煤基发电厂的改变。
在燃煤系统中的煤燃烧的过程中，产生燃烧产物/副产物并且夹带在排气(有时称为烟道气)中。这些燃烧副产物包括包含轻质微粒物质的粉煤灰；以及气态化合物如二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、盐酸(HCl)、以及氢氟酸(HF)。这些气态燃烧副产物如果排放到大气中可能成为空气污染物。控制SO2/SO3的排放量(通常称为‘SOx’排放量)和HCl/HF的排放量要求在将烟道气释放到环境中之前将这些气态化合物从烟道气中除去。许多材料已被用于处理烟道气。这些材料的物理性质从湿式涤气到注入干粉状材料各不相同并且取决于所使用的整个污染控制处理系统。
气态燃烧副产物通常是酸性的，并且因此用于将它们从烟道气中除去(“洗涤”)的浆料或干材料是碱性的。用于烟道气脱硫的湿去除系统(称为‘洗涤器’)典型地利用石灰基试剂(例如，氧化钙)或石灰石的水性浆料以在洗涤器内中和从烟道气的溶解和后续氧化产生的亚硫酸和/或硫酸。发生在使用CaCO3(石灰石)浆料或石灰基浆料(Ca(OH)2)湿式洗涤SO2中的反应产生CaSO3(亚硫酸钙)。
当使用采用石灰石浆料或石灰基试剂的湿式洗涤器时，产生大量废产物并且其必须搬运离开进行处置。这种惯例在位于垃圾填埋空间是充足的区域的发电厂之间是常见的或者是成本效益的处置替代方案。随着NAAQS、CSAPR、区域雾霾、同意令、以及许可的SO2控制在不适合湿式洗涤的设施处变得更加广泛，使用钠吸附剂的干吸附剂注射(DSI)技术代表成本效益的解决方案。灰沥滤液问题是一个问题并且虽然很多用户没有困难地填埋具有高钠含量的灰，存在一些其中灰处理可能是有益的情况。
最近，其他碱性材料已经代替或除了石灰基试剂和石灰石之外得到接受，这些材料提供了在烟道气脱硫洗涤器系统的排放控制、维护和废物处理要求的操作时的灵活性和通用性。这些其他材料典型地比石灰和石灰石更加昂贵，但是也更加有效，并且更经常使用：
1.其中待处理的废气的体积小(与来自大型发电厂的那些相比)；
2.其中其他因素如碱性材料的运输成本是经济的；
3.其中被当地或地区监管限制所要求或必需的；或
4.其中任何这些的组合和其他经济、技术、或监管问题使这种替代方案是经济和环境上可行的。
在烟道气处理中使用的这些替代碱性材料中的一些是包括碳酸钠(Na2CO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)、倍半碳酸钠(Na2CO3.NaHCO3.2H2O)、它们的组合的干钠基吸附剂，或含有它们的矿物，如天然碱、苏打石。
天然碱，由于其高含量的倍半碳酸钠中的(典型地70wt％-99wt％)有时称为倍半碳酸钠(Na2CO3.NaHCO3.2H2O)，是天然矿物并在干烟道气处理系统中受到了增加的广泛使用。苏打石，有时称为碳酸氢钠(NaHCO3)，也是可以在干或浆料烟道气处理系统中使用的天然矿物。
对于干吸附剂注入，将干燥粉状含钠吸附剂(如微粒天然碱或碳酸氢钠)注入烟道气流(含有燃烧固体物质和气态酸性燃烧副产物)从中流动通过的空气管道中。酸性气体和含钠吸附剂(例如，天然碱或碳酸氢钠)反应以形成处理副产物。使用微粒回收系统如一个或多个袋式过滤器或优选一个或多个静电沉降器(ESP)将经处理的烟道气的固体组分，包括燃烧固体物质、处理副产物(可以是固体钠盐和/或可以被吸附/吸收在燃烧固体物质上)、以及任选地任何未反应的含钠吸附剂(当使用化学计量过量时)从烟道气流除去以收集称为‘含钠粉煤灰’的固体并回收DSI处理的烟道气流，该DSI处理的烟道气流可以进一步经受湿式洗涤器以进一步除去剩余的酸性气态燃烧副产品。
使用钠基干吸附剂注入技术的烟道气脱硫处理的实例在Maziuk的美国专利号7,854,911中进行描述。Maziuk描述了天然碱与SO2(它不像碳酸氢钠，在高温下熔化)的化学反应。根据Maziuk，天然碱(主要是倍半碳酸钠)当处于或高于275°F加热时经历包含的碳酸氢钠到碳酸钠的快速煅烧。Maziuk表明“爆米花状”分解通过使未反应的碳酸钠到达SO2中和的颗粒表面产生大的且反应性的表面。该反应的副产物是硫酸钠并收集在粉煤灰中。天然碱与SO2的化学反应表示如下：
2[Na2CO3.NaHCO3.2H2O]→3Na2CO3+5H2O+CO2
Na2CO3+SO2→Na2SO3+CO2
Na2SO3+1/2O2→Na2SO4
当注入燃煤发电厂的烟道气时与天然碱的其他反应可包括根据以下与盐酸的反应：
[Na2CO3.NaHCO3.2H2O]+3HCl→3NaCl+4H2O+2CO2
然后将天然碱与酸性气体(例如，SO2、SO3、HF、HCl)的固体反应产物，主要是钠盐(例如，硫酸钠、亚硫酸钠、氟化钠、和/或氯化钠)以及未反应的碳酸钠收集在一个或多个微粒收集装置，如一个或多个袋式过滤器或一个或多个静电沉降器中。
例如，天然碱可以保持与烟道气接触一段足够长的时间以使天然碱的一部分与SO3的一部分反应以降低烟道气流中的SO3的浓度。对于SO3去除，总脱硫优选地为至少约70％、更优选至少约80％、并且最优选至少约90％。
只要可能，从微粒回收系统收集的从煤(‘粉煤灰’)的燃烧产生的粉煤灰可以在多种应用中使用；否则将干粉煤灰处置到垃圾填埋场中。典型的粉煤灰主要由部分玻璃化的铝硅酸盐，以及在原煤中一直作为杂质存在的矿物相如石英、赤铁矿、磁赤铁矿、硬石膏等等构成。含钠粉煤灰进一步包含用过的钠基吸附剂。
ASTM C 618-85(“用于波特兰水泥混凝土的矿物掺合料的粉煤灰和原状煅烧的天然火山灰的标准规范(Standard specification for fly ash and raw calcinated natural pozzolan for use as a mineral admixture in Portland cement concrete)”)已经将粉煤灰分类为两类，C类和F类，这取决于存在的二氧化硅、氧化铝和氧化铁的总和。F类含有大于70％的以上氧化物并且C类含有低于70％但大于50％。F类粉煤灰典型地是低氧化钙(<8％)，而C类具有更高的含量，被细分类为两类：Cl类(8％-20％的CaO)和CH类(>20％的CaO)。因此，F类粉煤灰通常不被认为本身是胶凝材料，因为由于它的低氧化钙含量，它在水合后不能进行附聚以产生最终产品的粘合强度，与C类粉煤灰相反。
粉煤灰是必须被使用和消耗以减少其环境影响的副产品。现今，它由于其火山灰活性主要被用作普通波特兰水泥的部分替代物。然而，在替代的量方面存在限制，因为火山灰反应速率在室温下非常低，引起初始低强度和快速中和。
2006年，美国的燃煤发电厂已经产生7200万吨粉煤灰。几乎45％的这些固体残余物(3200万吨)在十几种应用中使用。根据美国粉煤灰协会，“2006年煤炭燃烧产品(CCP)-生产和使用调查”，在这些应用中，
-1500万吨粉煤灰用于混凝土/混凝土产品/灰浆中；
-700万吨粉煤灰用于结构填充/路堤中；以及
-400万吨粉煤灰用于水泥/熟料的原料。
从主要使用粉状天然碱或碳酸氢钠作为DSI系统中的钠基吸附剂的烟道气酸性气体去除处理得到的含钠粉煤灰含有不仅涂覆并混合有水溶性钠盐(例如，亚硫酸钠、硫酸钠、氯化钠、和/或氟化钠)和未反应的钠基吸附剂的粉煤灰颗粒，而且还含有多种金属化合物和其他化学属性(attributes)，如果将含钠粉煤灰放置在垃圾填埋场或用于有益的再利用，这些属性可能造成环境问题。
虽然天然碱或碳酸氢钠用于从燃煤发电厂的烟道气的酸性气体去除已经有助于解决美国的法规约束，这些钠基吸附剂改变了粉煤灰的物理和化学特征，其中两个结果如下：
-痕量元素(如Se、As、Mo)和可溶性物质的浸出随着钠含量和碱度增加：它提出了其对环境的影响的问题(环境存储管理、地表水和地下水品质、人类健康...)，以及
-水溶性钠盐的高含量必定可以防止含钠粉煤灰转化为混凝土的可能的再利用(valorization)如果没有进行任何进一步的处理(标准ASTM-C-618：作为火山灰添加剂，粉煤灰不可含量超过1.5wt％的Na2O)并且还提出了其存储的问题。
当包含在烟道气中的重金属与钠基吸附剂接触时，源自引入钠基吸附剂，可能形成一些水溶性钠-重金属络合物、化合物、以及类似物。与粉煤灰微量元素(如Se)形成因为水溶性物质随钠含量增加，所以这些痕量元素中的一些从含钠粉煤灰中的可浸出性增加。
在题为“钠基试剂对煤燃烧产品的特征和性能的影响(Impacts of Sodium-based Reagents on Coal Combustion Product Characteristics and Performance)”的电力科学研究院报告编号1017577(2010)(Electric PowerResearch Institute Report No.1017577(2010))中，据报道在所有的沥滤液中大于50％的钠从钠基试剂煤燃烧产物样品(CCP)中浸出，而小于15％的钠从标准CCP样品中浸出。这表明添加的钠是比来自标准CCP中的煤的固有的钠更加可移动的。还注意到硒和砷总体上是在沥滤液中来自具有钠基吸附剂注入的CCP样品比标准CCP样品中更加可移动的。应指出样本集中的最高钒沥滤液浓度是来自具有碳酸钠注入的CCP样品。
Jianmin Wang和同事们还研究了天然碱注入对所得的粉煤灰的特征和对阴离子元素，包括As、Se、Mo、以及V的浸出特征的影响。
在Su等人，“天然碱基SO2控制对粉煤灰的元素浸出行为的影响”能源燃料，2011年，第25卷，第3514-3521页(Su et al.,“Impact of Trona-Based SO2Control on the Elemental Leaching Behavior of Fly Ash”Energy Fuels,2011,Vol.25,pg.3514-3521)，以及在Dan等人，“As、Se、Mo、以及V从含有天然碱反应产物的高钙粉煤灰中的增加的浸出”能源燃料，2013年，第27卷，第1531-1537页(Dan et al,“Increased Leaching of As,Se,Mo,and V from High Calcium Coal Ash Containing Trona Reaction Products”Energy Fuels,2013,vol.27,pg1531-1537)，表明天然碱注入和反应产物与粉煤灰的后续捕获显著增强了As、Se、Mo、以及V的浸出。他们的结果还表明随着天然碱的添加，这些阴离子的分布转移到灰的可溶性天然碱部分。因此，用过的天然碱吸附剂的溶解导致这些阴离子元素的更多浸出。此外，他们发现天然碱注入显著降低了在自然pH值下灰对于As、Se、以及V的不溶性部分的吸附能力并使它们更加可浸出。对于在水泥和混凝土应用中的使用，在过去50年或更长时间内已经开发了许多策略用于有效地设计混凝土与火山灰如粉煤灰。火山灰被广泛定义为无定形或玻璃状硅酸盐或铝硅酸盐材料，该材料与在混凝土的波特兰水泥的水合过程中形成的氢氧化钙反应以产生呈硅酸钙和硅铝酸钙水合物的形式的附加的胶凝材料。然而，已经确定火山灰必须低碱(Na2O和K2O)，以避免由于碱-二氧化硅反应通过膨胀的混凝土的长期耐久性问题。
如果含钠粉煤灰的再利用(如在水泥和混凝土中使用)或填埋由于高钠含量可能是有问题的并且一些重金属的浸出导致超过由地方、州和/或联邦法规对于浸出设置的沥滤液的最大允许含量限值，含钠粉煤灰可能需要进行处理以满足再利用或填埋的这些要求。
在工业规模上，含钠粉煤灰的湿处理将包括来自含钠粉煤灰的水溶性组分(大多是用过的吸附剂与未反应的吸附剂和污染物的反应副产物)的溶解，具有高水平的Na、硫酸盐、碳酸盐、氢氧化物、以及一些重金属(特别是硒、砷和钼)的沥滤液的液/固分离和后续处理。但是，这种方法将粉煤灰处置问题转化为废水管理问题。
主要的沥滤液问题是硒和砷。提出的废物限制准则(ELG)提出单日8μg/L并且30天移动平均值为6μg/L的砷的沥滤液水限制。对于硒，沥滤液水限值为单日16μg/L并且30天移动平均值为10μg/L。
具体地，如果由煤燃烧提供的未处理的天然碱基粉煤灰的沥滤液可以生成具有超过法规限制的硒(Se)或砷(As)含量的沥滤液，则这种含钠粉煤灰在土地处置或有益的再利用之前必须进行处理。
1976年的资源保护和回收法(RCRA)是美国管理固体废物处置和危险废物的主要联邦法律。硒进入RCRA子标题D垃圾填埋场的最大可接受的沥滤液浓度为一(1)mg/L；以及砷进入RCRA子标题D垃圾填埋场的最大可接受的沥滤液浓度为五(5)mg/L。超过这些限制的粉煤灰将被归类为危险废物并且是填埋更昂贵的。在这些情况下，处理粉煤灰以避免危险性分类并降低处置成本将是成本效益的。
具体地，硒是难以处理的金属，因为硒(Se)呈现多种氧化态。在碱性环境中在弱氧化条件下，硒酸根(Se+4，SeO4-2)离子占主导。相反地，在仍然氧化的酸性环境中，亚硒酸根(Se+3，SeO3)离子占主导。硒酸根在土壤中是显著可移动的其中在5.5-9.0的pH范围内硒酸根离子吸附较少。因此，硒迁移率在氧化环境中在碱性条件下是有利的。其结果是，硒的浓度和形式是由pH、氧化还原、以及基质组合物(例如，土壤，灰)控制并且使短期和长期处理在各种环境中变得困难，但对于含钠粉煤灰在升高的pH下当在烟道气处理中使用过量的钠基吸附剂如天然碱(Na2CO3.NaHCO3.2H2O)时是特别困难的。报道的含钠粉煤灰的pH已经从约10.5至约12.8。
如果水溶性重金属化合物(如硒酸盐和/或亚硒酸盐)从粉煤灰中浸出，它们可能是有害的。从垃圾填埋场浸出的钠盐通常是没有危险性的，但可溶性材料从垃圾填埋场的浸出可能影响堆的结构完整性以及如何管理垃圾填埋场。普罗克特(Proctor)试验提供一些密度和湿度特性的见解，但没有测量雨和其他因素如何影响填埋的物理特征。因此，对于更多的调查和获取来自实际填埋的数据存在一种需要。
因此，在此对于电厂运营商存在一种困境。在一方面，人们需要减少由燃烧过程(例如燃煤发电厂)排出的气体污染物的量，同时由于该燃料需要用于污染物控制的化学处理的性质，存在含有诸如Se和As的重金属的燃烧废物的增加的产生并导致需要由其获得的固体废物的处置或再利用的增加。
附加地，如果为了解决一些重金属(主要是氧阴离子)从含钠粉煤灰的增加的可浸出性，则可能避免该湿处理方法，因为它会导致溶解粉煤灰的水溶性组分(主要是用过的钠基吸附剂、反应副产物、以及可浸出的重金属)并且然后处理所得到的废水。人们可能必须设想用于稳定含钠粉煤灰的干式处理方法。然而，这种干材料的处理造成有关扬尘的附加问题。粉尘控制因此可能需要加以解决并且可以成为这种稳定方法的一个组成部分。
发明概述
本发明涉及一种用于处理通过燃烧过程提供的含钠粉煤灰的方法，在该燃烧过程中钠基吸附剂与通过燃烧产生的烟道气相接触以除去包含在该烟道气中的至少一部分污染物。该用于处理含钠粉煤灰的方法目的是稳定包含在此种粉煤灰内的至少一些重金属，特别是砷和硒以便降低它们从其中的可浸出性。
此种方法对于处理在燃煤发电厂中产生的粉煤灰是特别有用的。
用于稳定垃圾填埋场中的材料的主要机理是启动典型地要求钙、二氧化硅和水的火山灰反应。F类粉煤灰来源于烟煤的燃烧，该烟煤具有比通常来源于波德河煤(Powder River Basin coals)的燃烧的C类粉煤灰更低的钙含量和更高的LOI。C类粉煤灰中的钙含量更高并且更容易引发火山灰反应使其比F类粉煤灰更容易稳定。在水的存在下将钙或二氧化硅添加到灰中应增加这些反应并使金属更紧密地结合到灰上。此外，胶凝材料在垃圾填埋中的形成将增加堆的结构强度并减少钠沥滤液的影响。
在具体的实施例中，本发明涉及在燃煤发电厂中产生的粉煤灰的处理，其中将干吸附剂注入由煤的燃烧产生的烟道气中以便除去包含在该烟道气中的至少一部分污染物。用于从烟道气中除去污染物所使用的吸附剂优选地包含含钠吸附剂，由此该粉煤灰是含有至少一种钠化合物的含钠粉煤灰。
本发明的具体方面涉及一种用于稳定包含在含钠粉煤灰中的至少一些重金属(特别是硒和/或砷)以便减少它们从其中的可浸出性的方法，其中该含钠粉煤灰是通过燃烧过程提供，在该燃烧过程中使包含含钠吸附剂的吸附剂与在燃烧过程中产生的烟道气接触以除去包含在该烟道气中的至少一部分污染物，此种方法包括：
(a)在水的存在下，使此种含钠粉煤灰与至少一种包含水溶性硅酸盐源的添加剂相接触。
本发明的另一个方面涉及一种用于稳定包含在含钠粉煤灰中的钠和至少一些重金属(特别是硒和/或砷)以便减少它们从其中的可浸出性的方法，其中该含钠粉煤灰是通过燃烧过程提供，在该燃烧过程中使包含含钠吸附剂的吸附剂与在燃烧过程中产生的烟道气接触以除去包含在该烟道气中的至少一部分污染物，此种方法包括：
(A)使此种含钠粉煤灰与水溶性硅酸盐源和含有钙和/或镁的材料相接触。
在步骤(A)中的接触可以包括1/首先共混此种含钠粉煤灰与含有钙和/或镁的材料以制成初始共混物，并且然后2/将水溶性硅酸盐源添加到所得到的共混物中。将水溶性硅酸盐源添加到所得到的共混物中优选地是在水的存在下进行。在步骤2/中的条件与在步骤(a)中的接触所解释的相同，除了代替含钠粉煤灰与硅酸钠的接触是与步骤1/的所得到的共混物进行的。
含有钙和/或镁的材料可以选自由以下各项组成的组：石灰窑粉尘、细石灰石、生石灰、熟石灰、白云石质石灰、白云石、选择性煅烧的白云石、水合的白云石、氢氧化镁、碳酸镁、氧化镁以及其两种或更多种的任何混合物。含有钙和/或镁的材料可以优选选自由以下各项组成的组：石灰窑粉尘、细石灰石、生石灰、熟石灰、白云石质石灰、白云石、选择性煅烧的白云石、水合的白云石、以及其两种或更多种的任何混合物。含有钙和/或镁的材料可以更优选选自由以下各项组成的组：石灰窑粉尘、白云石质石灰、白云石、选择性煅烧的白云石、水合的白云石、以及其两种或更多种的任何混合物。
在这种情况下，含有钙和/或镁的材料可以是基于含钠粉煤灰的重量以按重量计等于或大于3％的量、优选以按重量计等于或大于4％的量、更优选以按重量计等于或大于5％的量添加。含有钙和/或镁的材料可以是以按重量计等于或小于25％、优选等于或小于20wt％、更优选等于或小于15wt％、最优选等于或小于10wt％的量添加。含有钙和/或镁的材料的添加量可以范围为从4wt％至20wt％、优选从5wt％至15wt％、最优选从5wt％至10wt％。
本发明方法提供了在经处理的含钠粉煤灰中稳定的至少一种重金属的可浸出性的降低。
本发明方法还可以提供在经处理的含钠粉煤灰中稳定的钠的可浸出性的降低。
该方法可以进一步包括：(b)干燥从接触步骤(a)或(A)获得的材料以形成干燥的物质。
该方法可以进一步包括：洗涤从接触步骤(a)或(A)获得的材料以形成洗涤的物质。
在一些实施例中，包含水溶性硅酸盐源的至少一种添加剂可以进一步包含含锶的化合物；含钡的化合物；白云石；一种或多种白云石衍生物(如白云石质石灰、选择性煅烧的白云石、和/或水合的白云石)；含铁的化合物(如硫酸铁、氯化铁)；或其两种或更多种的任何组合。
在一些附加的或替代的实施例中，该用于稳定的方法可进一步包括：步骤(a’)在进行步骤(a)之前使含钠粉煤灰与第二添加剂接触。
在一些附加的或替代的实施例中，该用于稳定的方法可包括：步骤(a”)使从步骤(a)得到的材料与第二添加剂接触，所述步骤(a”)优选地是在干燥步骤(b)之前进行。
在一些附加的或替代的实施例中，该用于稳定的方法可包括：进行任选的步骤(a’)和步骤(a”)。在这两个任选的步骤(a’)和(a”)中使用的第二添加剂可以相同或不同。
在一些实施例中，当进行步骤(a’)和/或步骤(a”)时或者当该第二添加剂在与步骤(a)中的硅酸钠同时接触时，该第二添加剂可以选自以下各项组成的组：含锶化合物；含钡化合物；白云石；一种或多种白云石衍生物(如白云石质石灰、选择性煅烧的白云石、和/或水合的白云石、水合的白云石质石灰)；含钙材料(如石灰窑粉尘、细石灰石、生石灰、熟石灰)，含镁材料(如氢氧化镁、碳酸镁、氧化镁)；含铁化合物(如硫酸铁、氯化铁)；以及其两种或更多种的任何组合。
在一些优选的实施例中，当进行步骤(a’)时，该第二添加剂可以包含含有钙和/或镁的材料，该材料选自由以下各项组成的组：石灰窑粉尘、细石灰石、生石灰、熟石灰、白云石质石灰、白云石、选择性煅烧的白云石、水合的白云石、氢氧化镁、碳酸镁、氧化镁以及其任何混合物。
该含钠粉煤灰优选地是通过煤燃烧过程提供的含钠粉煤灰，在该燃烧过程中将包含含钠吸附剂的干吸附剂注入到通过煤燃烧产生的烟道气中以除去包含在该烟道气中的至少一部分污染物(优选酸性气体，如SOx、HCl、HF)。
在此种方法的实施例中其中在步骤(a)中亦或任选地在单独的步骤(a’)或步骤(a”)中使用了任选的添加剂组分，该任选的添加剂组分优选地包含至少一种含锶化合物，白云石，白云石衍生物(如白云石质石灰、水合的白云石、水合的白云石质石灰)，含钙材料(如石灰窑粉尘、细石灰石、生石灰、熟石灰)，含镁材料(如氢氧化镁、碳酸镁、氧化镁)，不同于在步骤(a)中使用的另一种水溶性硅酸盐源；含铁化合物(如硫酸铁、氯化铁)；或其两种或更多种的任何组合。
在步骤(a)中的接触可以包括使该含钠粉煤灰和包含至少一种添加剂的水溶液或浆料或悬浮液与任选地附加的水或酸性溶液混合；可包括使水或酸性溶液与包含呈固体形式的至少一种添加剂的干共混物和该含钠粉煤灰混合；和/或可以包括将含有至少一种添加剂的水溶液或浆料或悬浮液与任选地附加的水或酸性溶液喷涂到所述含钠粉煤灰上。代替或除了喷涂之外，可以使用喷雾水溶液。
当接触包括使所得到的水性分散体、浆料、或溶液与所述含钠粉煤灰混合和/或将所得到的水性分散体、浆料、或溶液喷涂到所述含钠粉煤灰上时，该方法可以包括在接触之前首先将该至少一种添加剂分散、溶解、或稀释到水或酸性溶液中以形成含有至少一种添加剂的水性悬浮液、浆料或溶液。代替或除了喷涂之外，对于水溶液可以使用喷雾。
该方法可以包括在接触之前首先干式混合呈固体形式的至少一种添加剂和含钠粉煤灰以形成干共混物，其中接触包括在水中或在水性介质(例如，酸性溶液)中混合硅酸钠与这种干共混物。当该至少一种呈固体形式的添加剂是含有Mg和/或Ca的材料时，此实施例是特别有用的。优选的含有钙和/或镁的材料可以选自由以下各项组成的组：石灰窑粉尘、细石灰石、生石灰、熟石灰、白云石质石灰、白云石、选择性煅烧的白云石、水合的白云石、氢氧化镁、碳酸镁、氧化镁以及其任何混合物。更优选的含有钙和/或镁的材料可以选自由以下各项组成的组：石灰窑粉尘、细石灰石、生石灰、熟石灰、白云石质石灰、白云石、选择性煅烧的白云石、水合的白云石、以及其任何混合物。最优选的含有钙和/或镁的材料可以选自由以下各项组成的组：石灰窑粉尘、白云石质石灰、以及其任何混合物。
在本发明中，包含硅酸钠的该添加剂优选地包含含硅酸钠的溶液，或由含硅酸钠的溶液组成。
步骤(a)可包括使含钠粉煤灰与具有至少0.5wt％、或至少0.8wt％、或至少1wt％、或大于1wt％的硅酸钠含量(基于含钠粉煤灰+硅酸钠+水的总重量)的硅酸钠接触。硅酸钠含量(基于含钠粉煤灰+硅酸钠+水的总重量)可以是最高达10wt％、优选最高达8wt％、更优选最高达6wt％；再更优选地具有的硅酸钠含量为最高达5wt％；再最优选地具有的硅酸钠含量为最高达2wt％。
当该添加剂包含含硅酸钠的溶液时，步骤(a)可包括使含钠粉煤灰与具有的硅酸钠含量为从0.5wt％至最高40wt％的含硅酸钠的溶液，优选具有的硅酸钠含量为从1wt％至最高10wt％的溶液，更优选具有的硅酸钠含量为从1.5wt％至最高6wt％的溶液；再更优选地具有的硅酸钠含量为从2wt％至最高5wt％的溶液接触。
因为可商购的硅酸盐溶液可以具有高的硅酸盐含量(例如像对于硅酸钠溶液从约30wt％至约40wt％)，购买的硅酸盐源在与含钠粉煤灰接触之前可以用水或酸性溶液稀释。稀释应该允许水溶性硅酸盐源在含钠粉煤灰上的更均匀分布并且应该通过使用该稀释的硅酸盐源更均匀地涂覆该粉煤灰提供此添加剂与该含钠粉煤灰之间的更均匀的接触。
本发明的另一个方面因此提供了用于增加含钠粉煤灰的干堆积密度同时最小化水的使用以控制粉煤灰粉尘化的方法。该方法包括使含钠粉煤灰与至少一种水溶性硅酸盐源接触。
在这个特定的方面中，该方法可以包括将包含硅酸钠的添加剂分散到含钠粉煤灰堆上。当硅酸钠源是浓硅酸钠溶液(例如，从30wt％至40wt％的硅酸钠)时，该方法可以包括用水或酸性含水介质稀释此浓硅酸钠溶液并且然后将所得到的稀释溶液施用到含钠粉煤灰堆上用于硅酸钠与含钠粉煤灰之间的有效接触。接触步骤优选地包括喷涂和/或喷雾技术。喷涂和/或喷雾可以在同时在例如传送带上移动的含钠粉煤灰堆上进行。喷涂或喷雾可以在不移动的含钠粉煤灰堆上进行，例如堆叠或堆。喷涂和/或喷雾可以借助于喷嘴进行以提供细的液滴。喷嘴的尺寸、形状、图案和液体流速可以变化以满足特定的粉尘颗粒尺寸和操作条件。
喷涂和/或喷雾含有硅酸盐源(呈溶液的形式)的添加剂不仅允许硅酸盐在粉煤灰顶部的均匀分布(由此用此添加剂均匀地涂覆该粉煤灰颗粒)以实现良好的接触用于稳定包含在该含钠粉煤灰中的至少一些重金属，并且还控制粉煤灰的粉尘化。
将水溶性硅酸盐源添加到含钠粉煤灰中因此可以提供以下优点中的至少一个：
-减少重金属(特别是Se和/或As)从经处理的含钠粉煤灰中的可浸出性；
-当该处理方法还包括含钠粉煤灰与用作第二添加剂的含Ca和/或Mg的材料的接触时，减少钠从经处理的含钠粉煤灰中的可浸出性；
-控制粉煤灰粉尘化，尤其是当将呈溶液形式的添加剂喷涂或喷雾到含钠粉煤灰堆上时；
-降低了含钠粉煤灰的最佳水分含量；和/或
-增加了粉煤灰的干密度(导致在垃圾填埋场处置的较少的重量)。
前面的段落已经通过通用前言提供，并且不旨在限制以下权利要求书的范围。本发明优选的实施例，连同另外优点将通过参考下面的详细描述得到最好的理解。
优选实施例的详细说明
定义
如在此所用，术语“重金属”通常是指以下元素，包括，例如，砷、硒、锑、铍、钡、镉、铬、铅、镍和锌。如在此所用，这些术语包括这些金属的元素形式以及含有它们的有机和无机化合物以及盐。这些元素及其化合物中许多对于人类、动物和/或水生生物是有害的。
术语“溶解度”是指化合物在水中或在水溶液中的水溶解度，其中该水溶解度是在25℃和1个大气压下测量，除非另外确切地指明。
如在此所用，术语‘添加剂’指的是化学添加剂。
如在此所用，术语“天然碱”包括任何来源的倍半碳酸钠。
术语“烟道气”包括来自任何类型的燃烧过程(包括煤、石油、天然气等的燃烧)的排气。
如在此所用，术语烟道气中的“污染物”包括酸性气体，如SO2、SO3(总体典型地称为SOx)、HCl、HF、和NOx以及可以呈汽化形式的一些含重金属的化合物。
如在此所用，术语“吸附剂”是指以下材料，该材料在与烟道气接触时与一些烟道气组分(如污染物)相互作用以便从该烟道气中除去它们中的至少一些。这种相互作用可以包括将至少一种烟道气组分吸附到吸附剂内或上和/或吸附剂与至少一种烟道气组分之间的反应。
如在此所用，术语“用过的吸附剂”总体上是指在干钠基注入时获得的并在粉煤灰材料中收集的反应混合物。该用过的吸附剂包含反应产物和副产物(如高度水溶性的硫酸钠、亚硫酸钠、有时硫酸氢钠)，以及还有未转化的干吸附剂(如碳酸氢钠和/或碳酸钠)。
术语‘包括’囊括了‘主要由……组成’以及还有‘由……组成’。
多个要素包括两个或更多个要素。
短语“A和/或B”是指以下选择：要素A；或要素B；或要素A和B(A+B)的组合。
短语‘A1、A2、...和/或An’其中n≥3是指以下选择：任何单一的要素Ai(i＝1、2、...n)；或选自A1、A2、...、An中的两个至(n-1)个要素的任何子组合；或所有要素Ai(i＝1、2、...n)的组合。例如，短语“A1、A2、和/或A3”是指以下选择：A1；A2；A3；A1+A2；A1+A3；A2+A3；或A1+A2+A3。
在本申请中，在将要素或组分说成是包括在和/或选自所列举的多个要素或组分的清单时，应该理解的是在此处明确考虑到的相关实施例中，该要素或组分还可以是这些单独的列举出的要素或组分中的任何一个并且还可以选自由这些明确列举出的要素或组分中的任何两个或更多个所组成的组。在要素或组分的清单中列举的任何要素或组分可以从这个清单中省去。进一步地，应该理解的是在此描述的工艺或方法的要素和/或特征可以按多种方式进行组合而并不背离本传授内容的范围和披露，无论在此是明显的或是暗示的。
在此使用的单数‘一个或一种(a/one)’包括复数(并且反之亦然)，除非另外明确地陈述。
此外，如果在数值之前使用术语“约”或“大约”，那么本传授内容同样包括该具体的数值本身，除非另外确切地指明。如在此所用，术语“约”或“大约”是指从标称值的+-10％的变化，除非另外明确地指明。
含钠粉煤灰
在根据本发明的方法中处理的粉煤灰优选地是从发电厂，诸如燃煤发电厂产生的。此种发电厂优选地包含通过使用一种或多种吸附剂允许从此种发电厂产生的排气(烟道气流)中除去一些污染物以满足对气体排放的法规要求的一个或多个污染物控制过程和系统。当在污染物控制过程中使用的吸附剂是钠基的时，粉煤灰可以称为‘含钠’粉煤灰，特别是如果粉煤灰的钠含量为以Na2O表示大于1.5wt％时。烟道气中的污染物总体上包括酸性气体，如SO2、SO3、HCl和/或HF。烟道气中的污染物可以进一步包括一种或多种重金属。有待通过使用一种或多种吸附剂除去的污染物优选地是SO2和/或SO3；HCl；以及任选地重金属如汞。
粉煤灰优选地是由使用至少一种干吸附剂注入(DSI)技术的燃煤发电厂产生的，其中至少一种干吸附剂包含或组成为一种或多种含钠吸附剂。在此种过程中，所产生的粉煤灰含有一种或多种水溶性含钠化合物，如碳酸钠和/或硫酸钠，并且因此优选地是‘含钠’粉煤灰。在DSI技术中用来产生含钠粉煤灰的含钠吸附剂可以选自以下各项组成的组：碳酸钠(Na2CO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)、倍半碳酸钠(Na2CO3.NaHCO3.2H2O)、亚硫酸钠(Na2SO3)、以及其任何组合。含有这些钠化合物(如天然碱，苏打石)之一或组合的矿物可以用来代替化合物本身。
有待使用本发明的步骤(a)和(b)处理的‘含钠’粉煤灰包含至少一种钠化合物。在待处理的含钠粉煤灰中的至少一种钠化合物可以选自以下各项组成的组：碳酸钠、硫酸钠、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、硫酸氢钠、氯化钠、氟化钠、包含至少一种通过本发明方法稳定的重金属(如硒和/或砷)的一种或多种钠化合物、以及其组合。含钠粉煤灰的主要的水溶性钠组分总体上是碳酸钠、硫酸钠、和/或氯化钠。在接触步骤之前含钠粉煤灰优选地含有至少一种选自由以下各项组成的组的钠化合物：碳酸钠、硫酸钠、亚硫酸钠、氯化钠、氟化钠、含有硒和/或砷的一种或多种钠化合物、以及其组合。
含钠粉煤灰可以具有的Na含量为以Na2O表示大于1.5wt％，优选以Na2O表示等于或大于2wt％。含钠粉煤灰可以具有的Na含量为以Na2O表示小于50wt％，优选以Na2O表示等于或小于45wt％。
含钠粉煤灰可以具有高的氧化钙含量，也就是说，等于或大于8wt％。这种类型的粉煤灰典型地被分类为‘类型C’。
含钠粉煤灰可以具有低的氧化钙含量，诸如小于8wt％。这种类型的粉煤灰典型地被分类为‘类型F’。
当含钠粉煤灰具有小于8wt％的低氧化钙含量时，该处理方法优选地包括进行步骤(A)，其中该含钠粉煤灰与硅酸钠和含有Ca和/或Mg的材料接触，顺序地(优选地在与该含有Ca和/或Mg的材料接触后接触硅酸钠)亦或同时地。
在一些实施例中，该含钠粉煤灰含有至少1ppm或至少2ppm的量的硒。在该含钠粉煤灰中的Se含量可以是从1ppm至最高100ppm，或者可以是从2ppm至最高30ppm。
在一些实施例中，该含钠粉煤灰含有至少2ppm的量的砷。在该含钠粉煤灰中的As含量可以是从2ppm至最高200ppm。
如果对含钠粉煤灰没有进行使用根据本发明的添加剂的处理，至少一部分包含在该含钠粉煤灰中的硒和/或砷(例如，超过1ppm的Se)在去离子水中或在稀酸性溶液中是可浸出的。
在一些实施例中，该含钠粉煤灰进一步包含含有硅和/或铝的水不溶性材料。该含钠粉煤灰的主要水不溶性组分可以包含以氧化物测量的硅、铝、铁、以及钙。
该含钠粉煤灰可以具有从约10至约13的pH，优选地从约10.5至约12.8的pH。
产生含钠粉煤灰
本发明的一些实施例可以进一步包括在用于处理含有酸性气体污染物，诸如优选地SOx、HCl、和/或HF的气体的方法中产生含钠粉煤灰的步骤。
粉煤灰优选地是由使用至少一种干吸附剂注入(DSI)技术的燃煤发电厂产生的，其中至少一种干吸附剂包含或组成为一种或多种含钠吸附剂。
可以将含钠吸附剂(例如，天然碱或碳酸氢钠)注入到烟道气流(例如，在燃煤发电厂中产生的)中，并且该含钠吸附剂与至少一种污染物相互作用以除去所述一种或多种污染物的至少一部分。该注入优选地在该烟道气流在其中流动的管道中发生。在这一过程中，推荐该烟道气流的温度是高于100℃，优选高于110℃，更优选高于120℃，最优选高于130℃。在这些温度下，天然碱或碳酸氢钠(或苏打石)迅速分解成具有高比表面积并且因此具有高反应性的碳酸钠。这些含钠吸附剂的分解在暴露于这种温度时数秒内发生，例如在管道中。该吸附剂可以呈干或半干状态被注入。通过‘半干状态注入’应理解为是指将该吸附剂(浆料)的水溶液或优选悬浮液的微小液滴注入到热的烟道气中，该烟道气具有高于100℃的温度。该溶液或悬浮液在与该热的烟道气接触后立即蒸发。包含一种或多种吸附剂/污染物相互作用(如吸附和/或一种或多种反应)的产物的烟道气固体可以通过一个或多个袋式过滤器和/或一个或多个静电沉降器从经处理的烟道气中回收以产生含钠粉煤灰，其中的一部分可以通过本发明的方法进行处理。
在含有氯化氢的气体(如来自家庭垃圾的焚化的烟道气)的纯化中使用碳酸氢钠吸附剂的适合的实例可以在(法焦利尼(Fagiolini)的)美国专利号6,171,567中找到，通过援引的方式并入本申请。
在含有二氧化硫和一氧化氮的气体(例如，通过燃烧含硫化石燃料产生的烟气，在电力生产发电站中)的清洗中使用碳酸氢钠的另一个适合的实例可以在(De Soete的)美国专利号5,540,902中找到，通过援引的方式并入本申请。
在含有二氧化硫的气体的纯化中使用天然碱吸附剂的适合的实例可以在(Maziuk的)美国专利号7,854,911中找到，通过援引的方式并入本申请。
在从500°F至850°F的温度下在含有三氧化硫的气体的纯化中使用天然碱吸附剂的适合的实例可以在(Maziuk的)美国专利号7,481,987中找到，通过援引的方式并入本申请。
任何这些污染物控制方法具有产生含有可浸出的重金属如硒和/或砷的含钠粉煤灰的可能性，其可能需要根据本发明进行处理以最小化Se浸出。
步骤(a)：与至少一种添加剂接触
根据本发明的方法包括：(a)在水的存在下，使该含钠粉煤灰与包含至少一种水溶性硅酸盐源的至少一种添加剂相接触。
该至少一种水溶性硅酸盐源可以包含或组成为至少一种水溶性含有碱土金属的硅酸盐化合物。该碱土金属优选地是Na和/或K。
在本发明中，在添加剂中使用或作为唯一的添加剂使用的水溶性硅酸盐源优选地包含至少一种硅酸钠和/或至少一种硅酸钾。更优选地，该水溶性硅酸盐源包含硅酸钠。
硅酸钠的适合的来源可以是呈无水或水合物形式的结晶硅酸钠。摩尔比SiO2/Na2O可以变化，但是典型地是从0.5至2.0。结晶硅酸钠的适合的来源可以是偏硅酸钠(Na2SiO3)，也称为水玻璃或溶性玻璃具有1:1的摩尔比SiO2/Na2O；原硅酸钠(Na4SiO4)具有0.5:1的摩尔比SiO2/Na2O；焦硅酸钠或倍半硅酸钠(Na6Si2O7)具有0.67的摩尔比SiO2/Na2O；二硅酸钠(Na2Si2O3)具有2:1的摩尔比SiO2/Na2O；或其混合物。
硅酸钠的适合的来源可以是硅酸钠溶液。硅酸钠溶液可以具有任何SiO2/Na2O重量比，优选地SiO2/Na2O重量比为从1.5至4。可商购的硅酸钠溶液典型地具有从1.6至3.25的SiO2/Na2O重量比。不希望受任何特定理论的限制，因为是硅酸盐部分被认为赋予在含钠粉煤灰中的一些重金属的最稳定，令人希望的是使用高SiO2/Na2O重量比，如从约2.4至约3.22的SiO2/Na2O重量比。
该至少一种添加剂可以进一步包含选自以下各项组成的组的任选的添加剂组分：至少一种含锶化合物；至少一种含钡化合物；白云石；一种或多种白云石衍生物，如白云石质石灰、选择性煅烧的白云石、和/或水合的白云石；至少一种含铁化合物(如硫酸铁、氯化铁)；或其两种或更多种的任何组合。
特定的添加剂可以包含一种或多种硅酸钠和选自以下各项组成的组的任选的添加剂组分：至少一种含锶化合物、白云石、白云石质石灰、硫酸铁、氯化铁；以及其两种或更多种的任何组合。
适合的含锶化合物可以包含，或者可以组成为，氢氧化锶、氯化锶、碳酸锶、或其两种或更多种的组合，优选地可以包含，或者可以组成为，氢氧化锶和/或氯化锶。
适合的含钡化合物可以包含，或者可以组成为，氢氧化钡和/或氯化钡。
用于与含钠粉煤灰接触的适合的添加剂不包括硅砂或硅灰。
包含Mg和/或Ca的适合的任选的添加剂组分可以包含，或者可以组成为，碳酸镁(菱镁矿)、白云石、一种或多种白云石衍生物、或其两种或更多种的任何组合。优选地是该任选的添加剂组分不包括石灰。甚至更优选地是该任选的添加剂组分不是由石灰组成。
白云石是含有等摩尔量的碳酸钙和碳酸镁的矿物(CaCO3.MgCO3)；它总体上含有最小97％的总碳酸盐组成。
白云石衍生物是通过将白云石的至少一种或两种碳酸盐组分部分或完全转化为氧化物或氢氧化物形式获得的化合物。白云石衍生物的非限制性实例包括白云石质石灰(也称为‘煅烧白云石’)、选择性煅烧的白云石、和/或水合的煅烧白云石(也称为‘水合白云石’)。白云石质石灰典型地是来源于白云石的煅烧。取决于所使用的煅烧条件，可以获得‘完全煅烧的白云石’或‘选择性煅烧的白云石’。白云石质石灰典型地是指‘完全煅烧的白云石’，其中在在900℃-1200℃范围内的温度下煅烧白云石从其碳酸盐组分的二者产生相应的氧化物和CO2以给出下式：CaO.MgO。因为白云石中的碳酸镁组分在比碳酸钙(大约900℃)更低的温度(大约600℃)下分解为氧化物形式和CO2，白云石可以进行选择性煅烧(例如，≥600和<900℃)以将其镁组分转化为氧化物形式，同时保持大部分钙组分呈碳酸盐形式，从而提供具有近似式MgO.CaCO3的‘选择性煅烧的白云石’。水合白云石是熟化完全煅烧的白云石的产物，由此氧化钙水合的同时氧化镁保持完整；水合白云石因此具有近似式MgO.Ca(OH)2。粉碎的(微米大小颗粒的)白云石质石灰，也称为‘DLP’，是特别适合作为添加剂的来源。
含有Mg和Ca的特别适合的任选的添加剂组分可以包含，或者可以组成为白云石、白云石质石灰、水合白云石、或其两种或更多种的任何组合。
特别优选的任选的添加剂组分可以包含，或者可以组成为，至少一种选自以下各项组成的组的化合物：氢氧化锶、氯化锶、白云石质石灰、硫酸铁、氯化铁、以及其两种或更多种的任何组合。
在步骤(a)中使用的特别有利的添加剂包含硅酸钠或硅酸钠与另一种添加剂组分的组合，该另一种添加剂组分选自以下各项组成的组：氢氧化锶、氯化锶、白云石质石灰、硫酸铁、氯化铁、以及其任何组合。
当该添加剂在与含钠粉煤灰接触之前呈粉末或微粒形式时，它的平均粒径总体上是小于500微米，优选地小于250微米，更优选地小于150微米。对于水溶性添加剂，小粒径的优点之一在于这种添加剂的溶解在水中更快。出于这个原因，还设想了使用具有亚微米(例如，纳米级)颗粒的微粒添加剂。
在一些实施例中，该添加剂不包含含磷酸盐的化合物和/或含磷酸的化合物。具体地，该添加剂优选地不含有正磷酸或任何它的碱金属/碱土金属盐。
在一些附加的或替代的实施例中，该添加剂不包含含硫化物的化合物，如硫化钠Na2S。
在一些附加的或替代的实施例中，该添加剂进一步包含含铁化合物，如氯化铁，硫酸铁Fe2(SO4)3。
在其他实施例中，该添加剂不包含含铁化合物，如氯化铁，硫酸铁Fe2(SO4)3。
在一些附加的或替代的实施例中，该添加剂不包含氧化钠(Na2O)、氯化钙、和/或氯化铵。
在优选的实施例中，该添加剂不包括选自由以下各项组成的组的化合物：含磷酸盐的化合物、含磷酸的化合物(包括正磷酸或任何其碱金属/碱土金属盐)、含硫化物的化合物、氧化钠(Na2O)、氯化钙、氯化铵、以及含铁的化合物，其任何子组合以及组合。
在替代的实施例中，该添加剂含有选自由以下各项组成的组的任选的添加剂组分：含磷酸盐的化合物；含磷酸的化合物(包括正磷酸或其任何碱金属/碱土金属盐)；含硫化物的化合物；氯化钙；氯化铵；以及含铁的化合物，如氯化铁，硫酸铁Fe2(SO4)3。
在步骤(a)或(A)的接触过程中，优选的是没有使用胶凝材料(除了含钠粉煤灰和可能的另一种含钠粉煤灰外)。也就是说，在步骤(a)或(A)中的接触优选地不是在波特兰水泥或硫铝酸钙胶凝材料的存在下进行的。该添加剂优选地不包括波特兰水泥或/和硫铝酸钙胶凝材料。
该添加剂的含量可以在宽范围内变化。
该添加剂的量优选地是足以实现至少50％、或至少60％、或至少75％的至少一种重金属(如Se和/或As)从含钠粉煤灰中的可浸出性的降低。
该添加剂的量可以是足以实现至少一种重金属(如Se和/或As)从经处理的材料中的可浸出性的降低用于使沥滤液中的此种重金属的含量不超过由地方、州和/或联邦环保法规限定的最大阈值。可浸出性可以通过浸出标准，如欧洲标准NF EN 12457-2和来自EPA手册SW 486的美国标准EPA 1311来确定。
该添加剂的量可以是足以实现1ppm或更小的Se从经处理的材料中的可浸出性。
该水溶性硅酸盐源的含量通常是基于含钠粉煤灰的重量高于或等于百分之0.1，优选高于或等于0.5wt％，更优选高于或等于1wt％，并且最优选高于或等于2wt％。该水溶性硅酸盐源的含量通常是低于或等于20wt％，有利地低于或等于15wt％，更有利地低于或等于10wt％，并且最有利地低于或等于5wt％。对于该水溶性硅酸盐源，从2wt％至5wt％的范围是特别有利的。该添加剂的量是基于含钠粉煤灰的总重量包括其水溶性部分。
添加剂中的水溶性硅酸盐源与通过本发明方法稳定的一种或多种重金属(例如硒和/或砷)的摩尔比典型地是高于1:1。添加剂中的水溶性硅酸盐源与待稳定的一种或多种重金属的摩尔比可以是至少2:1，优选从2:1至100:1或甚至更大。
在步骤(a)中的接触在至少一些水的存在下发生。接触不包括没有水的存在下粉煤灰与任何添加剂之间的干接触。含钠粉煤灰和至少一种添加剂可以干式混合，但在这种情况下，接触优选地当将水添加到该干共混物中时启动。
在一些实施例中，该含钠粉煤灰的特征在于液体保持能力。在步骤(a)或(A)的接触过程中使用的水的量可以比所述含钠粉煤灰的液体保持能力更低。在替代的实施例中，在步骤(a)或(A)的接触过程中使用的水的量可以等于或高于所述含钠粉煤灰的液体保持能力但不超过75％。在步骤(a)或(A)的接触过程中使用的水的量优选地是在该含钠粉煤灰的液体保持能力的+/-5wt％之内、更优选地在+/-3wt％之内、最优选地在+/-2wt％之内。
在一些实施例中，在步骤(a)或(A)的接触过程中使用的水含量是使得从步骤(a)或(A)得到的材料是软的有延展性的糊剂。该糊剂可以含有最多50wt％的水或甚至最多40wt％的水，优选最多35wt％的水，更优选可以含有在1wt％与35wt％之间的水。替代实施例可以包括在20wt％与35wt％之间的水，或在30wt％与35wt％之间的水的水含量。
在一些实施例中，该接触步骤是在从3至7的酸性pH下，或在从6至8的近中性pH下进行的。因为水溶性钠化合物如碳酸钠典型地存在于含钠粉煤灰中，在步骤(a)或(A)中与去离子水接触后获得的材料将具有碱性pH(大约10-12)；在此种情况下，可以使用酸性溶液(例如，稀HCl酸性溶液)代替在接触步骤过程中的去离子水。
可以使用用于实现含钠粉煤灰与一种或多种添加剂之间的接触的各自技术。
混合一种或多种添加剂和含钠粉煤灰，例如，但不限于，捏合、螺杆混合、搅拌、或其任何组合可以用于接触。此种混合可以在水的存在下进行。将添加剂喷涂或喷雾到含钠粉煤灰堆上可以是用于接触的替代或附加技术。此种喷涂或喷雾可以在水的存在下进行。
在一些实施例中，该方法可以包括首先干式混合呈固体形式(例如粉末或颗粒)的至少一种添加剂和含钠粉煤灰以形成干共混物，并且然后将水添加到此种干共混物中用于引发接触。
干式混合(固/固混合)可以使用转筒或对流混合器或者其中混合不要求载体液体(例如，水、有机溶剂)的任何机械装置来进行。适合的转筒混合器可以选自以下各项组成的组：鼓式共混器、V型共混器、仓式共混器、以及双锥形共混器。适合的对流混合器通常包括由旋转叶轮清扫的固定容器，并且可以选自以下各项组成的组：带式共混器(具有安装在水平轴上的螺旋带叶轮的圆柱形容器)、桨式共混器(具有桨叶代替螺旋带的修改的带式共混器)、Nauta共混器(通过旋转和旋进螺旋叶片清扫的竖直取向的圆锥形槽)、Forberg共混摧糦摧糦摧糦萑葠摧愀柱形容器)、以及Lodige共混器(类似于犁式铲旋转圆柱形鼓轮的厨房搅拌机)。呈固体形式的至少一种添加剂和含钠粉煤灰的干式混合优选地是在选自由带式共混器和V型共混器组成的组的混合器中进行的。
在其中该方法包括形成含有一种或多种添加剂(呈固体形式)和含钠粉煤灰的干共混物的实施例中，接触步骤优选地包括将水或酸性溶液与该干共混物混合。此种接触步骤涉及湿式混合。
在本发明的优选实施例中，该方法可以包括首先将该一种或多种添加剂分散或溶解或稀释在水中或一种酸性溶液中以形成含有该一种或多种添加剂的水性悬浮液、浆料或溶液并且然后使该含钠粉煤灰与所得到的含有至少一种添加剂的水性分散体、浆液、或溶液接触。此接触步骤可涉及湿式混合、喷涂、或湿式混合和喷涂的组合。代替或除了喷涂之外，可以使用喷雾水溶液。
在其中该方法包括形成含有一种或多种添加剂的水性悬浮液、浆料或溶液的实施例中，接触步骤优选地包括使该含钠粉煤灰与该含有一种或多种添加剂的水性溶液或浆液或悬浮液与任选地附加的水或水性介质(例如，酸性溶液)混合。此接触步骤涉及湿式混合。
湿式混合(固/液混合)可以使用选自以下各项组成的组的混合机进行：捏合混合机、螺杆混合机、锥形混合机、犁式混合机、带式共混机、盘状碾式混合机、搅拌槽、螺旋叶片混合机、挤出机(如Rietz、单螺杆、或双螺杆挤出机)、以及其任何组合。适合于糊剂混合或粘性材料混合的任何混合机将适合于根据本发明的此实施例的湿式混合。
在其中该方法包括形成含有一种或多种添加剂的水性悬浮液、浆料或溶液的一些附加的或替代的实施例中，接触步骤可以包括将含有一种或多种添加剂的水性溶液或浆液或悬浮液与任选地附加的水或水性介质(例如，酸性溶液)喷涂到该含钠粉煤灰上。
含钠粉煤灰堆在喷涂过程中可以是在移动中以允许一种或多种添加剂到该含钠粉煤灰堆的均匀分布。例如，含钠粉煤灰堆可处于在移动表面(例如，传送带)上的移动中，在移动中由于带状物、螺杆或叶片、或旋转容器中的转筒的旋转，同时将包含一种或多种添加剂的溶液或悬浮液或浆料喷涂到移动的含钠粉煤灰堆上。
设想可以在步骤(a)或(A)中使用多于一种接触技术用于使含钠粉煤灰与相同的添加剂接触或用于使含钠粉煤灰与不同的添加剂接触。
还设想可以使用相同的接触技术用于使含钠粉煤灰与不同的添加剂接触，同时地亦或顺序地。
接触可以发生一段不少于10分钟和/或不多于12小时的时间段。在15分钟与1小时之间的接触时间总体上是适合的。
接触可以在小于100℃的温度下发生。大于0℃并且小于100℃，或从10℃至约70℃，优选地从15℃至约50℃的温度。在4℃与45℃之间，更优选地在10℃与30℃之间的温度将适合于此接触步骤。
在优选的实施例中，步骤(a)或(A)不包括磷酸化和/或硫化。
在替代实施例中，该方法可以进一步包括通过使用含磷酸盐的化合物作为另外的添加剂的磷酸化。磷酸化可以在步骤(a)或(A)的接触过程中同时进行。磷酸化和在步骤(a)或(A)中的接触可以顺序地进行。
在其他实施例中，该方法可以进一步包括通过使用含硫化物的化合物(例如，Na2S)作为另外的添加剂组分的硫化。硫化可以在步骤(a)或(A)的接触过程中同时进行。硫化和在步骤(a)或(A)中的接触可以顺序地进行。
在进行步骤(b)中的干燥之前，在步骤(a)或(A)的接触过程中获得的材料可以任选地形成以下形状，例如挤出或模制成一种或多种形式，如呈粒料、颗粒、砖、饼、或类似物的形式。
在本发明方法的特别优选的实施例中，其中水溶性源包含硅酸钠，该方法可以包括用水亦或酸性水溶液稀释浓硅酸钠溶液(总体上含有从30wt％至40wt％的硅酸钠)以实现在稀释的溶液中从1wt％至10wt％，优选从2wt％至5wt％的硅酸钠含量；任选地将另一种添加剂组分(如硫酸铁、氯化铁、氯化锶、白云石质石灰或其组合)添加到此稀释的硅酸钠溶液中；将该稀释的硅酸钠溶液喷涂或喷雾到含钠粉煤灰堆上，该含钠粉煤灰是不动的(如在一个堆叠或堆或铺展在衬上)亦或移动的(例如在传送带上)，稀释的添加剂溶液的量足以不超过粉煤灰的液体保持能力，并且优选接近液体保持能力的值的5％内、优选3％内或甚至更优选地达到含钠粉煤灰的液体保持能力。可以收集喷涂的或喷雾的含钠粉煤灰以放置在容器中或移动到如垃圾填埋场或熟料处理以便再使用。在一些实施例中，施用到含钠粉煤灰上的稀释的硅酸钠溶液可以具有从10℃至约70℃，优选地从15℃至约50℃的温度。稀释的硅酸钠溶液可以在接触含钠粉煤灰之前预加热。可替代地，用于稀释浓硅酸钠溶液的水或酸性溶液可以具有已经在以上提供的优选温度范围内的温度，或者可以在稀释之前预加热。
步骤(A)：与硅酸钠和含有Ca和/或Mg的材料接触
本发明的另一个方面涉及一种用于稳定钠和至少一些重金属的方法。此种方法包括：
(A)使含钠粉煤灰与水溶性硅酸盐源和含钙和/或镁的材料相接触。
在步骤(A)中的接触优选地包括：1/首先共混此种含钠粉煤灰与该含有钙和/或镁的材料以制成初始共混物，并且然后2/将该水溶性硅酸盐源添加到所得到的共混物中。将水溶性硅酸盐源添加到所得到的共混物中优选地是在水的存在下进行。在步骤2/中的条件与在步骤(a)中的接触所解释的相同，除了代替含钠粉煤灰与硅酸钠的接触是与步骤1/的所得到的共混物进行的。
为了制造初始共混物，含钠粉煤灰与含有钙和/或镁的材料的共混优选地通过干式混合进行。此实施例在该含有Mg和/或Ca的材料是呈固体形式时是特别有用的。
将水溶性硅酸盐源后续添加到所得到的共混物中优选地是通过湿式混合进行的。
含有钙和/或镁的材料可以选自由以下各项组成的组：石灰窑粉尘、细石灰石、生石灰、熟石灰、白云石质石灰、白云石、选择性煅烧的白云石、水合的白云石、氢氧化镁、碳酸镁、氧化镁以及其两种或更多种的任何混合物。更优选的含有钙和/或镁的材料可以选自由以下各项组成的组：石灰窑粉尘、细石灰石、生石灰、熟石灰、白云石质石灰、白云石、选择性煅烧的白云石、水合的白云石、以及其两种或更多种的任何混合物。最优选的含有钙和/或镁的材料可以选自由以下各项组成的组：石灰窑粉尘、白云石质石灰、以及其任何混合物。
在含钠粉煤灰中的Se含量越大，在接触过程中使用的硅酸盐的量越多。在含钠粉煤灰中的Ca含量越少，在接触过程中使用的含有钙和/或镁的材料的量越多。
在此种特定的方面中，含有钙和/或镁的材料可以是基于含钠粉煤灰的重量以按重量计等于或大于3％的量、优选以按重量计等于或大于4％的量、更优选以按重量计等于或大于5％的量添加。含有钙和/或镁的材料可以是以按重量计等于或小于25％、优选等于或小于20wt％、更优选等于或小于15wt％、最优选等于或小于10wt％的量添加。含有钙和/或镁的材料的添加量可以范围为从4wt％至20wt％、优选从5wt％至15wt％、最优选从5wt％至10wt％。
待添加的硅酸钠的量与前面所述的相同。
硅酸钠与含有钙和/或镁的材料的重量比可以根据含钠粉煤灰的重金属和钙含量变化。硅酸钠与此种材料的典型的重量比可以范围是从1:100至4:1、优选地从5:100至1:1、更优选地从8:100至2:5。
此步骤(A)优选地是当含钠粉煤灰具有低氧化钙含量，如小于8wt％时进行的。这种类型的粉煤灰典型地被分类为‘类型F’。
步骤(b)：干燥
在本发明的一些实施例中，该方法进一步包括：(b)干燥在与至少一种添加剂接触之后获得的材料。在步骤(b)中的干燥可以在大于100℃和/或小于150℃的温度下进行。干燥步骤(b)的目的是从接触步骤(a)或(A)得到的材料中除去水。在步骤(b)中除去的水是自由水，并且在干燥过程中用于水除去的机理是蒸发。
干燥时间将根据在步骤(a)或(A)过程中使用的水的量变化。干燥时间典型地是至少5分钟、优选地至少30分钟，并且最多12小时。当在步骤(a)或(A)中获得的材料的水含量是在20wt％与40wt％之间时，在20分钟与6小时之间的干燥时间是适合的。在30分钟与3小时之间的干燥时间是优选的。
干燥优选地发生在空气中，但是可以发生在惰性(非反应性)气氛如氮气中。
干燥可以是间接干燥其中具有比待干燥的材料更高温度的热传递流体加热表面并且然后待干燥的材料通过与该加热的表面(但不与该热传递流体接触)接触干燥。
干燥可以是直接干燥其中将具有比待干燥的材料更高温度的流体(例如热空气)与待干燥的材料接触。
干燥可以在大气压下或在真空下发生以促进从待干燥的材料中除去水。
在步骤(b)中的干燥优选地在不煅烧或烧结从步骤(a)或(A)中得到的接触材料进行。具体地，干燥不包括在超过500℃的温度下加热从步骤(a)中获得的材料。优选地，在步骤(b)中的干燥不应该包括有利于包含在从步骤(a)或(A)中得到的接触材料中的重金属(例如Se和/或As)的挥发的条件。
干燥的物质可以含有比用添加剂处理之前的初始含钠粉煤灰小50％的可浸出的重金属(如硒和/或砷)。
从步骤(b)中得到的干燥的物质优选地含有1ppm或更少的可浸出的Se。
在一些实施例中，该方法可以包括顺序的接触步骤(an)与任选地在接触步骤(an)之间进行的一个或多个干燥或部分干燥步骤(b’)，以及最终的干燥步骤(b)。在接触步骤(an)中使用的一种或多种添加剂可以是与在若干部分中施用的相同的添加剂或者可以是不同的添加剂。顺序的接触步骤(an)可以采用相同的接触技术；或者不同的接触技术可以在顺序的接触步骤(an)中使用。顺序的接触步骤(an)中的至少一个使用一种包含水溶性硅酸盐源的添加剂。
在一些特定的实施例中其中两种或更多种添加剂与含钠粉煤灰在单独的接触步骤(an)中接触，该方法可以包括：
(a1)使含钠粉煤灰与第一添加剂在水的存在下接触，
(b’)任选地干燥从步骤(a1)中得到的接触材料以形成第一部分干燥的或干燥的物质；
(a2)使从步骤(a1)中得到的接触的含钠粉煤灰或在任选的步骤(b’)中形成的该部分干燥的/干燥的物质与第二添加剂任选地在附加的水的存在下接触；
(b)干燥从步骤(a2)中得到的材料以形成最终干燥的物质；
其中该第一和第二添加剂是不同的，其中至少一种包含水溶性硅酸盐源，其中每一种添加剂可以进一步包含至少一种含锶化合物；至少一种含钡化合物；白云石；一种或多种白云石衍生物(诸如，白云石质石灰、选择性煅烧的白云石、和/或水合的白云石)；至少一种含铁化合物；或其两种或更多种的任何组合。
用于步骤(a1)和(a2)中的接触的技术可以是相同的或不同的。在步骤(a2)中的任选的附加的水可以呈纯水或水性介质(例如，酸性溶液)的形式。
在一些替代实施例中其中使用多于一个接触步骤(a)使相同的添加剂与含钠粉煤灰接触，该方法可以包括：
(a1’)使含钠粉煤灰与添加剂的第一部分在水的存在下接触，
(b’)任选地干燥从步骤(a1’)中得到的材料以形成一种部分干燥的或干燥的物质；
(a2’)使从步骤(a1’)中得到的接触的含钠粉煤灰或在任选的步骤(b’)中形成的该部分干燥的/干燥的物质与同一添加剂的第二部分任选地在附加的水的存在下接触；
(b)干燥从步骤(a2’)中得到的材料以形成最终干燥的物质；
其中该添加剂包含水溶性硅酸盐源并且可以进一步包含至少一种含锶的化合物；至少一种含钡的化合物；白云石；一种或多种白云石衍生物(诸如，白云石质石灰、选择性煅烧的白云石、和/或水合的白云石)；至少一种含铁的化合物(如硫酸铁或氯化铁)；或其两种或更多种的任何组合；并且
其中接触步骤(a1’)和(a2’)可以使用相同的接触技术或不同的接触技术。
在步骤(a2’)中的任选的附加的水可以呈纯水或水性介质(例如，酸性溶液)的形式。
本发明的又替代实施例涉及用于处理含钠粉煤灰以形成适合于填埋或挥发的处理的材料的方法。
该方法的此实施例优选地包括与如前所述的至少一种添加剂的接触步骤(a)或(A)。接触步骤优选地在水的存在下进行，但接触的粉煤灰堆仍处于‘干燥’状态并且所使用的水的量典型地不超过含钠粉煤灰的水保持能力。接触优选地使用不超过含钠粉煤灰的水保持能力的水量进行，并且优选足以在含钠粉煤灰的水保持能力的+/-5％内。用于重金属稳定的添加剂优选地包含水溶性硅酸盐源和如前所述的任选地至少一种其他添加剂组分。该添加剂以足以稳定处理前初始存在于含钠粉煤灰中的至少一种重金属的量添加。从这种稳定步骤中获得的所得材料具有比用添加剂处理前的含钠粉煤灰大大减少的此重金属的可浸出性。
因为重金属的稳定预计主要通过将重金属的至少一部分转化为水不溶性形式进行，该方法可以进一步包括：使用洗涤介质(例如，水或水性介质)洗涤经处理的粉煤灰(优选步骤(a)或(A)后获得的)以便溶解经处理的含钠粉煤灰的大部分水溶性部分。因为在这种洗涤步骤中使用水，推荐不在洗涤前干燥在步骤(a)或(A)中获得的材料。这样，在这个特定的实施例中，这种方法省略了干燥步骤(b)。
在含钠粉煤灰中的水溶性部分可以包含最高达60wt％的含钠粉煤灰。在含钠粉煤灰中的水溶性含量的典型范围可以是基于含钠粉煤灰的总重量从约5wt％至最高约50wt％。经处理的含钠粉煤灰的可溶性部分应包含主要水溶性钠盐。‘用过的吸附剂’总体上是指在干钠基注入时获得的反应混合物并且此用过的吸附剂是收集在粉煤灰材料中。此用过的吸附剂包含反应产物和副产物(如高度水溶性的硫酸钠、亚硫酸钠、有时硫酸氢钠)，以及还有未转化的钠基吸附剂如碳酸氢钠和/或碳酸钠。将处理的含钠粉煤灰的水溶性部分的至少50％、或至少60％、或至少70％在后续洗涤步骤中通过溶解到洗涤介质(水或酸性介质)中溶解。
通过不溶性首先处理含钠粉煤灰以稳定在此的一些重金属并且然后溶解来自此稳定的材料的水溶性钠基化合物的至少一部分，通过这两步处理得到的最终(处理的和洗涤的)材料将具有降低的重金属可浸出性(尤其对于Se和/或As)和降低的Na2O含量。如果此最终材料不超过重金属的环境控制水平，然后处理和洗涤的材料可以适合于填埋。并且如果根据ASTM C 618此最终材料进一步不超过Na2O的最大含量(总体上为1.5wt％的组合的Na2O+K2O的最大值)，那么此最终材料可以是再利用的，例如在水泥和混凝土的制造中。
已经对本发明概括地进行了说明，作为本发明的具体实施例并且为了证实其实施和优点而给出了以下实例。应理解的是这些实例是以说明的方式给出而不旨在以任何方式限制本说明书或之后跟随的权利要求书。
实例
实例1：确定各种含钠粉煤灰中的Se含量
使用干吸附剂注入系统采用碳酸氢钠或天然碱用于酸性气体减排对来自燃煤厂的三种含钠粉煤灰A、B、C分析含钠化合物和Se的含量。结果在表1中示出。
以其氧化物形式表示的主要不溶性元素是二氧化硅、氧化铝、氧化铁、以及氧化钙。这些主要元素代表从82％至93％的粉煤灰的水不溶性部分。
含钠粉煤灰A和B含有在1.5wt％与3.5wt％之间的Na2O。即使这些值较低，它们等于或超过来自粉煤灰的火山灰的标准规格(ASTM-C-618：最大可用碱：[Na2O]＝1.5wt％)，并且含钠粉煤灰A和B都不可以在混凝土工业中再利用。
粉煤灰样品C含有高量的水溶性材料，约32wt％，([Na2O]＝16.6wt％)并且不可以再利用到混凝土中。
表1
*：通过原子吸收测量的
实例2：没有用添加剂处理的含钠粉煤灰的浸出试验
对实例1的含钠粉煤灰A、B、C进行两种类型的浸出试验。
含钠粉煤灰A和B是根据欧洲标准NF-EN-12457-2浸出，其中浸出是在24小时期间使用软化水使用液体与固体比率L/S＝10mL水/g固体(使用90克粉煤灰和900克软化水)进行的。
结果在表2中示出。
没有根据本发明的处理，从这些粉煤灰中浸出Se在约12的高碱性pH下是高的(57％-101％)。在另一方面，从这些粉煤灰中浸出的As在约12的高碱性pH下是中等(34％)至非常低的(2％)。
表2
*：通过原子吸收光谱法测量的
欧洲标准NF EN 12457-2浸出试验：概述方案
1.95％的固体必须穿过4mm(0.4目)的筛；如果超过5％没有穿过，超过4mm的部分必须在腭式粉碎机中粉碎；
2.制备粉煤灰与软化水的混合物：
a.‘m’粉煤灰对应于‘m’干固体＝0.090+/-0.005kg
b.L/S比率＝10L溶浸剂/kg干固体+/-2％；
3.在24+/-0.5小时期间在旋转容器中在5–10转/分钟和T＝20+/-5℃下混合；
4.在浸出结束时，提取该旋转容器的内容物；
5.使其在15+/-5分钟期间沉降；
6.在0.45μm膜滤器上在真空(-300至-700毫巴)下或在压力(<5巴)下过滤并测量洗出液体积、电导率、温度、pH、以及氧化还原电位；
7.分析该洗出液的含量；
8.并行地，进行“空白试验”，使用0.95L的溶浸剂没有任何固体并遵循前面的操作方案。分析该空白洗出液的含量。
含钠粉煤灰A、B和C根据来自EPA手册SW 486的美国标准方法EPA 1311浸出。TCLP(毒性特征浸出程序(Toxicity Characteristic Leaching Procedure))其中浸出是使用乙酸溶液使用液体与固体比率L/S＝20g水/g固体在18小时期间(使用50克粉煤灰和1000克pH＝2.88的稀释的乙酸溶液)进行。TCLP浸出试验的结果在表3中示出。
美国标准：来自EPA手册SW 4861的方法EPA 1311TCLP(毒性特征浸出程序)：
1.使固体穿过10mm(1.4目)的筛；如果必要的话，通过研磨或解附聚降低固体的粒度；
2.确定待使用的溶浸剂1号或2号：
溶浸剂1：在1-L的容量瓶中，添加500mL水+5.7mL冰乙酸+64.3mLNaOH 1mol/L并用水调节液位(level)
溶浸剂2：在1-L的容量瓶中，添加5.7mL冰乙酸(纯的，无水)并用水调节液位
a.在500-mL锥形瓶中将5.0g固体添加到96.5mL水中；在5分钟期间用磁力搅拌器搅拌；
b.测量pH：
i.如果pH<5.0，则使用溶浸剂1号(pH＝4.93)
ii.如果pH>5.0：添加3.5mL HCl 1mol/L，简单搅拌，加热到50℃并维持加热10分钟，然后使其冷却，并测量pH：
1.如果pH<5.0，则使用溶浸剂1号(pH＝4.93)
2.如果pH>5.0，则使用溶浸剂2好(pH＝2.88)
3.称重100+/-0.1g的样品并将其放入旋转容器中；
4.缓慢添加溶浸剂以便达到液体与固体比率为20g/g的固体样品；
5.关闭该容器，将其固定在双筒共混机上；
6.以30+/-2转/分钟的速度在18+/-2小时期间在23+/-2℃的温度下进行浸出；
7.如果该固体样品含有碳酸盐，则该容器可以周期性地打开以排空过压；
8.在试验后，在0.6-0.8μm过滤器上过滤并测量该滤液的pH；
9.分开沥滤液用于进一步分析和保存(T<4℃)；
10.为了分析金属，使用HNO3 1mol/L在pH<2下酸化该沥滤液；
11.分析该洗出液的含量；
12.并行地，在20个浸出试验后，进行“空白试验”没有任何固体并遵循前面的操作方案。分析该空白洗出液的含量。
13.在固体的采样和沥滤液的最终分析之间，持续时间对于挥发性化合物不得超过28天，对于半挥发性化合物不得超过61天，对于汞不得超过56天，以及对于其他金属不得超过360天。
表3
*：通过原子吸收光谱法测量的
没有使用根据本发明的添加剂处理，在TCLP条件下从粉煤灰C中的Se浸出是高的(94％)并且在TCLP条件下从粉煤灰C中的As浸出是中等的(30％)。然而，在TCLP条件下对于含钠粉煤灰A和B观察到对于Se和As几乎没有或很少浸出。
含钠粉煤灰A和B与含钠粉煤灰C之间的Se可浸出性的显著性差异可以通过在这些含钠粉煤灰中存在不同硒物种来解释。对粉煤灰C的TCLP试验显示出比粉煤灰A和B更高的溶解的百分比；可能是由于Se在烟道气中的不同的捕获路径。对于粉煤灰A和B，煤中的Se被氧化成气态SeO2，其以Se+IV被吸附在小粉煤灰颗粒的表面上。发生进一步的化学反应以化学结合亚硒酸盐物种；当pH>8时，形成HSeO3-→SeO32-(pKa＝8.3)二价阴离子并且阴离子物种与阴离子表面之间的静电排斥可能导致含氧阴离子脱附进入沥滤液中。剩余的SeO2(气体或固体)将在燃煤厂烟囱处离开。
对于含钠粉煤灰C，SeO2的部分可能已经被捕获到粉煤灰表面；但同时一些SeO2可能已经在燃煤厂烟囱处离开，主要部分可能已经通过煅烧天然碱中和成硒酸钠，如Se+VI(Se物种与来自天然碱的Na2CO3的中和将导致酸性SeO2、H2SeO3、H2SeO4的反应以形成例如一个或多个Na2SeO4)。
通过与钠吸附剂的中和得到的硒酸钠(Se氧化数+VI)将比络合物–FeHxSeO3x-1(Se氧化数+VI)更可溶于酸性条件，这将在气态SeO2与粉煤灰表面之间获得。这可以解释为什么含钠粉煤灰C在pH为5.9下表现出更高的Se可浸出性，而其他两种粉煤灰没有。
实例3：使用不同添加剂处理以降低Se可浸出性
确定含钠粉煤灰D的液体保持能力：含钠粉煤灰D的液体保持能力是通过将水添加到20克粉煤灰中直到形成软的有延展性的糊剂来测量。发现等效于按重量计34.2％的粉煤灰D。
处理：将添加剂溶解亦或分散在6.5克去离子水中。可以将多于一种添加剂溶解或分散在去离子水中。然后将此浆料或悬浮液添加到19克粉煤灰中。使用刮勺尽可能地搅拌所得到的糊剂并允许在110℃下干燥2小时。
在实例3中使用的添加剂是氯化锶、氢氧化锶、硅酸钠、粉碎的白云石质石灰(DLP)、DLP与硅酸钠的组合、以及氯化锶与硅酸钠的组合。
硅酸钠溶液(40-42波美度)是从Aqua Solutions公司(德克萨斯州迪尔派克(Deer Park，Texas))获得的。
具有大约4微米尺寸的颗粒的粉碎的白云石质石灰是来自墨西哥蒙特雷Grupo Calider公司。
为了制备氯化锶添加剂，将0.93g(或0.37g)碳酸锶(蒙特雷苏威CPC钡锶公司(Solvay CPC Barium Strontium Monterrey)标准等级)使用0.6g(或0.24g)浓HCl用去离子水稀释到6.5g。将此溶液的一部分添加到19g粉煤灰中以达到5wt％(或2wt％)SrCl2的含量。
氢氧化锶是由蒙特雷苏威CPC钡锶公司供应。此外，为了新鲜制备氢氧化锶添加剂，将硫化锶(SrS)与氢氧化钠混合，并且发生氢氧化锶的选择性沉淀，这允许从硫化钠(Na2S)回收氢氧化锶。然后用水稀释获得的氢氧化锶以添加到待处理的粉煤灰样品中。
表4
*＝测量的在提取水中0.03ppm Se
**：通过ICP测量的
提取(浸出试验)：将18克所得到的干燥处理的材料分散在100克去离子水或pH为约3.5的稀盐酸溶液(7g HCl在93g水中)中。将所得到的浆料用磁力搅拌器搅拌10分钟。将该浆料用0.1微米的Whatman膜滤器的注射器式过滤器过滤。澄清的提取物直接用于硒分析。使用根据本发明的处理方法的Se可浸出性的降低结果可以在表4中找到。
实例4：使用浓硅酸钠溶液处理以降低Se、As可浸出性
通过将天然碱注入由二叠系煤(次烟煤的(sub-bitumous))的燃烧产生的烟道气中获得两种含钠粉煤灰样品E和F。含钠粉煤灰E具有约12wt％的用过的吸附剂(水溶性钠盐)，而含钠粉煤灰F具有约21wt％的用过的吸附剂。
使用相同的二叠系煤但没有将天然碱注入烟道气中还获得了对照粉煤灰Z。
处理：将40wt％的硅酸钠溶液施用到含钠粉煤灰堆E或对照粉煤灰Z上。接触步骤中添加的水是存在于硅酸钠溶液中的水。在10至15分钟的接触后，允许接触的堆干燥。在根据本发明的实施例的处理步骤中使用的量可以在表5中找到。
表5
*：基于粉煤灰+硅酸钠+水的总重量
使用根据本发明的此实施例的处理方法的Se和As可浸出性的降低结果可以在表6中找到。As和Se可浸出性是根据TCLP方法(毒性特征浸出程序)使用电感耦合等离子体分析仪分析的。
对于对照粉煤灰Z(非含钠粉煤灰)，观察到Se和As的可浸出性随着添加浓硅酸钠溶液和1.2wt％和3wt％的总水含量而增加。此可浸出性的增加对于对照粉煤灰样品中的硒的确相当显著。
对于含钠粉煤灰E和F，观察到Se和As的可浸出性随着添加浓硅酸钠溶液而降低。此效果砷比硒更加显著。然而Se的沥滤液水平已经相当低在约0.29和0.3ppm(参见未处理的样品4d和4g)。因此据信硅酸钠溶液的有益效果取决于可浸出的重金属的初始水平。对于0.3ppm或更低的沥滤液水平，这种处理的有益效果可能不如具有更高沥滤液水平的一样好。
在另一方面，As含量的可浸出性是从未处理的样品4d和4g的沥滤液(没有硅酸钠添加)中的1.1ppm在经处理的样品(4e、4f、4h)的沥滤液中减少了22％至73％。
表6
*：基于粉煤灰+硅酸钠+水的总重量
实例5：使用稀硅酸钠溶液处理以降低Se、As可浸出性
在实例5中使用了在实例4中使用的相同的两种含钠粉煤灰样品E和F。
处理：40wt％的硅酸钠溶液首先用水稀释以实现基于粉煤灰+硅酸钠溶液+水混合物的总重量13wt％的总水含量。用于接触步骤的水的总量是存在于硅酸钠溶液中的水和用于稀释硅酸钠溶液的附加的水。在10至15分钟的接触后，允许接触的堆干燥。在根据本发明的此实施例的处理步骤中使用的量可以在表7中找到。
使用根据本发明的此实施例的处理方法的Se和As可浸出性的降低的结果可以在表8中找到。As和Se可浸出性是根据TCLP方法(毒性特征浸出程序)使用电感耦合等离子体分析仪分析的。
对于含钠粉煤灰E和F，观察到Se和As的可浸出性随着添加稀硅酸钠溶液而降低。此降低效果再次是砷比硒更加显著。然而Se的沥滤液水平已经相当低，在约0.30和0.32ppm(参见未处理的样品5a和5f)。因此据信硅酸钠溶液的有益效果取决于可浸出的重金属的初始水平。
在另一方面，As的可浸出性是从未处理的样品5a和5f的沥滤液(没有硅酸钠添加)中的1或1.2ppm在经处理的样品(5b-e、5g)的沥滤液中减少了44％至79％。
表7
*：基于粉煤灰+硅酸钠+水的总重量
表8
*：基于粉煤灰+硅酸钠+水的总重量
实例6：使用石灰窑粉尘处理以降低Se、As可浸出性
石灰窑粉尘(LKD)用于处理在实例4中使用的相同的粉煤灰样品E和F，其是通过将天然碱注入由二叠纪河盆地煤(次烟煤的)的燃烧产生的烟道气中获得的。含钠粉煤灰E具有约12wt％的Na(水溶性钠盐)，而含钠粉煤灰F具有约21wt％的Na。相同的对照粉煤灰Z也用作对照物。
使用根据本发明的此实施例的处理方法的Se和As可浸出性的降低的结果可以在表8中找到。As和Se可浸出性是根据TCLP方法(毒性特征浸出程序)使用电感耦合等离子体分析仪分析的。
对于对照粉煤灰Z(非含钠粉煤灰)，观察到Se和As的可浸出性使用5wt％和10wt％LKD大大降低，范围从66.7％至97％的可浸出性的降低。此可浸出性的降低对于对照粉煤灰样品中的硒的确相当显著。然而，初始Se和As含量已经是相当低的。
然而，对于含钠粉煤灰E和F，观察到对Se和As的可浸出性(以％计)的影响不如对于非含钠粉煤灰一样高。可浸出性的降低砷比硒更加显著，尤其是对于含钠粉煤灰E。
在另一方面，Na的钠可浸出性可以通过添加LKD控制-参见处理样品6e、6f、6h的渗沥滤液(具有LKD添加)，它显示出Na的可浸出性的稍微降低。
这样，预计将LKD添加到用硅酸钠处理的含钠粉煤灰中可以是有益的，不仅降低了重金属如As和Se的可浸出性，而且还防止了从经处理的含钠粉煤灰中的钠可浸出性的增加。
表8
*：基于粉煤灰+硅酸钠+水的总重量
实例7：用硅酸钠或石灰窑粉尘处理烟煤粉煤灰
石灰窑粉尘(LKD)或硅酸钠用来处理两种粉煤灰样品G和H，它们是通过共混烟煤的粉煤灰X和通过燃烧次烟煤产生的用过的吸附剂获得的。含钠粉煤灰G具有约12wt％的Na(水溶性钠盐)，而含钠粉煤灰H具有约21wt％的Na。相同的烟煤的粉煤灰X也用作对照物。
将灰样品LKD或硅酸钠和15％的水结合与并使用兰卡斯特产品K-实验室高密集混合机(Lancaster Products K-Lab High-Intensive Mixer)混合在一起持续60秒。
使用根据本发明的此实施例的处理方法的Se和As可浸出性的降低的结果可以在表9中找到。As和Se可浸出性是根据TCLP方法(毒性特征浸出程序)使用电感耦合等离子体分析仪分析的。
表9
在没有吸附剂的粉煤灰样品X中，当添加硅酸钠或LKD时，可浸出性稍微增加。
对于具有12％的钠的粉煤灰样品G，不使用添加剂金属可浸出性增加；然而，使用10％LKD的添加，可浸出性低于基线粉煤灰。
当添加更大量的硅酸钠时，可浸出性继续增加。将用过的吸附剂含量从12％的Na增加至21％的Na，这种类型的粉煤灰的可浸出性增加。
观察到对于低钙的烟煤灰，LKD的添加对于降低硒和砷的可浸出性是有效的并且因此对于稳定金属是非常有效的。预计其他含钙金属诸如熟石灰或水泥窑粉尘对于降低硒和砷的可浸出性也将是有效的。本地可用性可以决定用于此种稳定的最成本有效的材料。
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权利要求书：