The mineral sequestration of CO₂ with the use of fly ash from the co-combustion of coal and biomass

• Autorzy: Uliasz-Bocheńczyk A. , Pawluk A. , Pyzalski M.

Identyfikatory

DOI

10.1515/gospo-2017-0044

Warianty tytułu

PL

Mineralna sekwestracja CO₂ przy zastosowaniu popiołów lotnych ze współspalania węgla i biomasy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

As a result of energy production processes, the power industry is the largest source of CO₂ emissions in Poland. Emissions from the energy sector accounted for 52.37% (162 689.57 kt) of the total emissions in 2015, which was estimated at 310.64 million tons of CO₂. In recent years, the tightening of regulations on the use of renewable energy sources has resulted in an increased amount of biomass used in the professional energy industry. This is due to the fact that the CO₂ emissions from biomass combustion are not included in the total emissions from the combustion of fuels, resulting in the zero-emission factor for biomass. At the same time, according to the hierarchy of waste management methods, recycling is the preferred option for the management of by-products generated during energy production. The fly ashes resulting from the biomass combustion in pulverized boilers (which, due to their chemical composition, can be classified as silicate ash) were subjected to analysis. These ashes can be classified as waste 10 01 17 – fly ash from co-firing other than mentioned in 10 01 16 according to the Regulation of the Minister of the Environment of December 9, 2014 on waste catalogues. The maximum theoretical carbon dioxide binding capacity for the analyzed fly ashes resulting from the co-combustion of biomass is 8.03%. The phase composition analysis of the fly ashes subjected to carbonation process has shown, in addition to the components identified in pure fly ash samples (SiO₂, mullite), the presence of calcium carbonate − calcite − the primary product of the carbonation process, as indicated by the results of both X-ray and thermogravimetric analysis. The degree of carbonation has been determined based on the analysis of the results of the phase composition of fly ash resulting from the co-firing of biomass and bituminous coal. The calculated degree of carbonation amounted to 1.51%. The carbonation process is also confirmed by the lowered pH of the water extracts, decreasing from 11.96 for pure ashes to 8.7 for CO₂ treated fly ashes. In addition, the carbonation process has reduced the leaching of pollutants, most notably chlorides, sulphates, and potassium.

PL

W wyniku procesów produkcji energii, energetyka zawodowa w Polsce jest największym źródłem emisji CO₂ w Polsce. Emisja z energetyki stanowiła w 2015 roku 52,37% (162 689,57 kt) całkowitej emisji, która była szacowna na 310.64 milionów ton CO₂. W ostatnich latach, wraz z zaostrzeniem przepisów dotyczących wykorzystania odnawialnych źródeł energii, zwiększyła się ilość stosowanej w energetyce zawodowej biomasy, ponieważ emisja CO₂ ze spalania biomasy nie jest wliczana do sumy emisji ze spalania paliw, co jest równoważne stosowaniu zerowego wskaźnika emisji. Zarazem w procesach produkcji energii powstają uboczne produkty, które powinny być zgodnie z hierarchią metod postępowania z odpadami przede wszystkim poddane odzyskowi. Badaniom poddano popioły ze spalania biomasy w kotłach pyłowych, które ze względu na skład chemiczny można zaliczyć do popiołów krzemianowych. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 9 grudnia 2014 r. w sprawie katalogu odpadów, popioły te można zaklasyfikować jako odpad 10 01 17 – popioły lotne ze współspalania inne niż wymienione w 10 01 16. Maksymalna teoretyczna pojemność związania ditlenku węgla dla analizowanych popiołów ze współspalania biomasy wynosi 8,03%. Badania składów fazowych popiołów poddanych karbonatyzacji wykazały, oprócz składników zidentyfikowanych w czystych popiołach (SiO₂, mullit), również obecność węglanu wapnia – kalcytu – podstawowego produktu procesu karbonatyzacji, na co wskazują wyniki badań wykonanych zarówno metodą rentgenograficzną jak i termograwimetryczną. Na podstawie analizy wyników badań składów fazowych popiołów lotnych ze współspalania biomasy z węglem kamiennym określono stopień karbonatyzacji. Obliczony stopień karbonatyzacji wyniósł 1,51%. Zachodzenie procesu karbonatyzacji potwierdza również obniżenie wartości pH wyciągów wodnych badanych popiołów, która uległa redukcji z 11,96 dla czystych oraz do wartości 8,7 dla popiołów poddanych działaniu CO₂. Proces karbonatyzacji wpłynął również na obniżenie wymywalności zanieczyszczeń, przede wszystkim chlorków, siarczanów i potasu.

Słowa kluczowe

EN

fly ash; biomass co-combustion; CO2 mineral sequestration; gas solid carbonation

PL

popiół lotny; współspalanie biomasy; mineralna sekwestracja CO2; karbonatyzacja bezpośrednia

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 33, z. 4
• Strony: 143--155
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Uliasz-Bocheńczyk A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Krakow, Poland

autor

Pawluk A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Krakow, Poland

autor

Pyzalski M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Faculty of Materials Science and Ceramics, Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Baciocchi et al. 2010 − Baciocchi, R., Costa, G., Di Bartolomeo, E., Polettini, A. and Pomi, R. 2010a. Comparison of different process routes for stainless steel slag carbonation. Proceedings of Third International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental Engineering ACEME10, Åbo Akademi University, Åbo/Turku, pp. 193−202.
• [2] Back et al. 2008 − Back, M. Kühn, M. Stanjek, H. and Peiffer, S. 2008. Reactivity of alkaline lignite fly ashes towards CO2 in water. Environmental Science & Technology 42, pp. 4520–4526.
• [3] Bauer et al. 2011 − Bauer, M. Gassen, N. Stanjek, H. and Peiffer, S. 2011. Carbonation of lignite fly ash at ambient T and P in a semi-dry reaction system for CO2 sequestration. Applied Geochemistry 26, pp. 1502–1512.
• [4] Bobicki et al. 2012 − Bobicki, E.R. Liu, Q. Xu, Z. and Zeng, H. 2012. Carbon capture and storage using alkaline industrial wastes. Progress in Energy and Combustion Science 38, pp. 302–320.
• [5] Dananjayan et al. 2016 – Dananjayan, R.R.T. Kandasamy, P. and Andimuthu, R. 2016. Direct mineral carbonation of coal fly ash for CO2 sequestration. Journal of Cleaner Production 112, pp. 4173–4182.
• [6] Ebrahimi et al. 2017 – Ebrahimi, A., Saffari, M., Milani, D., Montoya, A., Valix, M. and Abbas, A. 2017. Sustainable transformation of fly ash industrial waste into a construction cement blend via CO2 carbonation. Journal of Cleaner Production 156, pp. 660–669.
• [7] Gunning et al. 2010 − Gunning, P.J Hills, C.D. and Carey P.J. 2010. Accelerated carbonation treatment of industrial wastes. Waste Management 30, pp. 1081–1090.
• [8] Guo et al. 2015 − Guo, Y., Zhao, Ch., Chen, X. and Li, Ch. 2015. CO2 capture and sorbent regeneration performances of some wood ash materials. Applied Energy 137, pp. 26–36.
• [9] Fernandez Bertos et al. 2004 – Fernandez Bertos, M., Simons, S.J.R., Hills, C.D. and Carey, P.J. 2004. A review of accelerated carbonation technology in the treatment of cement-based materials and sequestration of CO2. Journal of Hazardous Materials B112, pp. 193–205.
• [10] Ji et al. 2017 − Ji, L., Yub, H., Wang, X., Grigore, M., French, D., Gözükara, Y.M., Yu, J. and Zeng, M. 2017. CO2 sequestration by direct mineralization using fly ash from Chinese Shenfu coal. Fuel Processing Technology 156, pp. 429–437.
• [11] Jo et al. 2012 − Jo, H.Y., Kim, J.H., Lee, Y.J., Lee, M. and Choh, S.J. 2012. Evaluation of factors affecting mineral carbonation of CO2 using coal fly ash in aqueous solutions under ambient conditions. Chemical Engineering Journal 183, pp. 77–87.
• [12] Mayoral et al. 2013 – Mayoral, M.C., Andrés, J.M. and Gimeno, M.P. 2013. Optimization of mineral carbonation process for CO2 sequestration by lime-rich coal ashes. Fuel 106, pp. 448–454.
• [13] Mazzella et al. 2016 − Mazzella, A., Errico, E., Spiga, D. 2016. CO2 uptake capacity of coal fly ash: Influence of pressure and temperature on direct gas-solid carbonation. Journal of Environmental Chemical Engineering 4, pp. 4120–4128.
• [14] Montes-Hernandez et al. 2009 − Montes-Hernandez, G., Perez-Lopez, R., Renard, F., Nieto, J.M. and Charlet, L. 2009. Mineral sequestration of CO2 by aqueous carbonation of coal combustion fly-ash. Journal of Hazardous Materials 161, pp. 1347–1354.
• [15] Muriithia et al. 2013 − Muriithia, G.N., Petrika, L.F., Fatobaa, F., Gitarib, W.M., Doucetc, J.F., Neld, J. and Chuks, P.E. 2013. Comparison of CO2 capture by ex-situ accelerated carbonation and in in-situ naturally weathered coal fly ash. Journal of Environmental Management 127, pp. 212–220.
• [16] Noack et al. 2014 – Noack, C.W., Dzombak, A.D., Nakles, D.V., Hawthorne, S.B., Heebink, L.V., Dando, N., Gershenzon, M. and Ghosh, R.S. 2014. Comparison of alkaline industrial wastes for aqueous mineral carbon sequestration through a parallel reactivity study. Waste Management 34, pp. 1815–1822.
• [17] PNIR 2016. Poland’s National Inventory Report. Greenhouse Gas Inventory for 1988−2014. National Centre for Emission Management (KOBiZE) at the Institute of Environmental Protection – National Research Institute, Warszawa 2016.
• [18] Regulation of the Minister of the Environment of December 9, 2014 on waste catalogue. ([Journal of Laws] 2014, item 1923).
• [19] Siriruang et al. 2016 – Siriruang, Ch., Toochinda, P., Julnipitawong, P. and Tangtermsirikul, S. 2016. CO2 capture using fly ash from coal fired power plant and applications of CO2-captured fly ash as a mineral admixture for concrete. Journal of Environmental Management 170, pp. 70–78.
• [20] Ukwattage et al. 2013 – Ukwattage, N.L., Ranjith, P.G. and Wang, S.H. 2013. Investigation of the potential of coal combustion fly ash for mineral sequestration of CO2 by accelerated carbonation. Energy 52, pp. 230–236.
• [21] Ukwattage et al. 2015 − Ukwattage, N.L., Ranjith, P.G., Yellishetty, M., Bui, H.H. and Xu, T. 2015. A laboratory-scale study of the aqueous mineral carbonation of coal fly ash for CO2 sequestration. Journal of Cleaner Production 103, pp. 665–674.
• [22] Uliasz-Bocheńczyk, A. 2008. Zastosowanie popiołów lotnych ze spalania węgla kamiennego w kotłach wodnych do sekwestracji CO2 na drodze mineralnej karbonatyzacji. Rocznik Ochrona Środowiska 10, s. 567−574.
• [23] Uliasz-Bocheńczyk, A. 2009. Mineralna sekwestracja CO2 w wybranych odpadach. Kraków: Wyd. IGSMiE PAN, 139 pp.
• [24] Uliasz-Bocheńczyk, A. 2010. Mineral sequestration of CO2 in suspensions containing mixtures of fly ashes and desulphurization waste. Gospodarki Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 26, pp. 109−118.
• [25] Uliasz-Bocheńczyk, A. 2011. Mineralna sekwestracja CO2 przy zastosowaniu zawiesin wodnych wybranych popiołów lotnych ze spalania węgla brunatnego. Gospodarki Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 27, pp. 145−154.
• [26] Uliasz-Bocheńczyk et al. 2012 − Uliasz-Bocheńczyk, A., Gawlicki, M. and Pomykała, R. 2012. Ocena możliwości sekwestracji ditlenku węgla w wodnych zawiesinach wybranych popiołów lotnych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 28, pp. 103–112.
• [27] Uliasz-Bocheńczyk, A. and Mokrzycki, E. 2006a. Fly Ashes from Polish Power Plants and Combined Heat and Power Plants and Conditions of their Application for Carbon Dioxide Utilization. Chemical Engineering Research and Design 84, pp. 837−842.
• [28] Uliasz-Bocheńczyk, A. and Mokrzycki, E. 2008. CO2 sequestration with the use of fly ash from hard coal and lignite combustion. Slovak Geological Magazine spec. issue, pp. 19−22.
• [29] Uliasz-Bocheńczyk, A. and Mokrzycki, E. 2011. Możliwości zastosowania odpadów energetycznych do mineralnej sekwestracji CO2. Rocznik Ochrona Środowiska 13, pp. 1591−1604.
• [30] Uliasz-Bocheńczyk A. and Mokrzycki E., 2013. Mineralna sekwestracja CO2 przy zastosowaniu odpadów energetycznych – próba oszacowania potencjału w Polsce. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management t. 29 z. 3, s. 179–189.
• [31] Uliasz-Bocheńczyk et al. 2006b − Uliasz-Bocheńczyk, A., Mokrzycki, E., Mazurkiewicz, M. and Piotrowski Z. 2006b. Z. Utilization of Carbon Dioxide in Fly Ash and Water Mixtures. Chemical Engineering Research and Design 84, pp. 843−846.
• [32] Uliasz-Bocheńczyk et al. 2009 − Uliasz-Bocheńczyk, A., Mokrzycki, E., Piotrowski, Z. and Pomykała, R. 2009. Estimation of CO2 sequestration potential via mineral carbonation in fly ash from lignite combustion in Poland. Energy Procedia 1, pp. 4873–9.
• [33] Uliasz-Bocheńczyk et al. 2016 − Uliasz-Bocheńczyk, A., Pawluk, A. and Pyzalski, M. 2016. Charakterystyka popiołów ze spalania biomasy w kotłach fluidalnych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 32, s. 149–162.
• [34] Uliasz-Bocheńczyk, A. and Piotrowski, Z. 2009. Wpływ mineralnej karbonatyzacji na wymywalność zanieczyszczeń. Rocznik Ochrona Środowiska 11, pp. 1083−1094.
• [35] Wee, J.H. 2013. A review on carbon dioxide capture and storage technology using coal fly ash. Applied Energy 106, pp. 143–151.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).