Industrial ecology approach to management of fly ash from fluidized bed combustion: production of slow-release fertilizer and soil conditioner

Abstract

Coal has been a major energy source since the Industrial Revolution. Despite its environmental problems, coal consumption is still growing because of the lack of alternatives such as natural gas and petroleum resources. As a result, more than 50 million metric tons of fly ash are generated by the electric utilities in the United States yearly, almost one-third of which is used in a number of applications. Alternatives for the reuse of fly ash in the United States and Puerto Rico previously considered are mostly for low-technology uses and they have had limited success. Thus, many attempts to utilize the fly ash are currently underway, focusing on the high-technology and high-value areas. An alternative for management and final disposal of the fly ash generated at a fluidized bed (FBC) coal-fired power plant which is in harmony with the principles of industrial ecology was thoroughly studied. It was demonstrated that the ash can be pelletized by reacting it with a proper binder (KOH or KCl solutions) and sintering the pellets at temperatures between 400 and 600ºC for periods of time ranging from 30 to 120 min, producing in the process a potassium fertilizer and soil conditioner. The product, containing about 10% by weight slow-release K2O, was found to be of great potential value for agricultural purposes, especially for, but not limited to, tropical areas. The product was also found to be safe from the points of view of health and the environment. The transport of certain trace elements leached from the pellets through the soil was simulated using the software package Hydrus-1D.

El carbón mineral ha sido una fuente mayor de energía desde los comienzos de la Revolución Industrial. A pesar de los problemas ambientales que acarrea su uso, el consumo de carbón continúa en aumento debido a la falta de recursos de gas natural y petróleo. Como resultado, más de 50 millones de toneladas métricas de cenizas volantes son generadas anualmente por las plantas termoeléctricas de los Estados Unidos, de las cuales aproximadamente una tercera parte es utilizada en varios tipos de aplicaciones. Las alternativas para el reuso de las cenizas volantes consideradas previamente en Estados Unidos y Puerto Rico han sido mayormente para aplicaciones de bajo nivel tecnológico y han tenido un éxito limitado. Actualmente están bajo estudio diferentes usos para las cenizas, enfocándose estos esfuerzos en áreas de alta tecnología y valor económico. Se estudió intensivamente y se optimizó una alternativa para el manejo y disposición final de la ceniza generada en plantas de potencia que queman carbón en lecho fluido (FBC, por sus siglas en inglés) la cual armoniza con los principios de la ecología industrial. Se demostró que la ceniza puede convertirse en perdigones reaccionándola con un agente aglomerador apropiado (soluciones de KOH o KCl) y sinterizando los perdigones a temperaturas entre 400 y 600ºC por periodos de tiempo entre 30 y 120 min, generando en el proceso un fertilizante de potasio y acondicionador de suelos. El producto, conteniendo cerca de 10% por peso de K2O de liberación lenta, tiene un gran valor potencial para propósitos agrícolas especialmente en áreas tropicales. El producto es seguro desde los puntos de vista de salud y ambiente. Se usó el programa Hydrus-1D para estudiar el transporte de los lixiviados a través del suelo.