PL223849B1

PL223849B1 - Sposób otrzymywania zawiesin wodno-węglowych i zawiesina wodno-węglowa

Info

Publication number: PL223849B1
Application number: PL394495A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Olma; Roman Olma; Zygmunt Kowalski; Marcin Banach; Paweł Staroń
Original assignee: Marcin Banach; Zygmunt Kowalski; Roman Olma; Tomasz Olma; Paweł Staroń
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2016-11-30
Also published as: PL394495A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania zawiesin wodno-węglowych, które mogą być stosowane jako paliwo zastępujące węgiel czy pył węglowy oraz zawiesina wodno-węglowa.

Brak stabilności politycznej w krajach będących głównymi eksporterami ropy naftowej i gazu ziemnego w ostatnich latach doprowadził do znacznego wzrostu cen tych surowców, co uniemożliwia rozbudowę i stabilizację opartego na nich bezpieczeństwa energetycznego. Alternatywą pozostaje węgiel, którego cena pozostaje stosunkowo niska i niezmienna. Węgiel kamienny i brunatny zaczynają odzyskiwać pozycje utracone na rzecz ropy naftowej i gazu ziemnego. Znaczące stają się badania związane z przeróbką węgla na paliwa ciekłe i gazowe. Opracowywane technologie są innowacyjne, proekologiczne i zmierzające do osiągnięcia bezpieczeństwa energetycznego, co czyni je zgodnymi z wymogami zrównoważonego rozwoju.

Pozyskanie energii w Polsce opiera się głównie na spalaniu węgla (93% polskich elektrowni zasilane jest węglem, w tym 60% węglem kamiennym), co skutkuje znacznym zanieczyszczeniem środowiska związanym z emisją SO₂, NO_x, CO₂ a także wytwarzaniem znacznej ilości popiołów i ciepła odpadowego. Cechą charakterystyczną węgla kamiennego o wartości opałowej od 18 400 do 25 500 kJ/kg jest zawartość siarki od 0,6-0,78% i popiołu 5,8-20%. Elektrownia węglowa o mocy 1000 MW zużywa rocznie 3,5 min ton węgla, co skutkuje produkcją 1 min ton popiołu, 120 tys. ton SO₂, 20 tys. t NO_x i 9 min t CO₂. Ograniczenia dopuszczalnych wielkości emisji pociągają za sobą konieczność odsiarczania spalin lub zmianę paliwa. Przykładowo standardy emisji dla źródeł o mocy cieplnej 5100 MW zostały obniżone o 25%, co można osiągnąć przez zmianę węgla na mniej zasiarczony lub zastosowanie bardziej kalorycznego paliwa.

W warunkach polskich ze względu na ochronę środowiska należy dążyć do maksymalnego zmniejszenia zużycia paliw konwencjonalnych. Podyktowane rozwojem gospodarczym, wzrostem jednostkowego zużycia energii, gwałtownym wzrostem zanieczyszczenia środowiska i wzrostem świadomości społecznej na rzecz ochrony środowiska wprowadzanie innowacyjnych technologii energetycznych zapewni jednocześnie ochronę środowiska i bezpieczeństwo energetyczne. Technologia produkcji zawiesin wodno-węglowych w połączeniu z racjonalną gospodarką energią może pozwolić na wprowadzenie systemu trwałego zrównoważonego rozwoju gospodarczego.

Opracowywane technologie przemiany węgla w gazowe i ciekłe produkty pozwalają na zwiększenie wydajności energetycznej paliwa, otrzymanie produktu, który można transportować rurociągiem i przechowywać w zbiornikach. Procesy te wywierają jednak negatywny wpływ na środowisko przez powstawanie produktów ubocznych (np. H₂S) oraz wysoką energochłonność [Loon G.W., Duffy S.J., Chemia środowiska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2008].

Prace nad nowymi technologiami pozwalającymi wykorzystać energetyczne zalety węgla, zminimalizować koszty jego stosowania i zagrożenia wynikłe z jego spalania, ukierunkowały badania w stronę paliwa składającego się z węgla kamiennego i wody. Ponadto istotna okazała się możliwość takiego zagospodarowania ogromnych ilości odpadów węgla (szlamów, mułów).

Paliwo wodno-węglowe jest mieszaniną (zawiesiną) drobno zmielonego węgla i wody. Proces jego przygotowania składa się z trzech etapów: kruszenia, rozdrabniania na mokro materiału węglowego w obecności wody oraz homogenizacji umożliwiającej uzyskanie jednorodnej zawiesiny.

Etap rozdrabniania na mokro determinuje skład granulometryczny zawiesiny, jej lepkość i stabilność. W trakcie mielenia na mokro do zawiesiny mogą zostać wprowadzone stabilizatory i plastyfikatory zwiększające stabilność i zmniejszające lepkość. Etap homogenizacji może być poprzedzony klasyfikacją ziaren.

Parametrem charakteryzującym zawiesiny wodno-węglowe jest procentowa zawartość części stałych. Jest to parametr określający zawartość węgla w zawiesinie, wpływający na jej lepkość i determinujący wartość opałową paliwa. Z jednej strony wzrost zawartości części stałych zwiększa wartość opałową paliwa, z drugiej jednak prowadzi do zwiększenia lepkości zawiesiny, co utrudnia jej pompowanie i wtrysk do palnika. Skład granulometryczny fazy stałej (fazy węglowej) wpływa na lepkość zawiesiny oraz jej stabilność. Zawiesina o mniejszym rozmiarze ziaren fazy stałej jest bardziej stabilna. Ponadto rozmiar cząstek węgla określa minimalny rozmiar dyszy w palniku. Stabilność zawiesiny określa zdolność cząstek węgla do pozostania w stanie równomiernie zawieszonym w całej objętości.

W procesach otrzymywania zawiesin wodno-węglowych najczęściej stosowane są młyny walcowe oraz młyny kulowe sprzężone z klasyfikatorami powietrznymi. Pobór energii przy zastosowaniu

PL 223 849 B1 tego typu urządzeń wynosi około 10 kWh/t. Konsumpcja energii wynika z dużych jej strat w trakcie mielenia. Kłopotliwe są również zanieczyszczenia zawiesiny spowodowane zużywaniem elementów mielących. Intensywne prace doprowadziły jednak do konstrukcji młynów kulowych, które pozwalają na otrzymanie cząstek węgla o rozmiarze około 20 pm z dużo niższą konsumpcją energii. Zawiesiny wodno-węglowe można spalać w większości kotłów olejowo-gazowych i węglowych.

Z patentu US 4593859 znany jest sposób otrzymywania zawiesin wodno-węglowych polegający na segregacji ziaren węgla o średnicy poniżej 100 mm na trzy frakcje: o ciężarze właściwym 1,4 albo mniejszym, o ciężarze właściwym 1,5 albo większym oraz frakcję pośrednią zawierającą węgiel mieszczący się pomiędzy powyższymi kategoriami. Następnie frakcja pośrednia jest mielona w celu uzyskania co najmniej 50% wagowych zawartości ziaren o średnicy poniżej 200 numeru sita. Kolejnym etapem jest poddanie tak zmielonej frakcji pośredniej flotacji w celu uzyskania spienionego pyłu węglowego o zmniejszonej zawartości popiołu oraz odpadu o zwiększonej zawartości popiołu. N astępnie spieniony pył węglowy jest mieszany z frakcją o ciężarze właściwym 1,4 albo mniejszym, a potem mielony na mokro w celu uzyskania zawiesiny wodno-węglowej o zawartości co najmniej 50% wagowych ziaren o średnicy poniżej 200 numeru sita.

Powyższy sposób pozwala uzyskać zawiesinę wodno-węglową o pożądanych właściwościach, jednak jest skomplikowany i czasochłonny. Nieoczekiwanie okazało się, że można uzyskać niesed ymentującą zawiesinę wodno-węglową dużo prostszym sposobem, przy zachowaniu jej korzystnych właściwości.

Sposób otrzymywania zawiesin wodno-węglowych, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że w pierwszy etapie węgiel miele się na znanych urządzeniach mielących w obecności wody przy stosunku wagowym węgla do wody od 40:60 do 90:10 otrzymując zawiesinę, natomiast w drugim etapie do świeżego wsadu węglowego dodaje się wodę przy stosunku wagowym węgla do wody od 40:60 do 90:10 oraz otrzymaną wcześniej zawiesinę i ponownie mieli się wszystko na tych samych urządzeniach mielących, przy stosunku wagowym świeżego wsadu do wcześniej otrzymanej zawiesiny od 1:1 do 1:5.

Korzystnie stosuje się jako surowiec węgiel o uziarnieniu od około 0,7 mm do około 33 mm.

Korzystnie stosuje się jako surowiec węgiel o uziarnieniu poniżej 5 mm.

Korzystnie stosuje się jako surowiec węgiel o uziarnieniu poniżej 5 mm w ilości 40-90 części wagowych. Korzystnie rozmiar pozostałego węgla mieści się w przedziale od 5 do 15 mm.

Przedmiotem wynalazku jest także zawiesina wodno-węglowa zawierająca wodę i węgiel przy stosunku wagowym węgla do wody od 40:60 do 90:10, w której rozmiar ziaren zmielonego węgla wyrażony jako średnica zastępcza, mieści się w przedziale 1 - 173pm. Średni rozmiar ziaren wynosił 18 pm.

Wynalazek ilustrują poniższe przykłady:

P r z y k ł a d I

W I etapie do 40 części wagowych miału węglowego o uziarnieniu poniżej 32,5 mm dodano 60 części wagowych wody, po czym mieszaninę tą mielono na młynku kulowym przez 45 min, otrzymując 100 części wagowych zawiesiny wodno-węglowej zawierającej 40 części wagowych fazy rozproszonej węglowej (fazy stałej) i 60 części wagowych fazy rozpraszającej wodnej. W II etapie do 40 części wagowych miału węglowego o uziarnieniu poniżej 32,5 mm dodano 60 części wagowych wody, oraz 100 części wagowych zawiesiny z I etapu. Całość mielono w laboratoryjnym młynku kulowym przez 45 min, otrzymując 200 części wagowych zawiesiny wodno-węglowej, która w testach sedymentacji nie rozwarstwiała się po 2 tygodniach. Zawiesinę spalano w palniku doświadczalnego pieca obrotowego. Zmierzony poziom emisji zanieczyszczeń podczas spalania zawiesiny wyniósł [mg/m ]: CO₂ - 2,61; CO - 26,67; NOx - 38,33; SO2 - 0,00.

P r z y k ł a d II

W I etapie do 70 części wagowych miału węglowego o uziarnieniu poniżej 5 mm dodano 30 części wagowych wody, po czym mieszaninę tą mielono na młynku kulowym przez 50 min, otrzymując 100 części wagowych zawiesiny wodno-węglowej zawierającej 70 części wagowych fazy rozproszonej węglowej (fazy stałej) i 30 części wagowych fazy rozpraszającej wodnej. W II etapie do 70 części wagowych miału węglowego o uziarnieniu poniżej 5 mm, dodano 30 części wagowych wody, oraz 200 części wagowych zawiesiny z I etapu. Całość mielono w laboratoryjnym młynku kulowym przez 50 min otrzymując 300 części wagowych zawiesiny wodno-węglowej, która w testach sedymentacji nie rozwarstwiała się po 3 tygodniach. Zawiesinę spalano w palniku doświadczalnego pieca obrotowego.

₃

Zmierzony poziom emisji zanieczyszczeń podczas spalania zawiesiny wyniósł [mg/m ]: CO₂ - 2,43; CO - 31,33; NOx - 42,00; SO2 - 0,00.

PL 223 849 B1

P r z y k ł a d III

W I etapie do 90 części wagowych miału węglowego o uziarnieniu poniżej 3mm dodano 10 części wagowych wody, po czym mieszaninę tą mielono na młynku kulowym przez 60 min, otrzymując 100 części wagowych zawiesiny wodno-węglowej zawierającej 90 części wagowych fazy rozproszonej węglowej i 10 części wagowych fazy rozpraszającej wodnej. W II etapie do 90 części wagowych miału węglowego o uziarnieniu poniżej 3 mm dodano 10 części wagowych wody, oraz 500 części wagowych zawiesiny z I etapu. Całość mielono w laboratoryjnym młynku kulowym przez 60 min otrzymując 600 części wagowych zawiesiny wodno-węglowej, która w testach sedymentacji nie rozwarstwiała się po 2 tygodniach. Zawiesinę spalano w palniku doświadczalnego pieca obrotowego. Zmierzony poziom emisji zanieczyszczeń podczas spalania zawiesiny wyniósł [mg/m ]: CO₂ - 2,49; CO - 34,50; NO_x 44,00; SO₂ - ślady.

W sposobie według wynalazku można stosować jako surowiec każdy rodzaj węgla dostępnego na rynku, najkorzystniej jednak stosować węgiel o średnim rozmiarze ziaren węgla 5,47 mm, przy minimalnym rozmiarze 0,73 mm a maksymalnym rozmiarze 32,41 mm. Korzystnie, gdy 67,80% ziaren ma rozmiar poniżej 5 mm, a kolejne 25,42% mieści się w przedziale 5-15 mm, rozmiar pozostałej ilości ziaren nie powinien przekraczać 32,41 mm.

Rozmiar ziaren zmielonego węgla wyrażony jako średnica zastępcza, mieścił się w przedziale 1 - 173 pm. Średni rozmiar wynosi 18 pm.

Pomiary emisji realizowano za pomocą przenośnego analizatora spalin. Na podstawie otrzym anych wyników emisji można stwierdzić, że spalanie zawiesin wodno-węglowych uzyskanych w wyniku mikronizacji węgla, pozwala na obniżenie emisji SO₂, co najmniej do poziomu emisji tego gazu odpowiadającej spalaniu gazu ziemnego. Ponadto uzyskano około 20% obniżenie emisji CO₂, 98% CO i 55% NO_x w stosunku do emisji w trakcie spalania węgla kamiennego.

Sposobem według wynalazku można otrzymać stabilne zawiesiny wodno-węglowe. Zawiesiny te są w pełni bezpieczne w stosowaniu (brak możliwości wybuchu pyłu węglowego) i zapewniające niższe od węgla poziomy emisji zanieczyszczeń podczas ich spalania.

Claims

1. Sposób otrzymywania zawiesin wodno-węglowych, znamienny tym, że w pierwszym etapie węgiel miele się na znanych urządzeniach mielących w obecności wody przy stosunku wagowym węgla do wody od 40:60 do 90:10 otrzymując zawiesinę, natomiast w drugim etapie do świeżego wsadu węglowego dodaje się wodę przy stosunku wagowym węgla do wody od 40:60 do 90:10 oraz otrzymaną wcześniej zawiesinę i ponownie mieli się wszystko na tych samych urządzeniach mielących, przy stosunku wagowym świeżego wsadu do wcześniej otrzymanej zawiesiny od 1:1 do 1:5.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się węgiel o uziarnieniu od około 0,7 mm do około 33 mm.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się węgiel o uziarnieniu poniżej 5 mm.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że stosuje się węgiel o uziarnieniu poniżej 5 mm w ilości 40-90 części wagowych.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że rozmiar pozostałych ilości ziaren węgla mieści się w przedziale od 5 do 15 mm.

6. Zawiesina wodno-węglowa, znamienna tym, że zawiera wodę i węgiel przy stosunku wagowym węgla do wody od 40:60 do 90:10, w której rozmiar ziaren zmielonego węgla wyrażony jako średnica zastępcza, mieści się w przedziale 1-173 pm.