Traitements ultrasoniques du charbon pour la production d'énergie

La sonication des boues de charbon contribue à divers processus au cours de la production d'énergie à partir du charbon. Les ultrasons favorisent l'hydrogénation catalytique pendant la liquéfaction du charbon. En outre, la sonication peut améliorer la surface et l'extractibilité du charbon. Il est possible d'éviter les réactions chimiques secondaires indésirables pendant le lavage et la désulfuration. – et d'accomplir le processus en beaucoup moins de temps. Même au cours du processus de séparation par flottation par mousse, la dispersion des particules de taille fine peut être considérablement améliorée par sonication.

Liquéfaction du charbon/transformation du charbon en liquide

Les combustibles liquides peuvent être produits industriellement à partir du charbon par le processus suivant “Liquéfaction du charbon”. La liquéfaction du charbon peut être réalisée par deux voies – la liquéfaction directe (DCL) et indirecte (ICL).
Alors que la liquéfaction indirecte implique généralement la gazéification du charbon, le processus de liquéfaction directe convertit le charbon directement en liquide. Par conséquent, les solvants (par exemple la tétraline) ou les catalyseurs (par exemple le MoS₂) sont utilisés en combinaison avec des pressions et des températures élevées pour briser la structure organique du charbon. Comme les hydrocarbures liquides ont généralement un rapport molaire hydrogène-carbone plus élevé que le charbon, un processus d'hydrogénation ou de rejet du carbone est nécessaire dans les technologies ICL et DCL.

Liquéfaction directe du charbon

Des études ont montré que la liquéfaction directe de charbons prétraités par ultrasons peut être nettement améliorée. Trois types différents de charbon bitumineux de rang inférieur ont été traités par ultrasons dans un solvant. Le gonflement induit par les ultrasons et la Dispersion a permis d'obtenir des rendements de liquéfaction remarquablement plus élevés.

Liquéfaction indirecte du charbon

Le charbon peut être converti en carburants liquides par des procédés de liquéfaction indirecte du charbon (ICL), par gazéification suivie d'une conversion catalytique du gaz de synthèse en hydrocarbures propres et en carburants oxygénés pour le transport, tels que le méthanol, l'éther diméthylique et les carburants de type diesel ou essence de Fischer-Tropsch. La synthèse Fischer-Tropsch nécessite l'utilisation de catalyseurs tels que les catalyseurs à base de fer. Par ultrasons fragmentation des particulesl'efficacité des catalyseurs peut être considérablement améliorée.

Activation du catalyseur par ultrasons

Par traitement ultrasonique, les particules peuvent être dispersé, désaggloméré et fragmenté - ce qui se traduit par une surface de particules plus élevée. Pour les catalyseurs, cela signifie une surface active plus élevée, qui augmente la réactivité catalytique des particules.
Exemple : Catalyseur de Fe à l'échelle nanométrique
Sonochemically prepared nanophase iron is an active catalyst for the Fischer—Tropsch hydrogenation of CO and for the hydrogenolysis and dehydrogenation of alkanes, mainly due to its high surface area (>120mg^-1). Les taux de conversion du CO et du H₂ aux alcanes de faible poids moléculaire étaient environ 20 fois plus élevés par gramme de Fe que pour la fine particule (5 μm de diamètre) de poudre de fer commerciale à 250°C et plus de 100 fois plus actifs à 200°C.

Exemples de catalyseurs préparés par ultrasons :
par exemple, MoS₂, nano-Fe

Récupération du catalyseur

Même si les catalyseurs ne sont pas consommés au cours des réactions chimiques, leur activité et leur efficacité peuvent diminuer en raison de l'agglomération et de l'encrassement. Par conséquent, on peut observer que les catalyseurs présentent initialement une activité catalytique et une sélectivité des composés oxygénés élevées. Cependant, au cours de la réaction, une dégradation des catalyseurs peut se produire en raison de l'agrégation. Par irradiation ultrasonique, les catalyseurs peuvent être régénérés comme le montre le tableau ci-dessous. cavitationnel forces disperser les particules et éliminer les dépôts de la surface.

Lavage du charbon : Désamorçage et désulfuration par ultrasons

Le conditionnement par ultrasons peut améliorer les performances des méthodes de flottation du charbon, qui sont utilisées pour la désulfuration et le désencrassement. Le plus grand avantage de la méthode ultrasonique est l'élimination simultanée des cendres et du soufre[1]. Les ultrasons et leur flux acoustique sont bien connus pour leurs effets sur les particules. Les ultrasons de puissance désagglomèrent et dispersent les particules de charbon et polissent leur surface. En outre, les ultrasons nettoient la matrice du charbon en éliminant le soufre et les cendres.
En conditionnant le flux de pâte, des ultrasons de forte puissance sont appliqués pour améliorer le décolmatage et la désulfuration de la pâte. La sonication influence la nature de la pâte en diminuant la teneur en oxygène et la tension interfaciale, tout en augmentant la valeur du pH et la température. Ainsi, le traitement ultrasonique du charbon à haute teneur en soufre améliore la désulfuration.

Diminution de l'hydrophobicité de la pyrite assistée par ultrasons

Les radicaux d'oxygène générés par ultrasons sur-oxydent la surface de la pyrite et font apparaître le soufre présent dans la pâte sous forme d'unités de sulfoxyde. Cela diminue l'hydrophobie de la pyrite.

Les conditions intenses qui règnent lors de l'effondrement de l'appareil généré par ultrasons sont à l'origine de l'augmentation de la température de l'air. cavitation Les bulles dans les liquides sont capables de créer des radicaux libres. Cela signifie que la sonication de l'eau rompt les liens entre les molécules et produit des radicaux libres de -OH et -OH.

H₂O → -H + -OH
Les radicaux libres -OH et -H générés peuvent subir des réactions secondaires, comme suit :
-H + O₂ → -HO₂
-OH + -OH → H₂O₂
-OH₂ + -HO₂ → H2O₂ + O₂
Le H2O2 produit est instable et rejette rapidement l'oxygène naissant. La teneur en oxygène de l'eau augmente donc après le conditionnement par ultrasons. L'oxygène naissant, très actif, peut réagir avec les particules minérales présentes dans la pâte et réduire la teneur en oxygène de la pâte.
L'oxydation de la pyrite (FeS₂) se produit en raison de la réaction de l'O₂ avec le FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

extraction du charbon

Pour l'extraction du charbon, on utilise des solvants qui peuvent libérer, dans les conditions d'extraction choisies, de l'hydrogène pour l'hydrogénation du charbon. La tétraline est un solvant éprouvé, qui est oxydé en naphtalène pendant l'extraction. Le naphtalène peut être séparé et converti par hydrogénation dans la tétraline. Le processus est réalisé sous pression à des températures spécifiques en fonction du type de charbon et des temps de séjour d'environ trois heures.

Réactivation par ultrasons de particules de charbon oxydées

La flottation par mousse est un procédé de séparation utilisé pour purifier et améliorer le charbon en tirant parti des différences d'hydrophobie.
Les charbons oxydés sont difficiles à flotter, car l'hydrophilie de la surface du charbon augmente. L'oxygène fixé à la surface du charbon forme des groupes polaires phénol (-OH), carbonyle (-C=O) et carboxyle (-COOH), qui renforcent l'hydratation de la surface du charbon et augmentent ainsi son hydrophilie, empêchant l'adsorption des réactifs de flottation.
Un ultrason traitement des particules peut être utilisé pour éliminer les couches d'oxydation des particules de charbon afin de réactiver la surface des particules de charbon oxydées.

Combustibles charbon-eau-pétrole et charbon-eau

ultrasonique Broyage et Dispersion est utilisé pour générer des boues de taille fine de particules de charbon dans l'eau ou l'huile. Par ultrasons, on obtient une dispersion de particules de taille fine et donc une suspension stable (pour une stabilité à long terme, l'ajout d'un stabilisateur peut être nécessaire). (La présence d'eau dans ces combustibles charbon-eau et charbon-eau-huile permet une combustion plus complète et réduit les émissions nocives. En outre, le charbon dispersé dans l'eau devient antidéflagrant, ce qui facilite sa manipulation.

Référence/ Littérature

1. Ambedkar, B. (2012) : Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization : Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
2. Kang, W. ; Xun, H. ; Kong, X. ; Li, M. (2009) : Effects from changes in pulp nature after ultrasonic conditioning on high-sulfur coal floatation (Effets des changements dans la nature de la pâte après le conditionnement ultrasonique sur le flottage du charbon à haute teneur en soufre). Mining Science and Technology 19, 2009. 498-502.