A comparative study of the oxide and elemental composition of ash from lignite burned at various temperatures – Konin Lignite Mine, Central Poland

• Autorzy: Chomiak Lilianna , Widera Marek

Identyfikatory

DOI

10.24425/gsm.2020.133942

Warianty tytułu

PL

Badania porównawcze składu tlenkowego i pierwiastkowego popiołów ze spalania węgla brunatnego w różnych temperaturach – Kopalnia Węgla Brunatnego KONIN w centralnej Polsce

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Lignite still plays a key role in the production of electricity in Poland. About one-third of domestic electric energy comes from lignite burned in large power plants that produce megatons (Mt) of bottom ash and fly ash annually. Nearly 11 wt% of the total ash generated by the lignite-fired power industry in Poland comes from lignite extracted from the Konin Lignite Mine. Part of the ash escapes into the atmosphere, and the rest is utilized, which is expensive and often harmful to the environment; hence, geochemical studies of these ashes are fully justified and increasingly carried out. The lignite samples examined in this paper represent the entire vertical section of the first Mid-Polish lignite seam (MPLS-1) mined in opencasts at Jóźwin IIB, Drzewce, and Tomisławice. First, the samples were oxidized (burnt) at one of three temperatures: 100, 850, and 950°C; then the chemical composition of oxides and trace elements was determined according to the ASTM D6349-13 standard. The ashes were rich in SiO₂ and CaO; Ba, Sr, and Cu dominated the trace element content. Among the harmful elements found, Pb is of most concern. Only a few elements (Ba, Cu, Pb, Sb) reached values higher than their corresponding Clarke values. Based on the results obtained, it can be concluded that the examined ashes are approximately as harmful to the environment as ashes from other lignite used to generate electricity. Moreover, the increased amount of CaCO₃ in the MPLS-1 is beneficial in the process of natural desulphurization.

PL

W ostatnich latach około jednej trzeciej polskiej energii elektrycznej pochodzi z węgla brunatnego, który jest spalany w wielkich elektrowniach. Powoduje to produkcję popiołów (żużla paleniskowego i popiołu lotnego) w łącznej ilości wyrażonej w milionach ton (Mt). Blisko 11% wag. popiołu produkowanego przez polską energetykę opartą na węglu brunatnym pochodzi z węgla wydobywanego przez Kopalnię Węgla Brunatnego Konin. Oczywiście, popiół jest składnikiem niepożądanym w węglu z wielu względów. Część popiołu może przedostać się do atmosfery, a pozostałą część należy poddać utylizacji, co jest kosztowne i często szkodliwe dla środowiska naturalnego. Stąd badania geochemiczne tych popiołów wydają się celowe i dlatego są coraz częściej przeprowadzane. Badane w tej pracy uśrednione próbki węgla reprezentują cały profil pierwszego środkowopolskiego pokładu węglowego (MPLS-1) eksploatowanego w odkrywkach: Jóźwin IIB, Drzewce i Tomisławice. Te próbki zostały najpierw utlenione/spalone w temperaturze: 100, 850 i 950°C. Następnie został określony ich skład chemiczny (tlenki i pierwiastki śladowe) według normy ASTM D6349-13. Badane popioły cechują się dominacją SiO₂ i CaO, zaś w składzie pierwiastków śladowych przeważają: Ba, Sr i Cu. Natomiast wśród pierwiastków szkodliwych najważniejszy jest Pb. Wreszcie, tylko kilka z analizowanych pierwiastków (Ba, Cu, Pb, Sb) osiąga wartości wyższe niż wartości odpowiednich klarków. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że badane popioły są w przybliżeniu tak samo szkodliwe dla środowiska jak popioły z innych węgli brunatnych używanych do wytwarzania energii elektrycznej, a zwiększona ilość CaCO₃ jest też korzystna w procesie naturalnego odsiarczania.

Słowa kluczowe

EN

ash yield; oxide composition; elemental composition; Pearson correlation; Clarke value

PL

zawartość popiołu; skład tlenkowy; skład pierwiastkowy; korelacja Pearsona; wartość klarkowa

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2020
• Tom: T. 36, z. 4
• Strony: 145--160
• Opis fizyczny: Bibliogr. 55 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Chomiak Lilianna

• Institute of Geology, Adam Mickiewicz University in Poznań, Poland; ORCID iD: 0000-0003-4932-2732

autor

Widera Marek

• Institute of Geology, Adam Mickiewicz University in Poznań, Poland; ORCID iD: 0000-0001-5092-2845

Bibliografia

• [1] Akkiraz et al. 2012 – Akkiraz, M.S., Akgün, F., Utescher, T., Wilde, V., Bruch, A.A., Mosbrugger, V. and Üçbaş, S.D. 2012. Palaeofl ora and Climate of Lignite-bearing Lower−Middle Miocene Sediments in the Seyitömer and Tunçbilek Sub-basins, Kütahya Province, Northwest Turkey. Turkish Journal of Earth Sciences 21, pp. 213–235.
• [2] ASTM D 388:2005 – Standard Classification of Coals by Rank. American Society for Testing and Materials.
• [3] ASTM D6349-13 – Standard Test Method for Determination of Major and Minor Elements in Coal, Coke, and Solid Residues from Combustion of Coal and Coke by Inductively Coupled Plasma & mdash; Atomic Emission Spectrometry. American Society for Testing and Materials.
• [4] Bechtel et al. 2019 – Bechtel, A., Widera, M. and Woszczyk, M. 2019. Composition of lipids from the First Lusatian lignite seam of the Konin Basin (Poland): relationships with vegetation, climate and carbon cycling during the mid-Miocene Climatic Optimum. Organic Geochemistry 138, DOI: 10.1016/j.orggeochem.2019.103908.
• [5] Bechtel et al. 2020 – Bechtel, A., Widera, M., Lücke, A., Groß, D. and Woszczyk, M. 2020. Petrological and geochemical characteristics of xylites and associated lipids from the First Lusatian lignite seam (Konin Basin, Poland): implications for floral sources, decomposition and environmental conditions. Organic Geochemistry 146, DOI: 10.1016/j.orggeochem.2020.104052.
• [6] Bielowicz, B. 2013. Selected harmful elements in Polish lignite (Występowanie wybranych pierwiastków szkodliwych w polskim węglu brunatnym). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 29(3), pp. 47–59 (in Polish with English abstract).
• [7] Bielowicz, B. 2016. Qualitative and chemical characteristics of mineral matter in the selected lignite deposits in light of their suitability for clean coal technologies. E3S Web of Conferences 10, 00002, DOI: 10.1051/e3sconf/20161000002.
• [8] BN-79/6722-09 – Fly ash and slag from coal and brown coal fired boilers.
• [9] Carmona, I. and Ward, C.R. 2008. Composition and mode of occurrence of mineral matter in some Colombian coals. International Journal of Coal Geology 73, pp. 3–8.
• [10] Chomiak, L. 2020a. Variation of lignite ash in vertical and horizontal sections of mining walls in the Konin Lignite Mine, central Poland. Geology, Geophysics and Environment 46(1), pp. 17–28.
• [11] Chomiak, L. 2020b. Crevasse splays within a lignite seam at the Tomisławice opencast mine near Konin, central Poland: architecture, sedimentology and depositional model. Geologos 26(1), pp. 25–37.
• [12] Chomiak et al. 2019 – Chomiak, L., Maciaszek, P., Wachocki, R., Widera, M. and Zieliński, T. 2019. Seismically-induced soft-sediment deformation in crevasse-splay microdelta deposits (Middle Miocene, central Poland). Geological Quarterly 63(1), pp. 162–177.
• [13] Chomiak et al. 2020a – Chomiak, L., Urbański, P. and Widera, M. 2020. Architecture and origin of clays within the upper part of lignites of the Poznań Formation (Middle Miocene) – the Tomisławice lignite opencast near Konin in central Poland (Architektura i geneza iłów w górnym poziomie węgli brunatnych formacji poznańskiej (środkowy miocen) – odkrywka Tomisławice k. Konina w środkowej Polsce). Przegląd Geologiczny 68(6), pp. 526–534 (in Polish with English abstract).
• [14] Chomiak et al. 2020b – Chomiak, L., Kaczmarek, P., Kubiak, M. and Widera, M. 2020. Chemical composition of ashes from selected sections of the lignite seam mined in the Konin Basin, Central Poland. World Multidisciplinary Earth Sciences Symposium – WMESS 2020, 7–11 September, 2020 – Prague (Czech Republic).
• [15] Dadlez et al. 2000 – Dadlez, R., Marek, S. and Pokorski, J. eds. 2000. Geological map of Poland without Cenozoic deposits, scale 1:1000000 (Mapa geologiczna Polski bez osadów kenozoicznych w skali 1: 1 000 000). Warszawa: Polish Geological Institute (in Polish).
• [16] ECE-UN 1998 – International classification of in-seam coals. ECE-UN Geneva, UN New York.
• [17] Filippidis et al. 1996 – Filippidis, A., Georgakopoulos, A. and Kassoli-Fournaraki, A. 1996. Mineralogical components of some thermally decomposed lignite and lignite ash from the Ptolemais basin, Greece. International Journal of Coal Geology 30, pp. 303–314.
• [18] Galos, K. and Uliasz-Bocheńczyk, A. 2005. Sources and utilization of fly ashes from coal combustion in Poland (Źródła i użytkowanie popiołów lotnych ze spalania węgli w Polsce). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 21(1), pp. 23–42 (in Polish with English abstract).
• [19] Galos et al. 2016 – Galos, K., Szlugaj, J., Burkowicz, A. 2016. Sources of limestone sorbents for flue gas desulphurization in Poland in the context of the needs of domestic power industry (Źródła sorbentów wapiennych do odsiarczania spalin w Polsce w kontekście potrzeb krajowej energetyki). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 19(2), pp. 149–170 (in Polish).
• [20] Goldsztejn, P. 2007. Abundances of selected elements in brown coal from Ościsłowo deposit in Konin area (Koncentracje wybranych pierwiastków w węglu brunatnym ze złoża Oscisłowo w rejonie Konina). Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej 118(33), pp. 17–24 (in Polish with English abstract).
• [21] Hycnar et al. 2015 – Hycnar, E., Ratajczak, T., Jończyk, W. and Wagner, M. 2015. The ecological criteria for evaluation the quality lignite on the example of the Bełchatów deposit (Ekologiczne kryteria oceny jakości węgla brunatnego na przykładzie złoża Bełchatów). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk 91, pp. 81–89 (in Polish with English abstract).
• [22] ISO 1171:2010 – Solid mineral fuels – Determination of ash.
• [23] Karayiğit et al. 2019 – Karayiğit, A.İ., Yğitler, Ö., İsȩrli, S., Querol, X., Mastalerz, M., Oskay, R.G. and Hower, J.C. 2019. Mineralogy and Geochemistry of Feed Coals and Combustion Residues from Tunçbilek and Seyitömer Coal-Fired Power Plants in Western Turkey. Coal Combustion and Gasification Products 11, pp. 18–31.
• [24] Kasiński, J.R. and Słodkowska, B. 2016. Factors controlling Cenozoic anthracogenesis in the Polish Lowlands. Geological Quarterly 60, pp. 959–974.
• [25] Kasztelewicz et al. 2018 – Kasztelewicz, Z., Ptak, M. and Sikora, M. 2018. Brown coal as an optimal energy raw material for Poland (Węgiel brunatny optymalnym surowcem energetycznym dla Polski). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk 106, pp. 61–84 (in Polish with English abstract).
• [26] Ketris, M.P. and Yudovich, Y.E. 2009. Estimations 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.
• [27] Kolovos et al. 2002 – Kolovos, N., Georgakopoulos, A., Filippidis, A. and Kavouridis, C. 2002. Environmental Effects of Lignite and Intermediate Steriles Coexcavation in the Southern Lignite Field Mine of Ptolemais, Northern Greece. Energy Sources 24, pp. 561–573.
• [28] Kwiecińska, B. and Wagner, M. 2001. Application of reflectance in natural and technological classification of brown coal (lignite) (Zastosowanie współczynnika odbicia w naturalnej i technologicznej klasyfikacji węgla brunatnego (lignitu)). Kraków: AGH, 35 pp. (in Polish).
• [29] Ma et al. 2020 – Ma, J., Liu, B., Zhang, K., Wang, Z., Li, J., Blokhin, M.G. and Zhao, C. 2020. Geochemical characteristics of No. 6 coal from Nanyangpo Mine, Datong coalfield, north China: Emphasis on the influence of hydrothermal solutions. Energy Exploration & Exploitation, pp. 1–20. DOI: 10.1177/0144598720922309.
• [30] Maciaszek et al. 2020 – Maciaszek, P., Chomiak, L., Urbański, P. and Widera, M. 2020. New insights into the genesis of the “Poznań Clays” – upper Neogene of Poland. Civil and Environmental Engineering Reports 30, pp. 18–32.
• [31] Markič, M. and Sachsenhofer, R.F. 2010. The Velenje Lignite: Its Petrology and Genesis. Ljubljana: Geološki Zavod Slovenije, 218 pp.
• [32] Mazurek, S. and Tymiński, M. 2020. Lignites (Węgle brunatne). [In:] Szuflicki, M., Malon, A. and Tymiński, M. (eds.) 2020. The Balance of Mineral Resources Deposits in Poland as of 31.12.2018. Warszawa: Polish Geological Institute, pp. 35–40 (in Polish).
• [33] Misiak, J. 2015. Coal particles in the fly ashes from Polish coal combustion (Cząstki węglowe w popiołach lotnych ze spalania węgla z polskich złóż). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 31(3), pp. 111–120 (in Polish with English abstract).
• [34] Moore et al. 2018 – Moore, D.S., Notz, W.I. and Flinger, M.A. 2018. The basic practice of statistics (8th ed.). New York: Freeman and Company, 654 pp.
• [35] Oskay et al. 2019 – Oskay, R.G., Christanis, K. and Salman, M. 2019. Coal features and depositional environment of the Northern Karapınar–Ayrancı coal deposit (Konya, Central Turkey). Turkish Journal of Earth Sciences 28, pp. 260–274.
• [36] Piwocki, M. and Ziembińska-Tworzydło, M. 1997. Neogene of the Polish Lowlands – lithostratigraphy and pollen-spore zones. Geological Quarterly 41(1), pp. 21–40.
• [37] PN-ISO 1171:2002. Solid fuels. Ash determination (in Polish).
• [38] Ratajczak et al. 1999 – Ratajczak, T., Gaweł, A., Górniak, K., Muszyński, M., Szydłak, T. and Wyszomirski, P. 1999. Characteristics of fly ash from combustion of some hard and brown coals (Charakterystyka popiołów lotnych ze spalania niektórych węgli kamiennych i brunatnych). Polskie Towarzystwo Mineralogiczne – Prace specjalne 13, pp. 9–34 (in Polish).
• [39] Rudnick, R.L. and Gao, S. 2003. The composition of the continental crust. [In:] Rudnick, R.L. ed., The Crust. Elsevier-Pergamon, Oxford, 64 pp.
• [40] Tajduś et al. 2014 – Tajduś, A., Kaczorowski, J., Kasztelewicz, Z., Czaja, P., Cała, M., Bryja, Z. and Żuk, S. 2014. Brown coal – an offer for Polish power industry – development possibilities for brown coal mining functioning in Poland by the year 2050 (Węgiel brunatny – oferta dla polskiej energetyki - możliwości rozwoju wydobycia węgla brunatnego funkcjonującego w Polsce do 2050 roku). Kraków: Komitet Górnictwa PAN, 85 pp. (in Polish).
• [41] Thomas, L. and Frankland, S. 2004. Mining at Gacko opencast mine, Bosnia-Herzegovina a question of economics. Geologica Belgica 7(3–4), pp. 267–271.
• [42] Uliasz-Bocheńczyk, A. 2011. Mineral sequestration of CO2 using water suspensions of selected fly ashes from the combustion of lignite coal (Mineralna sekwestracja CO2 przy zastosowaniu zawiesin wodnych wybranych popiołów lotnych ze spalania węgla brunatnego). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 27(1), pp. 145–153 (in Polish with English abstract).
• [43] Urbański, P. and Widera, M. 2020. Is the Złoczew lignite deposit geologically suitable for the first underground gasification installation in Poland? Geologos 26(2), pp. 113–125.
• [44] Vassilev et al. 1997 – Vassilev, S.V., Kitano, K. and Vassileva, C.G. 1997. Relations between ash yield and chemical and mineral composition of coals. Fuel 76, pp. 3–8.
• [45] Villalba-Breva et al. 2012 – Villalba-Breva, S., Martín-Closas, C., Marmi, J., Gomez, B. and Fernández-Marrón, M.T. 2012. Peat-forming plants in the Maastrichtian coals of the Eastern Pyrenees. Geologica Acta 10(2), pp. 189–207.
• [46] Wagner, M. 2001. Determination of toxic and harmful elements in coal and its ashes (Oznaczanie pierwiastków toksycznych i szkodliwych w węglu i jego popiołach). [In:] Stryszewski, M. Selective exploitation of lignite as a method of limiting the harmful environmental impact of elements present in coal and its combustion products (Eksploatacja selektywna węgla brunatnego jako metoda ograniczenia szkodliwego oddziaływania na środowisko pierwiastków obecnych w węglu i produktach jego spalania). Kraków: AGH (in Polish).
• [47] Wagner, M. and Matl, K. 2007. Stratigraphy of lacustrine chalk from the “Szczerców” lignite deposit (Stratygrafia kredy jeziornej ze złoża węgla brunatnego „Szczerców”). Geologia 33(3), pp. 289–315 (in Polish with English abstract).
• [48] Wagner et al. 2019 – Wagner, M., Bielowicz, B. and Misiak, J. 2019. Analysis of the occurrence of critical elements and raw materials in Polish lignite deposits with particular emphasis on coal ashes. [In:] 2nd International Conference on the Sustainable Energy and Environmental Development. 14–17 November 2017, Kraków, Poland. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 214 (2019) 012026, DOI: 10.1088/1755-1315/214/1/012026.
• [49] Ward, C.R. 2002. Analysis and significance of mineral matter in coal seams. International Journal of Coal Geology 50, pp. 135–168.
• [50] Widera, M. 2007. Lithostratigraphy and palaeotectonics of the sub-Pleistocene Cenozoic of Wielkopolska (Litostratygrafia i paleotektonika kenozoiku podplejstoceńskiego Wielkopolski). Poznań: Adam Mickiewicz University Press, 224 pp. (in Polish with English abstract).
• [51] Widera, M. 2016a. Genetic classification of Polish lignite deposits: A review. International Journal of Coal Geology 158, pp. 107–118.
• [52] Widera, M. 2016b. Depositional environments of overbank sedimentation in the lignite-bearing Grey Clays Member: new evidence from Middle Miocene deposits of central Poland. Sedimentary Geology 335, pp. 150–165.
• [53] Widera, M. 2016c. An overview of lithotype associations forming the exploited lignite seams in Poland. Geologos 22(3), pp. 213–225.
• [54] Widera, M. 2018. Tectonic and glaciotectonic deformations in the areas of Polish lignite deposits. Civil and Environmental Engineering Reports 28, pp. 182–193.
• [55] Životić et al. 2019 – Životić, D., Cvetković, O., Vulić, P., Gržetić, I., Simić, V., Ilijević, K., Dojčinović, B., Erić, S., Radić, B., Stojadinović, S. and Trifunović, S. 2019. Distribution of major and trace elements in the Kovin lignite (Serbia). Geologia Croatica 72(1), pp. 51–79.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).