Tratamente cu cărbune cu ultrasunete pentru producerea de energie

Sonicarea suspensiilor de cărbune contribuie la diferite procese în timpul producției de energie din cărbune. Ultrasunetele promovează hidrogenarea catalitică în timpul lichefierii cărbunelui. În plus, sonicare poate îmbunătăți suprafața și extractabilitatea cărbunelui. Reacțiile secundare chimice nedorite în timpul decensării și desulfurării pot fi evitate – realizarea procesului în mult mai puțin timp. Chiar și în timpul procesului de separare prin flotație spumă, dispersia de dimensiuni fine a particulelor poate fi îmbunătățită semnificativ prin sonicare.

Lichefierea cărbunelui / Procesul cărbune-lichid

Combustibilii lichizi pot fi produși industrial din cărbune prin procesul “Lichefierea cărbunelui”. Lichefierea cărbunelui poate fi realizată prin două căi – lichefierea directă (DCL) și indirectă (ICL).
În timp ce lichefierea indirectă implică, în general, gazeificarea cărbunelui, procesul de lichefiere directă transformă cărbunele direct în lichid. Prin urmare, solvenți (de exemplu, tetralină) sau catalizatori (de exemplu, MoS₂) sunt utilizate în combinație cu presiuni și temperaturi ridicate pentru a descompune structura organică a cărbunelui. Deoarece hidrocarburile lichide au, în general, un raport molar hidrogen-carbon mai mare decât cărbunele, este necesar un proces de hidrogenare sau respingere a carbonului atât în tehnologiile ICL, cât și în DCL.

Lichefierea directă a cărbunelui

Studiile au arătat că lichefierea directă a cărbunelui de cărbuni pretratați ultrasonically poate fi îmbunătățită semnificativ. Trei tipuri diferite de cărbune bituminos de rang inferior au fost sonicated în solvent. Ecografia indusă umflarea și Dispersarea a dus la randamente de lichefiere remarcabil mai mari.

Lichefierea indirectă a cărbunelui

Cărbunele poate fi transformat în combustibili lichizi prin procese indirecte de lichefiere a cărbunelui (ICL) prin gazeificare, urmată de conversia catalitică a gazului de sinteză în hidrocarburi curate și combustibili oxigenați pentru transport, cum ar fi metanolul, dimetil eterul, motorina Fischer-Tropsch sau combustibilii asemănători benzinei. Sinteza Fischer-Tropsch necesită utilizarea catalizatorilor, cum ar fi catalizatorii pe bază de fier. Prin ultrasunete fragmentarea particulelor, eficiența catalizatorilor poate fi îmbunătățită semnificativ.

Activarea catalizatorului cu ultrasunete

Prin tratamentul cu ultrasunete, particulele pot fi Dispersate, deaglomerat și Fragmentate – rezultând o suprafață mai mare a particulelor. Pentru catalizatori, aceasta înseamnă o suprafață activă mai mare, ceea ce crește reactivitatea catalitică a particulelor.
Exemplu: catalizator Fe la scară nanometrică
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). Ratele de conversie a CO și H₂ alcanii cu greutate moleculară mică au fost de aproximativ 20 de ori mai mari pe gram de Fe decât pentru particulele fine (5 μm diametru) pulberea de fier comercială la 250 °C și de peste 100 de ori mai activă la 200 °C.

Exemple pentru catalizatori pregătiți ultrasonically:
de exemplu, AM₂, nano-Fe

Recuperarea catalizatorului

Chiar dacă catalizatorii nu sunt consumați în timpul reacțiilor chimice, activitatea și eficiența lor pot scădea din cauza aglomerării și murdăririi. Prin urmare, se poate observa că catalizatorii prezintă inițial o activitate catalitică ridicată și selectivitate oxigenată. Cu toate acestea, în timpul reacției, degradarea catalizatorilor poate apărea datorită agregării. Prin catalizatori de iradiere cu ultrasunete pot fi regenerate ca cavitațională forțe împrăștia particulele și îndepărtează depunerile de pe suprafață.

Spălarea cărbunelui: de-cenușă cu ultrasunete și desulfurare

Condiționarea cu ultrasunete poate îmbunătăți performanța metodelor de flotație a cărbunelui, care sunt utilizate pentru desulfurare și deashing. Cel mai mare avantaj al metodei cu ultrasunete este îndepărtarea simultană a cenușii și a sulfului. [1] Ultrasunetele și fluxul său acustic sunt bine cunoscute pentru efectele lor asupra particulelor. Ultrasunetele de putere dezaglomerează și dispersează particulele de cărbune și lustruiesc suprafața acestora. În plus, ultrasunetele curăță matricea cărbunelui, eliminând sulful și cenușa.
Prin condiționarea fluxului pulpei, se aplică ultrasunete de mare putere pentru a îmbunătăți decensarea și desulfurarea pulpei. Sonicare influențează natura pulpei prin scăderea conținutului de oxigen și a tensiunii interfaciale, crescând în același timp valoarea pH-ului și temperatura. Astfel, tratamentul cu ultrasunete al cărbunelui cu conținut ridicat de sulf îmbunătățește desulfurarea.

Scăderea ultrasonically asistată de hidrofobicitatea piritei

Ultrasonically generate radicalii de oxigen supra-oxida suprafața de pirită și face ca sulful existent în pulpă să pară a fi sub formă de unități de sulfoxid. Acest lucru a scăzut hidrofobicitatea piritei.

Condițiile intense în timpul prăbușirii generate ultrasonically Cavitaţie Bulele din lichide sunt capabile să creeze radicali liberi. Aceasta înseamnă că, adică sonicarea apei rupe legăturile moleculare producând radicali liberi de •OH și •OH.

H₂O → •H + •OH
•Radicalii liberi •OH și •H generați pot suferi reacții secundare, după cum urmează:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
H2O2 produs este instabil și eliberează rapid oxigenul în formare. Deci, conținutul de oxigen din apă crește după condiționarea cu ultrasunete. Oxigenul în formare, fiind foarte activ, poate reacționa cu particulele minerale existente în pulpă și poate reduce conținutul de oxigen al pulpei.
Oxidarea piritei (FeS₂) apare datorită reacției lui O₂ cu FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂DECI₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂DECI₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

extracția cărbunelui

Pentru extracția cărbunelui se utilizează solvenți care pot elibera, în condițiile de extracție alese, hidrogen pentru hidrogenarea cărbunelui. Tetralina este un solvent dovedit, care este oxidat la naftalină în timpul extracției. Naftalina poate fi separată și transformată, prin hidrogenare din nou în tetralină. Procesul se desfășoară sub presiune la temperaturi specifice, în funcție de tipul de cărbune și de timpii de staționare de aproximativ trei ore.

Reactivarea cu ultrasunete a particulelor de cărbune oxidat

Plutirea spumei este un proces de separare care este utilizat pentru purificarea și beneficiul cărbunelui, profitând de diferențele în hidrofobicitatea lor.
Cărbunele oxidate sunt greu de plutit, deoarece hidrofilitatea suprafeței cărbunelui crește. Oxigenul atașat pe suprafața cărbunelui formează grupări fenol polar (-OH), carbonil (-C = O) și carboxil (-COOH), care sporesc hidratarea suprafeței cărbunelui și, astfel, îi măresc hidrofilicitatea, împiedicând adsorbția reactivilor de flotație.
Un ultrasunete tratarea particulelor poate fi utilizat pentru a îndepărta straturile de oxidare din particulele de cărbune, astfel încât suprafața particulelor de cărbune oxidat să fie reactivată.

Cărbune-apă-păcură și combustibili cărbune-apă

Ultrasunete Slefuire și Dispersarea este utilizat pentru a genera suspensii de dimensiuni fine de particule de cărbune în apă sau ulei. Prin ultrasonication, se generează o dispersie a particulelor de dimensiuni fine și, prin urmare, se generează o suspensie stabilă. (Pentru stabilitate pe termen lung, ar putea fi necesară adăugarea unui stabilizator.) Prezența apei în acești combustibili cărbune-apă și apă-cărbune-păcură are ca rezultat o ardere mai completă și reduce emisiile nocive. În plus, cărbunele dispersat în apă devine rezistent la explozii care facilitează manipularea.

Referințe/ Literatură

1. Ambedkar, B. (2012): Spălarea cărbunelui cu ultrasunete pentru de-cenușă și desulfurizare: investigație experimentală și modelare mecanică. Springer, 2012.
2. Kang, W .; Xun, H.; Kong, X .; Li, M. (2009): Efectele schimbărilor în natura pulpei după condiționarea cu ultrasunete asupra flotării cărbunelui cu conținut ridicat de sulf. Știința și tehnologia minieră 19, 2009. 498-502.