Multi-criteria evaluation of coal properties in terms of gasification

• Autorzy: Marciniak-Kowalska J. , Niedoba T. , Surowiak A. , Tumidajski T.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amsc-2014-0047

Warianty tytułu

PL

Wielokryterialna ocena właściwości węgla w kontekście jego zgazowania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a comparative analysis of two types of coal taken from the ZG Janina and ZG Wieczorek coalmines. The aim of this study has been to analyze the suitability of the coal in the context of the gasification process. The types of coal vary considerably in terms of their characteristics. Each of them was subjected to treatment in a ten-ringed annular jig. A particle size of 0-18 mm constituted the feed. The separated coal was divided into five layers, each of them containing material from two additional annular jigs. Analysis of their characteristics was carried out for each of the five layers and for both types of coal obtained, taking into account both their physicochemical properties as well as chemical ones. Each of these characteristics was then presented in three-dimensional surface diagrams, where the ordinate (or Y-axis) and abscissa (X-axis) was the particle size and height in which the material ended up in the jig (expressed as a percentage of the total height of the device). On the basis of observations, it was found that the types of coal have different potential for gasification, although both types are within the limits specified on the basis of previous studies. A correlation analysis between particle size and remaining characteristics of coal was carried out for each of the layers, allowing to determine which of the studied characteristics induced changes significant from the point of view of the coal gasification process. The entire research and observation was supported by conclusions and findings, which shall form the basis for further, in-depth analysis of coal.

PL

Proces zgazowania węgla technologią naziemną jest coraz częściej rozważanym rozwiązaniem na całym świecie. Przyczyną tego stanu jest zarówno kwestia ochrony środowiska, jak i logistyki zagospodarowania produktów przeróbki węgla. Nie inaczej jest również w Polsce, gdzie od kilku lat proces zgazowania jest jednym z głównych tematów badawczych w dziedzinie polskiego górnictwa węglowego. Efektem tego jest szereg badań i doświadczeń, jak również publikacji naukowych. W artykule dokonano analizy porównawczej dwóch typów węgla kamiennego, które pobrane były w Zakładach Górniczych Janina (typ węgla 31.2) oraz Zakładach Górniczych Wieczorek (typ węgla 32). Węgle te znacząco się różnią pod względem charakterystyk. Każdy z nich został poddany rozdziałowi w osadzarce pierścieniowej o 10 pierścieniach. Nadawę stanowił węgiel o uziarnieniu 0-18 mm. Rozdzielony węgiel został podzielony na 5 warstw, z których każda zawierała materiał z dwóch kolejnych pierścieni osadzarki. Dla każdej z otrzymanych w ten sposób pięciu warstw dla obu typów węgli dokonano następnie analizy ich charakterystyk, biorąc pod uwagę zarówno cechy fizykochemiczne, jak i czysto chemiczne. Do tych pierwszych zaliczono takie parametry, jak zawartość węgla pierwiastkowego, zawartość popiołu oraz ciepło spalania, do drugich zaś zawartość azotu, zawartość chloru, zawartość siarki oraz zawartość wodoru. Szczegółowe dane dla dwóch skrajnych warstw przedstawiono w tabelach 1-4. Każdą z omawianych cech przedstawiono następnie na trójwymiarowych wykresach powierzchniowych, gdzie osiami rzędnych i odciętych były wielkość ziarna oraz wysokość, na której znalazł się materiał w osadzarce (wyrażona w procentach wysokości urządzenia). Wykresy te (rys. 1-8) stanowiły bazę do analizy porównawczej obu węgli pod kątem ich przydatności do procesu zgazowania naziemnego. Wyraźnie widać, że węgle te mają inny potencjał do zgazowania, choć oba typy mieszczą się w granicach wartości ograniczających (tab. 5), określonych na podstawie wcześniejszych badań. Następnie dokonano jeszcze analizy korelacji pomiędzy wielkością ziarna a pozostałymi charakterystykami badanych węgli dla każdej z warstw. Wyniki zobrazowano w tabeli 6. Przykładowo stwierdzono, że: – wraz ze wzrostem wielkości ziaren w warstwach zmieniają się ich związki z charakterystykami pierwiastkowymi węgli (w kolumnach (warstwach) następuje zmiana znaku współczynnika korelacji oraz miary jego istotności); – zasadnicze różnice występują dla siarki – dla KWK Wieczorek współczynniki te są ujemne, co świadczy o tym, że siarka w tym węglu jest prawdopodobnie siarką organiczną (w warstwach najcięższych poziom siarki maleje). Przeciwnie jest w ZG Janina, gdzie dla najcięższych warstw zawartość siarki nie zmienia się (co może być spowodowane znaczącym udziałem zrostów pirytowych). Chlor w ZG Janina koncentruje się zwłaszcza w klasach najdrobniejszych niezależnie od warstwy. Inaczej układają się współczynniki dla ZG Janina, ich istotność spada a dla warstw najcięższych ilość chloru nieznacznie wzrasta wraz z wielkością ziaren. Stopień uwęglenia w warstwach najlżejszych rośnie wraz ze wzrostem wielkości ziaren dla warstw najcięższych maleje. Można powiedzieć, że w KWK Wieczorek tylko ostatnia warstwa zawiera niewielkie zrosty węgla. Analiza współczynników korelacji dla ciepła spalania i zawartości popiołu prowadzi do analogicznych wniosków (ze względu na naturalne powiązania fizyczne tych właściwości). Współczynniki korelacji pomiędzy wielkością ziarna a zawartościami azotu w obu kopalniach układają się podobnie, przy czym zależności te są bardziej znaczące dla węgli z ZG Janina; dla obu węgli współczynniki są dodatnie dla trzech najlżejszych warstw i ujemne dla warstw najcięższych (azot występuje w większych i cięższych kawałkach węgla). Na podstawie dokonanych analiz można stwierdzić, iż oba węgle są dostatecznie dobre aby można je było poddać procesowi zgazowania, choć więcej cech sprzyjających temu procesowi posiada węgiel z KWK Wieczorek. Dalsze badania w tym aspekcie trwają i będą przedmiotem kolejnych publikacji.

Słowa kluczowe

EN

coal gasification; suitability for gasification; multivariate data analysis; correlation matrix

PL

zgazowanie węgla; podatność na zgazowanie; wielokryterialna analiza danych; macierz korelacji

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 59, no. 3
• Strony: 677--690
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Marciniak-Kowalska J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Department of Environmental Engineering and Mineral Processing, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Niedoba T.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Department of Environmental Engineering and Mineral Processing, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Surowiak A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Department of Environmental Engineering and Mineral Processing, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Tumidajski T.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Department of Environmental Engineering and Mineral Processing, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Agrawal R. K., 2011. Coal gasification. [In:] Rao K. R. (ed.): Energy and power generation handbook: Established and emerging technologies, chapter 20.
• [2] Bai J., Li W., Li Ch-Z, Bai Z., Li B., 2010. Influences of mineral transformation on the reactivity of high temperature char gasification. Fuel Processing Technology, Vol. 91, p. 404-409.
• [3] Blaschke W., 2009. Przeróbka węgla kamiennego — wzbogacanie grawitacyjne, Kraków, Wydawnictwo IGSMiE PAN.
• [4] Borowiecki T., Kijeński J., Mochnikowski J., Ściążko M. (red.), 2008. Czysta energia, produkty chemiczne i paliwa z węgla — ocena potencjału rozwojowego. IChPW, Zabrze.
• [5] Brożek M., Surowiak A., 2010. Argument of separation at upgrading in the JIG. Archives of Mining Sciences, Vol. 55, No 1, p. 21-40.
• [6] Chmielniak T., Tomaszewicz G., 2012. Zgazowanie paliw stałych-stan obecny i przewidywane kierunki rozwoju. Karbo, Vol. 3, p. 191-201.
• [7] Govind R., Shah J., 1984. Modeling and Simulation of an Entrained Flow Gasifier. AIChE Journal, Vol. 30(1), p. 79-92.
• [8] Jamróz D., Niedoba T., 2014. Application of Observational Tunnels Method to Select Set of Features Sufficient to Identify a Type of Coal. Physicochemical Problems of Mineral Processing, Vol. 50(1), p. 185-202.
• [9] Jamróz D., 2009. Multidimensional labyrinth — multidimensional virtual reality. [In:] Cyran K., Kozielski S., Peters J., Stanczyk U., Wakulicz-Deja A. (eds.), Man-Machine, Interactions, AISC, Heidelberg, Springer-Verlag, Vol. 59, p. 445-450.
• [10] Jamróz D., 2014a. Application of multidimensional scaling to classification of various types of coal. Archives of Mining Sciences, Vol. 59(2), p. 413-425.
• [11] Jamróz D., 2014b. Application of multi-parameter data visualization by means of autoassociative neural networks to evaluate classification possibilities of various coal types. Physicochemical Problems of Mineral Processing, Vol. 50(2), p. 719-734.
• [12] Kosminski A., Ross D. P., Agnew J. B., 2006. Transformations of sodium during gasification of low-rank coal. Fuel Processing Technology, p. 943-952.
• [13] Krawczykowski D., Marciniak-Kowalska J., Surowiak A., 2013. Adjustment of technological characteristics of coal to the process requirements of their gasification. Polish Journal of Environmental Studies, Vol. 22, p. 22-25.
• [14] Lee S., Speight J. G., Loyalka S. K., 2007. Handbook of alternative fuel technologies. CRC Press, Taylor & Francis Group.
• [15] Li W., Lu H., Chen H., Li B., 2005. Volatilization behavior of fluorine in coal during fluidized-bedpyrolysis and CO2gasification. Fuel, Vol. 84, p. 353-357.
• [16] Łabojko G., Kotyczka-Morańska M., Plis A., Ściążko M., 2012. Kinetic study of polish hard coal and its char gasification using carbon dioxide. Termochimica Acta, Vol. 549, p. 158-165.
• [17] Marciniak-Kowalska J. et al. Sprawozdanie projekt NCBiR, 2012, 13: Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii, sprawozdanie z cz. tematu badawczego 2.1.2 pt. Badania wzbogacania węgla na drodze przeróbki mechanicznej, praca niepublikowana.
• [18] Niedoba T., Jamróz D., 2013. Visualization of multidimensional data in purpose of qualitative classification of various types of coal. Archives of Mining Sciences, Vol. 58, No 4, p. 1317-1331.
• [19] Niedoba T., 2014. Multi-parameter data visualization by means of principal component analysis (PCA) in qualitative evaluation of various coal types. Physicochemical Problems of Mineral Processing, Vol. 50(2), p. 575-589.
• [20] Niedoba T., 2013. Wielowymiarowe charakterystyki zmiennych losowych w opisie materiałów uziarnionych i procesów ich rozdziału. Studia, Rozprawy, Monografie, Polska Akademia Nauk. Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią, Vol. 182, Kraków.
• [21] Nonaka M., Hirajima T., Sasaki K., 2013. Gravity separation and its effect on CO2gasification. Fuel, Vol. 103, p. 37-41.
• [22] Park S., Lee J. W., Seo H. K., Kim G. S., Kim K. T., 2011. Experimental investigations of the effect of coal type and coal burner with different oxygen supply angles on gasification characteristics. Fuel Processing Technology, Vol. 92, p. 1374-1379.
• [23] Pomykała R., Mazurkiewicz M., 2011. Proces zgazowania węgla w świetle właściwości powstających odpadów. Przegląd Górniczy, Vol. 7-8, p. 183-189.
• [24] Seo H. K., Park S., Lee J., Kim M., Chung S. W., Chung J. H., Kim K., 2011. Effects of operating factors in the coal gasification reaction. Korean Journal of Chemical Engineering, Vol. 28(9), p. 1851-1858.
• [25] Sobolewski A., Chmielniak T., Topolnicka T., Świeca G., 2012. Charakterystyka polskich węgli w aspekcie ich przydatności do procesu zgazowania fluidalnego. Przegląd Górniczy, Vol. 2, p. 174-183.
• [26] Sobolewski A., Chmielniak T., Topolnicka T., Gieza N., 2013. Dobór węgli do zgazowania w ciśnieniowym reaktorze fluidalnym, Karbo, Vol. 1, p. 28-38.
• [27] Stępiński W., 1964. Wzbogacanie grawitacyjne. Łódź-Warszawa-Kraków, Wydawnictwo PWN.
• [28] Strugała A., Czalicka-Kolarz K., Ściązko M., 2011. Projekty nowych technologii zgazowania węgla powstające w ramach Programu Strategicznego NCBiR. Polityka Energetyczna, Vol. 14(2), p. 375-390.
• [29] Strugała A., Czerski G., 2012. Badania nad technologiami zgazowania węgla w Polsce. Przemysł Chemiczny, Vol. 91(11), p. 2181-2185.
• [30] Surowiak A., 2013a. Assessment of coal mineral matter liberation efficiency index. Inżynieria Mineralna, Vol. 14(2), p. 153-158.
• [31] Surowiak A., 2013b. Badania nad wzbogacaniem węgli kamiennych przeznaczonych do procesu zgazowania w gazoge-neratorze ze złożem fluidalnym. Przegląd Górniczy, Vol. 69(2), p. 239-244.
• [32] Surowiak A., 2014a. Możliwości uszlachetniania węgli kamiennych przeznaczonych do procesu zgazowania naziemnego. Przegląd Górniczy, Vol. 70(4), p. 59-66.
• [33] Surowiak A., 2014b. Influence of particle density distributions of their settling velocity for narrow size fractions. Mineral Resources Management - Gospodarka Surowcami Mineralnymi, Vol. 30(1), p. 105-122.
• [34] Surowiak A., Brożek M., 2014a. Methodology of Calculation the Terminal Settling Velocity Distribution of Spherical Particles for High Values of the Reynold’s Number. Archives of Mining Sciences, Vol. 59, No 1, p. 269-283.
• [35] Surowiak A., Brożek M., 2014b. Methodology of Calculation the Terminal Settling Velocity Distribution of Irregular Particles for High Values of The Reynold’s Number. Archives of Mining Sciences, Vol. 59, No 2, p. 553-562.
• [36] Tumidajski T., 1997. Stochastyczna analiza własności materiałów uziarnionych i procesów ich rozdziału. Rozprawy, monografie, Vol. 57, Wydawnictwa AGH.
• [37] Yun Y., Yoo Y. D., Chung S. W., 2007. Selection of IGCC candidate coals by pilot-scale gasifier operation. Fuel Processing Technology, Vol. 88(2), p. 107-116.
• [38] Xu J., Qiao L., 2012. Mathematical Modeling of Coal Gasification Processes in a Well-Stirred Reactor: Effects of De-volatilization and Moisture Content. Energy Fuels, Vol. 26, p. 5759-5768.