Ultrasone steenkoolbehandeling voor energieproductie

De sonificatie van kolenslurries draagt bij aan verschillende processen tijdens de energieproductie uit steenkool. Ultrasoon geluid bevordert de katalytische hydrogenering tijdens het vloeibaar maken van steenkool. Bovendien kan sonificatie het oppervlak en de winbaarheid van steenkool verbeteren. Ongewenste chemische nevenreacties tijdens de ontassing en ontzwaveling kunnen worden vermeden. – waardoor het proces in veel minder tijd kan worden uitgevoerd. Zelfs tijdens het scheidingsproces door middel van schuimflotatie kan de dispersie van deeltjes met fijne deeltjes aanzienlijk verbeterd worden door sonicatie.

Kolenliquefactie/proces van kolen naar vloeistof

Vloeibare brandstoffen kunnen industrieel worden geproduceerd uit steenkool door het proces van “Kolenliquefactie”. Kolen vloeibaar maken kan via twee routes – de directe (DCL) en indirecte liquefactie (ICL).
Terwijl de indirecte liquefactie over het algemeen gepaard gaat met de vergassing van steenkool, zet het directe liquefactieproces steenkool rechtstreeks om in vloeistof. Daarom moeten oplosmiddelen (bv. tetralin) of katalysatoren (bv. MoS₂) worden gebruikt in combinatie met een verhoogde druk en temperatuur om de organische structuur van de steenkool op te breken. Aangezien vloeibare koolwaterstoffen over het algemeen een hogere molaire verhouding waterstof-koolstof hebben dan steenkool, is een hydrogenatie- of koolstofverwijderingsproces vereist in zowel ICL- als DCL-technologieën.

Directe kolenliquefactie

Studies hebben aangetoond dat de directe liquefactie van kolen die ultrasoon zijn voorbehandeld aanzienlijk kan worden verbeterd. Drie verschillende soorten bitumineuze steenkool van lagere rang werden gesoneerd in oplosmiddel. De door ultrageluid veroorzaakte zwelling en Verspreiden resulteerde in opmerkelijk hogere liquefactieopbrengsten.

Indirecte kolenliquefactie

Steenkool kan worden omgezet in vloeibare brandstoffen door middel van indirecte kolenliquefactieprocessen (ICL) via vergassing gevolgd door katalytische omzetting van syngas in schone koolwaterstoffen en zuurstofhoudende transportbrandstoffen zoals methanol, dimethylether, Fischer-Tropsch diesel- of benzineachtige brandstoffen. De Fischer-Tropsch synthese vereist het gebruik van katalysatoren zoals op ijzer gebaseerde katalysatoren. Via ultrasone deeltjesfragmentatiekan de efficiëntie van de katalysatoren aanzienlijk worden verbeterd.

Ultrasone katalysatoractivering

Door ultrasone behandeling kunnen deeltjes verspreid, gedeagglomereerd en gefragmenteerd - wat resulteert in een hoger deeltjesoppervlak. Voor katalysatoren betekent dit een hoger actief oppervlak, waardoor de katalytische reactiviteit van de deeltjes toeneemt.
Voorbeeld: Fe-katalysator op nanoschaal
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). Omzettingssnelheden van CO en H₂ aan alkanen met een laag moleculair gewicht waren ongeveer 20 keer hoger per gram Fe dan voor fine deeltjes (5 μm diameter) commercieel ijzerpoeder bij 250°C en meer dan 100 keer actiever bij 200°C.

Voorbeelden van ultrasoon bereide katalysatoren:
bijv. MoS₂nano-Fe

Terugwinnen van katalysatoren

Hoewel katalysatoren niet worden verbruikt tijdens chemische reacties, kunnen hun activiteit en efficiëntie afnemen door agglomeratie en aangroei. Daarom kan worden waargenomen dat katalysatoren aanvankelijk een hoge katalytische activiteit en oxygenaatselectiviteit vertonen. Tijdens de reactie kan echter afbraak van de katalysatoren optreden als gevolg van aggregatie. Door ultrasone bestraling kunnen katalysatoren worden geregenereerd als de cavitatie krachten verspreiden de deeltjes en verwijderen afzettingen van het oppervlak.

Kolen wassen: Ultrasoon ontvlekken en ontzwavelen

Ultrasone conditionering kan de prestaties verbeteren van flotatiemethoden voor steenkool, die worden gebruikt voor ontzwaveling en ontassing. Het grootste voordeel van de ultrasone methode is de gelijktijdige verwijdering van as en zwavel.[1] Ultrasoon geluid en de akoestische stroming ervan staan bekend om hun effecten op deeltjes. Krachtig ultrageluid deagglomereert en dispergeert kolendeeltjes en polijst hun oppervlak. Bovendien reinigt ultrageluid de steenkoolmatrix door zwavel en as te verwijderen.
Door de pulpstroom te conditioneren wordt ultrageluid met een hoog vermogen toegepast om de ontassing en ontzwaveling van de pulp te verbeteren. De ultrasone behandeling beïnvloedt de aard van de pulp door het zuurstofgehalte en de oppervlaktespanning te verlagen en tegelijkertijd de pH-waarde en de temperatuur te verhogen. Hierdoor verbetert de ultrasone behandeling van hoogzwavelige steenkool de ontzwaveling.

Ultrasoon gestuurde afname van de hydrofobiciteit van pyriet

Ultrasoon gegenereerde zuurstofradicalen overoxideren het pyrietoppervlak en zorgen ervoor dat de zwavel in de pulp de vorm aanneemt van sulfoxide-eenheden. Dit vermindert de hydrofobiciteit van het pyriet.

De intense omstandigheden tijdens het instorten van de ultrasoon gegenereerde cavitatie Bellen in vloeistoffen zijn in staat om vrije radicalen te creëren. Dit betekent dat de sonicatie van water de molecuulbindingen verbreekt en vrije radicalen van -OH en -OH produceert.

H₂O → -H + -OH
De gegenereerde -OH en -H vrije radicalen kunnen secundaire reacties ondergaan, als volgt:
-H + O₂ → -HO₂
-OH + -OH → H₂O₂
-HO₂ + -HO₂ → H2O₂ + O₂
Het geproduceerde H2O2 is onstabiel en stoot nascente zuurstof snel af. Het zuurstofgehalte in het water neemt dus toe na het ultrasoon conditioneren. De nascente zuurstof, die zeer actief is, kan reageren met minerale deeltjes in de pulp en het zuurstofgehalte van de pulp verlagen.
De oxidatie van pyriet (FeS₂) ontstaat door de reactie van O₂ met de FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Kolenwinning

Voor de extractie van steenkool worden oplosmiddelen gebruikt die onder de gekozen extractieomstandigheden waterstof kunnen vrijmaken voor de hydrogenering van steenkool. Tetralin is een beproefd oplosmiddel dat tijdens de extractie oxideert tot naftaleen. Naftaleen kan worden afgescheiden en worden omgezet door hydrogenering in tetraline. Het proces wordt uitgevoerd onder druk bij specifieke temperaturen afhankelijk van het type steenkool en verblijftijden van ongeveer drie uur.

Ultrasone reactivering van geoxideerde steenkooldeeltjes

Zweven met schuim is een scheidingsproces dat wordt gebruikt om kolen te zuiveren en te verbeteren door gebruik te maken van verschillen in hun hydrofobiciteit.
Geoxideerde kolen blijven moeilijk drijven omdat de hydrofiliteit van het kolenoppervlak toeneemt. De zuurstof die aan het steenkooloppervlak zit, vormt polaire fenol- (-OH), carbonyl- (-C=O) en carboxylgroepen (-COOH) die de hydratatie van het steenkooloppervlak verbeteren en zo de hydrofiliteit verhogen, waardoor de adsorptie van flotatiereagentia wordt verhinderd.
Een ultrasone deeltjesbehandeling kan worden gebruikt om oxidatielagen van steenkooldeeltjes te verwijderen, zodat het oppervlak van geoxideerde steenkooldeeltjes opnieuw wordt geactiveerd.

Kolen-Water-Olie en Kolen-Water Brandstoffen

ultrasoon Slijpen en Verspreiden wordt gebruikt om fijne slurries van steenkooldeeltjes in water of olie te genereren. Door ultrasoonisatie wordt een dispersie van fijne deeltjes en daardoor een stabiele suspensie gegenereerd. (Voor langdurige stabiliteit kan de toevoeging van een stabilisator nodig zijn.) De aanwezigheid van water in deze kolen-water- en kolen-water-oliebrandstoffen resulteert in een volledigere verbranding en vermindert schadelijke emissies. Bovendien worden kolen gedispergeerd in water explosiebestendig, wat de verwerking vergemakkelijkt.

Referenties/ Literatuur

1. Ambedkar, B. (2012): Ultrasone kolenwas voor ontassing en ontzwaveling: Experimenteel onderzoek en mechanistische modellering. 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. Mining Science and Technology 19, 2009. 498-502.