Ультразвуковая обработка угля для производства энергии

Обработка угольных суспензий ультразвуком способствует протеканию различных процессов при производстве энергии из угля. Ультразвук способствует каталитическому гидрированию при сжижении угля. Кроме того, обработка ультразвуком может увеличить площадь поверхности угля и его способность к экстракции. Нежелательных побочных химических реакций при обеззоливании и десульфуризации можно избежать – при этом процесс занимает значительно меньше времени. Даже при разделении методом пенной флотации обработка ультразвуком может значительно улучшить мелкодисперсное распределение частиц.

Сжижение угля / Процесс получения жидкого топлива из угля

Жидкое топливо можно производить из угля в промышленных масштабах посредством процесса «сжижения угля». Сжижение угля может осуществляться двумя способами – прямым (DCL) и непрямым (ICL).
В то время как непрямое сжижение обычно включает газификацию угля, процесс прямого сжижения преобразует уголь непосредственно в жидкость. Для этого растворители (e.g. тетралин) или катализаторы (e.g. MoS₂) используются в сочетании с повышенными давлением и температурой для разрушения органической структуры угля. Поскольку жидкие углеводороды обычно имеют более высокое молярное отношение водорода к углероду, чем уголь, в обеих технологиях, ICL и DCL, необходим процесс гидрирования или удаления углерода.

Прямое сжижение угля

Исследования показали, что прямое сжижение углей, предварительно обработанных ультразвуком, можно заметно улучшить. Три различных типа битуминозного угля низкой степени углефикации были обработаны ультразвуком в растворителе. Вызванные ультразвуком набухание и диспергирование привели к значительно более высокому выходу продуктов сжижения.

Непрямое сжижение угля

Уголь можно преобразовать в жидкое топливо посредством процессов непрямого сжижения угля (ICL), включающих газификацию с последующим каталитическим превращением синтез-газа в чистые углеводороды и кислородсодержащие моторные топлива, такие как метанол, диметиловый эфир, а также топлива, подобные дизельному топливу или бензину, получаемые по методу Фишера–Тропша. Синтез Фишера–Тропша требует применения катализаторов, например катализаторов на основе железа. Благодаря ультразвуковой фрагментации частиц эффективность катализаторов может быть значительно повышена.

Ультразвуковая активация катализаторов

При обработке ультразвуком частицы могут подвергаться диспергированию, деагломерации и фрагментации – что приводит к увеличению площади поверхности частиц. Для катализаторов это означает увеличение активной поверхности, которое повышает каталитическую реакционную способность частиц.
Пример: наноразмерный катализатор Fe
Нанофазное железо, полученное сонохимическим методом, является активным катализатором гидрирования CO по методу Фишера–Тропша, а также гидрогенолиза и дегидрирования алканов, главным образом благодаря большой площади его поверхности (>120mg^-1). Скорости превращения CO и H₂ в низкомолекулярные алканы в расчёте на грамм Fe были приблизительно в 20 раз выше, чем для промышленного мелкодисперсного железного порошка (диаметр частиц 5 μm) при 250°C, а активность при 200°C была более чем в 100 раз выше.

Примеры катализаторов, полученных с помощью ультразвука:
e.g. MoS₂, нано-Fe

Регенерация катализаторов

Хотя катализаторы не расходуются в ходе химических реакций, их активность и эффективность могут снижаться вследствие агломерации и загрязнения. Поэтому можно наблюдать, что первоначально катализаторы проявляют высокую каталитическую активность и селективность по кислородсодержащим соединениям. Однако в ходе реакции может происходить деградация катализаторов вследствие агрегации. Под воздействием ультразвука катализаторы можно регенерировать, поскольку кавитационные силы диспергируют частицы и удаляют отложения с поверхности.

Промывка угля: ультразвуковое обеззоливание и десульфуризация

Ультразвуковое кондиционирование может повысить эффективность методов флотации угля, используемых для десульфуризации и обеззоливания. Самое большое преимущество ультразвукового метода – одновременное удаление золы и серы.[1] Ультразвук и создаваемые им акустические потоки хорошо известны своим воздействием на частицы. Мощный ультразвук деагломерирует и диспергирует частицы угля и полирует их поверхность. Кроме того, ультразвук очищает угольную матрицу, удаляя серу и золу.
Мощный ультразвук применяется для кондиционирования потока пульпы, улучшая её обеззоливание и десульфуризацию. Обработка ультразвуком влияет на свойства пульпы, снижая содержание кислорода и межфазное натяжение и одновременно повышая значение pH и температуру. Тем самым ультразвуковая обработка угля с высоким содержанием серы улучшает десульфуризацию.

Снижение гидрофобности пирита с помощью ультразвука

Кислородные радикалы, образующиеся под воздействием ультразвука, вызывают чрезмерное окисление поверхности пирита, в результате чего сера, присутствующая в пульпе, оказывается в форме сульфоксидных групп. Это снижало гидрофобность пирита.

Экстремальные условия при схлопывании образующихся под воздействием ультразвука кавитационных пузырьков в жидкостях способны приводить к образованию свободных радикалов. Это означает, что, например, обработка воды ультразвуком разрывает молекулярные связи, образуя свободные радикалы •OH и •OH.

H₂O → •H + •OH
Образовавшиеся свободные радикалы •OH и •H могут вступать во вторичные реакции следующим образом:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Образовавшийся H2O2 нестабилен и быстро выделяет кислород в момент образования. Поэтому содержание кислорода в воде после ультразвукового кондиционирования увеличивается. Кислород в момент образования обладает высокой активностью и может реагировать с минеральными частицами, присутствующими в пульпе, и снижать содержание кислорода в пульпе.
Окисление пирита (FeS₂) происходит вследствие реакции O₂ с FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Экстракция угля

Для экстракции угля используются растворители, которые в выбранных условиях экстракции могут выделять водород для гидрирования угля. Тетралин – проверенный растворитель, который при экстракции окисляется до нафталина. Нафталин можно отделить и посредством гидрирования снова преобразовать в тетралин. Процесс проводится под давлением при определённых температурах, зависящих от типа угля, и времени пребывания около трёх часов.

Ультразвуковая реактивация окисленных частиц угля

Пенная флотация – это процесс разделения, используемый для очистки и обогащения угля на основе различий в гидрофобности.
Окисленные угли трудно флотируются, поскольку гидрофильность поверхности угля повышается. Связанный с поверхностью угля кислород образует полярные фенольные (-OH), карбонильные (-C=O) и карбоксильные (-COOH) группы, которые усиливают гидратацию поверхности угля и тем самым повышают её гидрофильность, препятствуя адсорбции флотационных реагентов.
Ультразвуковая обработка частиц может использоваться для удаления окисленных слоёв с частиц угля, благодаря чему поверхность окисленных частиц угля вновь активируется.

Водоуглемасляные и водоугольные топлива

Ультразвуковые измельчение и диспергирование используются для получения мелкодисперсных суспензий частиц угля в воде или масле. Обработка ультразвуком создаёт мелкодисперсное распределение частиц и тем самым стабильную суспензию. (Для обеспечения длительной стабильности может потребоваться добавление стабилизатора.) Наличие воды в этих водоугольных и водоуглемасляных топливах обеспечивает более полное сгорание и снижает вредные выбросы. Кроме того, уголь, диспергированный в воде, становится взрывобезопасным, что облегчает обращение с ним.

Источники и литература

1. Амбедкар, Б. (2012): Ультразвуковая промывка угля для озоления и сероочистки: экспериментальное исследование и механистическое моделирование. Springer, 2012.
2. Канг, В.; Сюнь, Х.; Конг, Х.; Ли, М. (2009): Влияние изменений в природе пульпы после ультразвукового кондиционирования на флотацию угля с высоким содержанием серы. Горная наука и техника 19, 2009. 498-502.