The high temperature ashes (HTA ) from bituminous coal combustion as a potential resource of rare earth elements

• Autorzy: Adamczyk Z. , Komorek J. , Lewandowska M.

Identyfikatory

DOI

10.24425/122576

Warianty tytułu

PL

Wysokotemperaturowe popioły (HTA) ze spalania węgla kamiennego jako potencjalne źródło pierwiastków ziem rzadkich

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Potential sources of rare earth elements are sought after in the world by many researchers. Coal ash obtained at high temperatures (HTA ) is considered among these sources. The aim of the study was an evaluation of the suitability of the high temperature ash (HTA ) formed during the combustion of bituminous coal from the Ruda beds of the Pniówek coal mine as an potential resource of REY. The 13 samples of HTA obtained from the combustion of metabituminous (B) coal were analyzed. The analyses showed that the examined HTA samples varied in their chemical composition. In accordance with the chemical classification of HTA , the analyzed ash samples were classified as belonging to the following types: sialic, sialocalcic, sialoferricalcic, calsialic, fericalsialic, ferisialic. The research has shown that the rare earth elements content (REY) in examined HTA samples are characterized by high variability. The average REY content in the analyzed ashes was 2.5 times higher than the world average (404 ppm). Among rare earth elements, the light elements (LREY) were the most abundant. Heavy elements (HREY) had the lowest share. A comparison of the content of the individual rare earth elements in HTA samples and in UCC showed that it was almost 20 times higher than in UCC. The distribution patterns of REY plotted for all samples within their entire range were positioned above the reference level and these curves were of the M-H or M-L type. The data presented indicate, that the analyzed ash samples should be regarded as promising REY raw materials. Considering the fact that in 7 out of 13 analyzed ash samples the REY content was higher than 800 ppm, REY recovery from these ashes may prove to be economic.

PL

Potencjalne źródła pierwiastków ziem rzadkich są poszukiwane w świecie przez wielu badaczy. Wśród tych źródeł rozpatrywany jest popiół z węgla uzyskiwany w wysokich temperaturach (HTA). Celem artykułu była ocena wysokotemperaturowych popiołów (HTA) pochodzących ze spalania węgla kamiennego warstw rudzkich z KWK Pniówek, pod kątem ich wykorzystania jako alternatywnego źródła REY. Badaniom poddano 13 próbek popiołów HTA uzyskanych ze spalenia węgla o średnim stopniu uwęglenia B. Zgodnie z klasyfikacją chemiczną popiołów HTA , badane próbki popiołów zaklasyfikowano do następujących typów: krzemianowo-glinowych, krzemianowo-glinowo-wapniowych, krzemianowoglinowo-żelazowo-wapniowych, wapniowo-krzemianowo-glinowych, żelazowo-wapniowokrzemianowo-glinowych, żelazowo-krzemianowo-glinowych. Badania wykazały, że zawartość pierwiastków ziem rzadkich REY w badanych próbkach popiołów HTA charakteryzuje się dużą zmiennością. Średni udział REY w analizowanych popiołach jest 2,5 razy większy od średniej dla złóż światowych (404 ppm). Wśród pierwiastków ziem rzadkich największy udział mają pierwiastki lekkie LREY. Najmniejszym udziałem charakteryzują się pierwiastki ciężkie HREY. Porównanie zawartości poszczególnych pierwiastków ziem rzadkich w próbkach popiołów HTA i w UCC wykazało, że jest ona prawie do 20 razy większa niż w UCC. Krzywe normalizacyjne wyznaczone dla wszystkich próbek w całym swoim zakresie znajdują się powyżej poziomu odniesienia i są to krzywe typu M-H lub typu M-L. Przedstawione dane wskazują, że analizowane próbki popiołów należy uznać za obiecujące surowce REY. Uwzględniając fakt, że w 7 z 13 analizowanych próbek popiołu zawartość REY jest wyższa niż 800 ppm, odzysk REY z tych popiołów może okazać się ekonomiczny.

Słowa kluczowe

EN

rare earth elements; yttrium; high temperature ash; critical raw materials

PL

pierwiastki ziem rzadkich; itr; wysokotemperaturowy popiół węglowy; surowce krytyczne

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 34, z. 3
• Strony: 135--150
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 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

Bibliografia

• [1] Adamczyk et al. 2014 – Adamczyk, Z., Komorek, J., and Lewandowska, M., 2014. Specific types of coal macerals from Orzesze and Ruda beds from Pniówek coal mine (USC B – Poland) as a manifestation of thermal metamorphism. Archives of Mining Sciences 59(1), pp. 75–89.
• [2] Adamczyk et al. 2016 – Adamczyk Z., Jakóbik A., Komorek J., Lewandowska M., Osadnik M., 2016. The distribution of rare earth elements (REE) during sequential chemical leaching of coal from seam 404, Pniówek Coal Mine (USC B) (Dystrybucja pierwiastków ziem rzadkich (REE) w procesie sekwencyjnego ługowania węgla z pokładu 404 KWK Pniówek (GZW)). Systemy Wspomagania w Inżynierii Produkcji 5 (17), pp. 21–37 (in Polish).
• [3] Alonso et al. 2012 – Alonso, E., Sherman, A., Wallington, T., Everson, M,. Field, F., Roth, R., and Kirchain, R. 2012. Evaluating rare earth element availability: a case with revolutionary demand from clean technologies. Environmental Science & Technology 6(6) pp. 3406–3414.
• [4] 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.
• [5] Blaschke et al. 2015 – Blaschke, W., Witkowska-Kita, B. and Biel, K. 2015. Analysis of the possibility of obtaining critical minerals (Analiza możliwości pozyskiwania krytycznych surowców mineralnych). Annual Set The Environment Protection, Rocznik Ochrona Środowiska 7, pp. 792–813 (in Polish).
• [6] 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.
• [7] Całusz-Moszko, J. and Białecka, B. 2012. Potencjał i zasoby metali ziem rzadkich w świecie oraz w Polsce. Artykuł przeglądowy. Prace Naukowe GIG Górnictwo i Środowisko 4, pp. 61–72.
• [8] Całusz-Moszko, J. and Białecka, B. 2013. Analysis of the possibilities of rare earth elements obtaining from coal and fly ash (Analiza możliwości pozyskiwania pierwiastków ziem rzadkich z węgli kamiennych i popiołów lotnych z elektrowni). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 29(1), pp. 67–80 (in Polish).
• [9] Chen, Z. 2011. Global rare earth resources and scenarios of future rare earth industry. Journal of Rare Earths 29(1), pp.1–6.
• [10] 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.
• [11] 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.
• [12] 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.
• [13] Du, X., and Graedel, T.E. 2013. Uncovering the end uses of the rare earth elements. Science of the Total Environment 461–462, pp. 781–784.
• [14] Fernandez, V. 2017. Rare-earth elements market: A historical and financial perspective. Resources Policy 53, pp.26–45.
• [15] 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.
• [16] Hoenderdal et al. 2013 – Hoenderdal, S., Espinoza, L.T., Marscheider-Weidemann, F. and Graus, W. 2013. Can a dysprosium shortage threaten green energy technologies? Energy 49, pp. 344–355.
• [17] 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.
• [18] 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.
• [19] Hower et al. 2016 –Hower J.C., Granite E.J., Mayfield D.B., Lewis A.S. and Finkelman R.B. 2016. Notes on Contributions to the Science of Rare Earth Element Enrichment in Coal and Coal Combustion Byproducts. Minerals 6(32) pp. 1–9.
• [20] 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 92, pp. 75–88 (in Polish).
• [21] Ketris, M.P. and Yudovich, Y.E. 2009. Estimation of Clarkes for Carbonaceous biolithes: World averages for trace element contents in black shales and coals. International Journal of Coal Geology 78, pp. 135–148.
• [22] 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.
• [23] 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] http://www.flyash.info/ [Accessed: 2018-06-2].
• [24] 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 (in Polish).
• [25] Seredin, V.V. 1996. Rare earth element-bearing coals from the Russian Far East deposits. International Journal of Coal Geology 30, pp. 101–129.
• [26] 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.
• [27] 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.
• [28] Seredin et al. 2013 – Seredin, V.V., Dai, S., Sun, Y. and Chekryzhov, I.Y. 2013. Coal deposits as promising sources of rare metals for alternative power and energy-efficient technologies. Applied Geochemistry 31, pp. 1–11.
• [29] 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).
• [30] Taylor, S.R. and McLennan, S.H. 1985. The Continental Crust: its Composition and Evolution. Blackwell, Oxford, 312 pp.
• [31] Vassilev, S.V. and Vassileva, C.G. 1998. Comparative chemical and mineral characterization of some Bulgarian coals. Fuel Processing Technology 55, pp. 55–69.
• [32] Zhou . et al. 2017 – Zhou, B., Li, Z., Chen, C. 2017.Global Potential of Rare Earth Resources and Rare Earth Demand from Clean Technologies. Minerals 7(11), pp. 203.
• [33] PN-ISO 13909 – Hard coal and coke – Mechanical sampling (Węgiel kamienny i koks – Mechaniczne pobieranie próbek) (in Polish).
• [34] PN-G-04512:1980/Az1:2002 – Determination of ash content by gravimetric method (Oznaczanie zawartości popiołu metodą wagową) (in Polish).
• [35] PN-ISO 11760:2007 (pl) – Classification of coal (Klasyfikacja węgla) (in Polish).

Uwagi

PL

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