Properties of waste from coal gasification in entrained flow reactors in the aspect of their use in mining technology

• Autorzy: Pomykała R.

Warianty tytułu

PL

Właściwości odpadów ze zgazowania węgla w reaktorach dyspersyjnych w aspekcie ich wykorzystania w technologiach górniczych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Most of the coal gasification plants based of one of the three main types of reactors: fixed bed, fluidized bed or entrained flow. In recent years, the last ones, which works as „slagging“ reactors (due to the form of generated waste), are very popular among commercial installations. The article discusses the characteristics of the waste from coal gasification in entrained flow reactors, obtained from three foreign installations. The studies was conducted in terms of the possibilities of use these wastes in mining technologies, characteristic for Polish underground coal mines. The results were compared with the requirements of Polish Standards for the materials used in hydraulic backfill as well as suspension technology: solidification backfill and mixtures for gob caulking.

PL

Większość przemysłowych instalacji zgazowania węgla pracuje w oparciu o jeden z trzech głównych typów reaktorów: ze złożem stałym, dyspersyjny lub fluidalny. W zależności od rodzaju reaktora oraz szczegółowych rozwiązań instalacji, powstające uboczne produkty zgazowania mogą mieć różną postać. Zależy ona w dużej mierze od stosunku temperatury pracy reaktora do temperatury topnienia części mineralnych zawartych w paliwie, czyli do temperatury mięknienia i topnienia popiołu. W ostatnich latach bardzo dużą popularność wśród instalacji komercyjnych zdobywają reaktory dyspersyjne „żużlujące”. W takich instalacjach żużel jest wychwytywany i studzony po wypłynięciu z reaktora. W niektórych przypadkach oprócz żużla powstaje jeszcze popiół lotny, wychwytywany w systemach odprowadzania spalin. Może być on pozyskiwany oddzielnie lub też zawracany do komory reaktora, gdzie ulega stopieniu. Wszystkie z analizowanych odpadów - trzy żużle oraz popiół pochodzą właśnie z tego typu instalacji. Tylko z jednej z nich pozyskano zarówno żużel jak i popiół, z pozostałych dwóch jedynie żużel. Odpady te powstały, jako uboczny produkt zgazowania węgla lub węgla z dodatkami: bitumin (żużel S1), czy biomasy (popiół A2, żużel S2). W polskim górnictwie podziemnym wyróżnić można kilka technologii podsadzkowych, w których do transportu materiału wykorzystywana jest woda. Tradycyjnie oraz ze względów historycznych, terminem „podsadzka hydrauliczna” określa się tę, która spełnia wymagania normy PN-93/G-11010. Do najważniejszych cech takiej podsadzki hydraulicznej zaliczyć należy wypełnienia uprzednio wydzielonej pustki poeksploatacyjnej, materiałem o jak najmniejszej ściśliwości oraz o jak największej wodoprzepuszczalności. Materiał taki, po odprowadzeniu wody ma stanowić mechaniczna podporę stropu, a proces podsadzania jest ściśle powiązany z procesem eksploatacji, jako sposób likwidacji zrobów. Najczęściej stosowanymi materiałami są piasek podsadzkowy oraz odpady górnicze lub hutnicze (Lisowski, 1997). Od ponad dwudziestu lat, w polskim górnictwie węgla kamiennego obecna jest również inna technologia podsadzkowa, w której do transportu materiałów wykorzystywana jest woda. W tym przypadku części stałe to materiały drobnoziarniste, najczęściej popioły różnych typów, które po wymieszaniu z wodą tworzą zawiesinę (stąd termin „zawiesiny popiołowo-wodne”). Polska norma PN-G-11011:1998 wyróżnia dwie odmiany takich zawiesin i definiuje je, jako „podsadzkę zestalaną” oraz „mieszaninę do doszczelniania zrobów”. Podstawową ideą przyświecającą stosowaniu zawiesin drobnoziarnistych w technologiach górniczych była początkowo troska o zagospodarowaniu odpadów energetycznych, a następnie górniczych (Mazurkiewicz i in., 1998; Piotrowski i in., 2006; Piotrowski, 2010; Plewa i Mysłek, 2000; Plewa i Sobota, 2002). Obecnie technologia zawiesinowa na stałe zagościła w kopalniach węgla kamiennego stając się m.in. nieodzownym środkiem profilaktyki pożarowej i metanowej (Dziurzyński i Pomykała, 2006; Palarski, 2004; Pomykała, 2006). W artykule przedstawiono analizę możliwości wykorzystania ubocznych produktów zgazowania, jako materiałów do podsadzki hydrauliczne (wg normy PN-93/G-11010), podsadzki zestalanej oraz mieszaniny do doszczelniania zrobów (wg normy PN-G-11011:1998) - technologii stosowanych w polskim górnictwie węgla kamiennego. Podstawowe badania ubocznych produktów zgazowania obejmowały takie właściwości jak gęstość, wilgotność, skład ziarnowy, wymywalność zanieczyszczeń chemicznych oraz zawartość radionuklidów. Wybrane właściwości fizyczne ubocznych produktów zgazowania oraz ich oznaczenie zestawiono w tabeli 1. Składy ziarnowe żużli ze zgazowania, analizowanych pod kątem zastosowania w podsadzce hydraulicznej przedstawiono na rys. 1, a materiałów dla technologii zawiesinowej, czyli popiołu lotnego A2 oraz zmielonych żużli oznaczonych, jako S1m, S2m oraz S3m - na rys. 2. Żużle ze zgazowania zawierają nie więcej niż 6% ziaren mniejszych niż 0,1 mm, co odpowiada wymaganiom dla materiałów podsadzkowych I klasy. Analiza wymywalności zanieczyszczeń chemicznych wykazała przekroczenia wymagań jednej lub obu przywołanych norm w zakresie pH i/lub niklu dla próbek żużli S1 i S2 oraz popiołu A2 (tab. 2). Zwraca uwagę bardzo niska wartość pH oraz bardzo wysoka zawartość niklu dla żużla S1. Jest to rzecz nietypowa dla krajowych odpadów energetycznych powstających ze spalania węgla kamiennego. W zakresie zawartości radionuklidów wszystkie materiały spełniają nie tylko wymagania norm podsadzkowych, ale również wymagania stawiane materiałom budowlanym (tab. 3). Ściśliwość żużli ze zgazowania kształtuje się na poziomie 11÷14%, co pozwala zakwalifikować je do materiałów podsadzkowych III klasy. Aby uzyskać materiał wyższej klasy, konieczne jest zmieszanie żużli z piaskiem podsadzkowych. W zakresie wodoprzepuszczalności wszystkie żużle kwalifikują się, jako materiał podsadzkowy klasy I (rys. 5, tab. 4). W normie PN-G-11011:1998 określone zostały wymagania podsadzki zestalanej oraz dla mieszaniny do doszczelniania zrobów. (tab. 5), tylko dla części badań wskazane są konkretne wymagania ilościowe. Wyniki badań wymywalność zanieczyszczeń chemicznych oraz zawartości radionuklidów zostały omówione wcześniej. Właściwości zawiesin w stanie płynnym zestawiono w tabeli 6. oraz na rys. 7, 8 i 9., a parametry reologiczne wg modelu Binghama na rys. 10÷13. Wymagania w zakresie właściwości zestalonych zawiesin tj. wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie oraz rozmakalności zostały ściśle określone dla podsadzki zestalanej jak i mieszaniny do doszczelniania zrobów (tab. 5). Zawiesiny przygotowane na bazie odpadów ze zgazowania węgla nie wykazują właściwości wiążących. Zarówno ze względu na wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie (rys. 14) jak i rozmakalność (rys. 15) kwalifikują się jedynie, jako mieszaniny do doszczelniania zrobów. Przeprowadzone badania wstępnie potwierdziły możliwość zastosowania ubocznych produktów zgazowania pochodzących z instalacji bazujących na reaktorach dyspersyjnych, w technologiach górniczych charakterystycznych dla polskiego górnictwa podziemnego. Dla ostatecznego potwierdzenia konieczne są oczywiście badania dokładnie tych odpadów, które miałyby być stosowane w konkretnych kopalniach. Przyszłe wykorzystanie zastosowania odpadów z procesu zgazowania węgla, jako materiałów podsadzkowych zależy od wielu czynników, do których zaliczyć należą: dalszy rozwój technologii podsadzki hydraulicznej w górnictwie polskim, a także właściwości i dostępność tego typu materiałów powstałych ze zgazowania polskich węgli i/oraz w instalacjach na terenie Polski.

Słowa kluczowe

EN

gasification; ash; slag; suspension; backfill

PL

zgazowanie; popiół; żużel; zawiesiny; podsadzka

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, no. 2
• Strony: 375--393
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pomykała R.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Acosta A., Iglesias I., Aineto M., Romero M., Rincón J.Ma., 2002. Utilization of IGCC slag and clay steriles in soft mudbricks (by pressing) for use in building bricks manufacturing. Waste Management 22, p. 887-891.
• Aineto M., Acosta A., Iglesias I., 2006. The role of a coal gasification fly ash as clay additive in building ceramic. Journal of European Ceramic Society, 26, p. 3783-3787.
• Aineto M., Acosta A., Rincòn J.M., Romero M., 2005. Production of lightweight aggregates from coal gasification flyash and slag. World of Coal Ash (WOCA), 2005, Lexington, USA, 2005. www.flyash.info
• Chmielniak T., Tomaszewicz G., 2012. Zgazowanie paliw stałych - stan obecny i przewidywane kierunki rozwoju (Gasification of solid fuels - current status and predicted directions of development). Karbo nr 3, s. 191-201.
• Czysta energia, produkty chemiczne i paliwa z węgla - ocena potencjału rozwojowego (Clean energy, chemicals and fuels from coal - evaluation of the development potential), 2008. Praca zbiorowa pod red. T. Borowieckiego, J. Kijeńskiego, J. Machnikowskiego, M. Ściążki, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze.
• Dziurzyński W., Pomykała R., 2006. Fly ash suspension with CO2 as a new method of gob fire prevention in coalmines,New technological solutions in underground mining: International Mining Forum 2006. Taylor & Francis Group, (Balkema - Proceedings and Monographs in Engineering, Water and Earth Sciences), pp. 107-113.
• Higman Ch., van der Burgt M., 2008. Gasification. GPP Elsevier.
• Lisowski A., 1997. Podsadzka hydrauliczna w polskim górnictwie: technologia górnicza - technologia ochronyśrodowiska; monografia (Hydraulic backfill in the Polish mining industry: technology, mining - environmental technology; monograph). Wyd. Śląsk, Katowice.
• Mazurkiewicz M., Piotrowski Z., Tajduś A., 1997. Lokowanie odpadów w kopalniach podziemnych. Monografia - częśćI - Ekologia i technologia (Depositing of waste in underground mines. Monograph - Part I - Ecology and Technology), Biblioteka Szkoły Eksploatacji Podziemnej, Kraków.
• Mazurkiewicz M., Tkaczewska E, Pomykala R. Uliasz-Bocheńczyk A., 2012. Preliminary determination of the suitabilityof slags resulting from coal gasification as a pozzolanic raw material. Gospodarka Surowcami Mineralnymi-Mineral Resources Management v. 28 i. 4, pp. 5-14.
• Palarski J., 2004. Analiza możliwości ograniczenia zagrożeń górniczychi poprawy stanu środowiska naturalnego w polskichkopalniach węgla kamiennego (Analysis of the possibilities to reduce the risks of mining and environmental improvement in Polish coal mines). Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, Kwartalnik WUG, nr 10 (122).
• Piotrowski Z., 2010. Odzysk odpadów drobnofrakcyjnych w górnictwie węgla kamiennego (Utilization of fine-grained waste in underground coal mining), Archives of Mining Sciences: Monografia, No 12.
• Piotrowski Z., Pomykała R., Kanafek J., 2009. The utilization of energy waste in Polish underground coalmines. Proceedings World of Coal Ash (WOCA) Conference, Lexington. Acosta A., Iglesias I., Aineto M., Romero M., Rincón J.Ma., 2002. Utilization of IGCC slag and clay steriles in soft mudbricks (by pressing) for use in building bricks manufacturing. Waste Management 22, p. 887-891.
• Plewa F., Mysłek Z., 2000. Zagospodarowanie odpadów przemysłowych w podziemnych technologiach górniczych (Industrial waste management in the underground mining technologies). Wydawnictwo Politechniki Śląskiej.
• Plewa F., Sobota J., 2002. Physical and mechanical properties of differently composed mixtures used for a stabilisedbackfill. Arch. Min. Sci., Vol. 47, No 1.
• Polish Standard PN-93/G-11010, 1993. Materiały do podsadzki hydraulicznej. Wymagania i badania (Materials for hydraulic backfill. Requirements and test methods).
• Polska Norma PN-G-11011:1998. Materiały do podsadzki zestalanej i doszczelniania zrobów. Wymagania i badania. (Materials for solidification backfill and mixtures for gob caulking. Requirements and test methods).
• Pomykała R., 2006. Właściwości zawiesin popiołowo-wodnych z ditlenkiem węgla stosowanych w profilaktyce pożarowej, Praca Doktorska (Properties of fly ash suspension with carbon dioxide used in gob fire prevention, Doctor Thesis). Kraków (not published).
• Pomykała R., Mazurkiewicz M., 2011a. Wybrane właściwości odpadów ze zgazowania węgla (Selected properties of the waste from coal gasification). Przegląd Górniczy nr 1/2, pp. 100-103.
• Pomykała R., Mazurkiewicz M., 2011b. Proces zgazowania węgla w świetle właściwości powstających odpadów (Coal gasification process in the light of the characteristics of waste). Przegląd Górniczy nr 7-8, pp. 183-189.
• Pomykała R. Stempkowska A., Łyko P., 2012. Rheological properties of slime waste from hard coal processing. AGH Journal of Mining and Geoengineering, vol. 36 no. 4 s. 149-158.
• Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 2 stycznia 2007 r. w sprawie wymagań dotyczących zawartości naturalnych izotopów promieniotwórczych potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-228 w surowcach i materiałach stosowanych w budynkach przeznaczonych na pobyt ludzi i inwentarza żywego, a także w odpadach przemysłowych stosowanych w budownictwie, oraz kontroli zawartości tych izotopów (Cabinet of Ministers Regulations of January 2, 2007 on the requirements for the content of natural radioactive isotopes of potassium K-40, Ra-226 radium and thorium Th-228 in raw materials used in buildings designed to accommodate people and livestock, as well as industrial waste used in construction, and control of these isotopes). Dz. U. 2007 nr 4, poz. 29.
• Stryczek S., Brylicki W., Małolepszy J., Gonet A., Wiśniowski R., Kotwica Ł., 2009. Możliwości stosowania popiołulotnego powstającego w trakcie fluidalnego spalania węgla kamiennego w zaczynach do cementacji w wiertnictwiei pracach geotechnicznych (The possibility of using fly ash produced during the fluidized bed combustion hard coal, in the slurries for cementation of in drilling and geotechnical work). Arch. Min. Sci., Vol. 54, No 4.
• Stryczek S., Wiśniowski R., 2001. Rheological models of saline sealing slurries with fly ashes content. Arch. Min. Sci., Vol. 46, No 3.
• Stryczek S., Wiśniowski R., 2004. The method of gravity injection to the mining voids in salt mines. Arch. Min. Sci., Vol. 49, No 1.
• Trenczek S., 2008. Levels of Possible Self-heating of Coal Against Current Research. Arch. Min. Sci., Vol. 53, No 2.
• Worldwide Gasification Database, 2010. http://www.netl.doe.gov/technologies/coalpower/gasification/worlddatabase/index.html