Ashes from bituminous coal burning in fluidized bed boilers as a potential source of rare earth elements

• Autorzy: Adamczyk Z. , Komorek J. , Lewandowska M. , Nowak J. , Białecka B. , Całusz-Moszko J. , Klupa A.

Identyfikatory

DOI

10.24425/118652

Warianty tytułu

PL

Popioły ze spalania węgla kamiennego w kotłach fluidalnych, jako potencjalne źródło pierwiastków ziem rzadkich

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Rare earth elements are characterized by the high risk of their shortage resulting from limited resources. From this reason REE constitute a group of elements of special importance for the European Union. The aim of this study was to evaluate ashes from the burning of coal in fluidized bed boilers as an potential source of REY . Twelve samples of fly ash and bottom ash taken from power plants in Poland were analyzed. Tests have shown that despite some differences in chemical composition, the fly ash and bottom ash from fluidized beds could be classified as the calsialic, low acid type. It was found that fly ashes contained more REY than bottom ashes. Among REY , the light elements (LREY ) had the highest share in the total REY content in both fly ashes and bottom ashes. Heavy elements (HREY ) had the lowest content. The normalized curves plotted for fly ash samples within almost all of their entire range were positioned above the reference level and these curves were of the L-M or H-M type. The content of the individual REY in these samples was even twice as high as in UCC. The normalized curves plotted for bottom ash samples were classified as of L, L-M or H type. They were positioned on the reference level or above it. The content of the individual REY in these samples was the same or up to about 4 times lower than in UCC. It was found that the content of critical elements and of excessive elements in fly ash and bottom ash differs, which has an effect on the value of the outlook coefficient C_outl, and which is always higher in the case of fly ash than in the case of bottom ash. Nevertheless, the computed values of the outlook coefficient C_outl allow both fly ash and bottom ash from fluidized beds to be regarded as promising REY raw materials.

PL

Pierwiastki ziem rzadkich charakteryzują się wysokim ryzykiem niedoboru, wynikającym z ograniczonej ilości źródeł ich pozyskiwania. Z tego powodu stanowią grupę pierwiastków o specjalnym znaczeniu w Unii Europejskiej. Celem pracy była ocena popiołów ze spalania węgla kamiennego w kotłach fluidalnych, pod kątem ich wykorzystania, jako potencjalnego źródła REY. Badaniom poddano 12 próbek popiołów lotnych i dennych fluidalnych pobranych z elektrowni w Polsce. Badania wykazały, że mimo różnic w składzie chemicznym badane popioły lotne i denne fluidalne zostały zaklasyfikowane do typu calsialic – słabo kwaśnych. Stwierdzono, że popioły lotne charakteryzują się większą zawartością REY niż denne. Zarówno w popiołach lotnych, jak i dennych największy udział wśród REY mają pierwiastki lekkie LREY. Natomiast najmniejszym udziałem charakteryzują się pierwiastki ciężkie HREY. Krzywe normalizacyjne wyznaczone dla próbek popiołów lotnych w prawie całym swoim zakresie znajdują się powyżej poziomu odniesienia, są to krzywe typu L-M lub H-M. Zawartości poszczególnych REY w tych próbkach są nawet dwukrotnie większe niż w UCC. Krzywe normalizacyjne wyznaczone dla próbek popiołów dennych zaliczono do typów L, L-M i H. Znajdują się one, na lub poniżej poziomu odniesienia. Zawartość poszczególnych REY w tych próbkach jest taka sama lub do około 4 razy mniejsza niż w UCC. Stwierdzono, że udział pierwiastków krytycznych i nadmiarowych w popiołach lotnych i dennych różni się, co ma wpływ na wartość współczynnika perspektywicznego C_outl, który dla popiołów lotnych przyjmuje zawsze wyższe wartości niż dla dennych. Pomimo to, uzyskane wartości współczynnika perspektywicznego C_outl pozwalają zaliczyć, zarówno analizowane popioły lotne jak i denne fluidalne do surowców perspektywicznych REY.

Słowa kluczowe

EN

rare earth elements; yttrium; fluidized bed fly ash; fluidized bed bottom ash; critical raw materials

PL

pierwiastki ziem rzadkich; itr; surowce krytyczne; popiół lotny fluidalny; popiół denny fluidalny

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 34, z. 2
• Strony: 21--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Adamczyk Z.

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Komorek J.

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Lewandowska M.

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Nowak J.

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Białecka B.

• Central Mining Institut, Katowice, Poland

autor

Całusz-Moszko J.

• Central Mining Institut, Katowice, Poland

autor

Klupa A.

• Central Mining Institut, Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Bau, M. 1996. Controls of the fractionation of isovalent trace elements in magmatic and aqueous systems: evidence from Y/Ho, Zr/Hf, and lanthanide tetrad effect. Contributions to Mineralogy and Petrology 123, pp. 323–333.
• [2] Blissett et al. 2014 – Blissett, R. S., Smalley, N. and Rowson, N. A. 2014. An investigation into six coal fly ashes from the United Kingdom and Poland to evaluate rare earth element content. Fuel 119, pp. 236–239.
• [3] Dai et al. 2008 – Dai, S., Li, D., Chou, C.-L., Zhao, L., Zhang, Y., Ren, D., Ma, Y. and Sun, Y. 2008. Mineralogy and geochemistry of boehmite-rich coals: new insights from the Haerwusu Surface Mine, Jungar Coalfield, Inner Mongolia, China. International Journal of Coal Geology 74, pp. 185–202.
• [4] Dai et al. 2011 – Dai, S., Wang, X., Zhou, Y., Hower, J.C., Li, D., Chen, W. Zhu, X. and Zou, J. 2011. Chemical and mineralogical compositions of silicic, mafic, and alkali tonsteins in the late Permian coals from the Songzao Coalfield, Chongqing, Southwest China. Chemical Geology 282(1–2), pp. 29–44.
• [5] Dai et al. 2016 – Dai, S., Liu, J., Ward, C. R., Hower, J. C., French, D., Jia, S., Hood, M. M. and Garrison, T.M. 2016. Mineralogical and geochemical compositions of Late Permian coals and host rocks from the Guxu Coalfield, Sichuan Province, China, with emphasis on enrichment of rare metals. International Journal of Coal Geology 166, pp. 71–95.
• [6] Franus et al. 2015 – Franus, W., Wiatros-Motyka, M.M. and Wdowin, M. 2015. Coal fly ash as a resource for rare earth elements. Environmental Science and Pollution Research 22(12), pp. 9464–9474.
• [7] Hower et al. 1999 – Hower, J.C., Ruppert, L.F., and Eble, C.F. 1999. Lanthanide, yttrium, and zirconium anomalies in the Fire Clay coal bed, Eastern Kentucky. International Journal of Coal Geology 39, pp. 141–153.
• [8] Hower et al. 2013 – Hower, J.C., Dai, S., Seredin, V.V., Zhao, L., Kostova, I.J., Silva, L.F.O., Mardon, S.M. and Gurdal, G. 2013. A Note on the Occurrence of Yttrium and Rare Earth Elements in Coal Combustion Products. Coal Combustion and Gasification Products 5, pp. 39–47.
• [9] Iwanek et al. 2008 – Iwanek, P., Jelonek, I. and Mirkowski, Z. 2008. Preliminary research on fly ash from the fluidal boiler in the context of its development (Wstępne badania popiołów z kotła fluidalnego w aspekcie ich zagospodarowania). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 24 (4/4), pp. 91–104 (in Polish).
• [10] Jarosiński, A. 2016. The possibilities of the acquisition of rare-earth metals under national conditions (Możliwości pozyskiwania metali ziem rzadkich w Polsce). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk No 92, pp. 75–88 (in Polish).
• [11] Łaskawiec et al. 2010 – Łaskawiec, K., Michalik, A., Małolepszy, J. and Zapotoczna-Sytek, G. 2010. Research on using fluidized ashes for the production of autoclaved aerated concrete (Badania nad zastosowaniem popiołów lotnych ze spalania węgli w kotłach fluidalnych do wytwarzania autoklawizowanego betonu komórkowego). Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych 3(6), pp. 123–140 (in Polish).
• [12] Mardon, S.M. and Hower, J.C. 2004. Impact of coal properties on coal combustion by product quality: examples from a Kentucky power plant. International Journal of Coal Geology 59, pp. 153–169.
• [13] Mayfield, D.B. and Lewis, A.S. 2013. Environmental review of coal ash as a resource for rare earth and strategic elements. Word of Coal Ash Conference (WOCA) – April 22–25 2013 Lexington, KY . [Online] Available: at http://www.flyash.info/ [Accessed: 20 July 2017].
• [14] Palmer, B. 2015. Coal Ash, Fly Ash, Bottom Ash, and Boiler Slag. [Online] Available at: https://www.nrdc.org/onearth/coal-ash-fly-ash-bottom-ash-and-boiler-slag [Accessed: 20 July 2017].
• [15] Radwanek-Bąk, B. 2011. Mineral Resources of Poland in the Aspect of the Assessment of Critical Minerals to the European Union Economy (Zasoby kopalin Polski w aspekcie oceny surowców krytycznych Unii Europejskiej). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 27(1), pp. 5–19.
• [16] Seredin, V.V. 1996. Rare earth element-bearing coals from the Russian Far East deposits. International Journal of Coal Geology 30, pp. 101–129.
• [17] Seredin, V.V. 2010. A new method for primary evaluation of the outlook for rare earth element ores. Geology of Ore Deposits 52, pp. 428–433.
• [18] Seredin, V.V. and Dai, S. 2012. Coal deposits as potential alternative sources for lanthanides and yttrium. International Journal of Coal Geology 94, pp. 67–93.
• [19] Smakowski, T. 2011. Critical or deficit mineral commodities for EU and Poland economy (Surowce mineralne – krytyczne czy deficytowe dla gospodarki UE i Polski). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN 81, pp. 59–68 (in Polish).
• [20] Szponder, D.K. and Trybalski, K. 2009. Determination of fly ashes properties with use of different research methods and measuring devices (Określanie właściwości popiołów lotnych przy użyciu różnych metod i urządzeń badawczych). Górnictwo i Geoinżynieria 33(4), pp. 287–298 (in Polish).
• [21] Taylor, S.R. and McLennan, S.H. 1985. The Continental Crust: its Composition and Evolution. Blackwell, Oxford, 312 pp.
• [22] Vassilev, S.V. and Vassileva, C.G. 2007. A new approach for the classification of coal fly ashes based on their origin, composition, properties, and behavior. Fuel 86, p. 1490–1512.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).