Ультразвуковая обработка углем для производства энергии

Ультразвуковая обработка угольных шламов способствует различным процессам при производстве энергии из угля. Ультразвук способствует каталитическому гидрированию при сжижении угля. Кроме того, ультразвук может улучшить площадь поверхности и извлекаемость угля. Можно избежать нежелательных побочных химических реакций во время озоления и десульфурации – выполнение процесса за гораздо меньшее время. Даже в процессе сепарации с помощью пенной флотации дисперсия мелких частиц может быть значительно увеличена с помощью ультразвуковой обработки.

Сжижение угля / Процесс преобразования угля в жидкость

Жидкое топливо может быть получено промышленным способом из угля в процессе “Сжижение угля”. Сжижение угля может быть достигнуто двумя путями – прямое (DCL) и непрямое сжижение (ICL).
В то время как непрямое сжижение обычно включает газификацию угля, процесс прямого сжижения превращает уголь непосредственно в жидкость. Поэтому растворители (например, тетралин) или катализаторы (например, MoS₂) используются в сочетании с повышенным давлением и температурой для разрушения органической структуры угля. Поскольку жидкие углеводороды обычно имеют более высокое молярное соотношение водорода и углерода, чем уголь, процесс гидрирования или отторжения углерода требуется как в технологиях ICL, так и в DCL.

Прямое сжижение угля

Исследования показали, что прямое сжижение углей предварительно обработанных ультразвуком углей может быть значительно улучшено. Три различных типа битуминозного угля низшего ранга были обработаны ультразвуком в растворителе. Ультразвук вызвал отек и Диспергирующий Это привело к значительно более высокому выходу сжижения.

Непрямое сжижение угля

Уголь может быть преобразован в жидкое топливо с помощью процессов непрямого сжижения угля (ICL) путем газификации с последующей каталитической конверсией синтез-газа в чистые углеводороды и насыщенное кислородом транспортное топливо, такое как метанол, диметиловый эфир, дизельное топливо Фишера-Тропша или топливо, подобное бензину. Синтез Фишера-Тропша требует использования катализаторов, таких как катализаторы на основе железа. С помощью ультразвука фрагментация частицэффективность катализаторов может быть значительно улучшена.

Ультразвуковая активация катализатора

С помощью ультразвуковой обработки частицы могут быть рассеянный, деагломерированный и разбитый на куски - что приводит к увеличению поверхности частиц. Для катализаторов это означает более высокую активную поверхность, которая увеличивает частицы’ каталитическая реактивность.
Пример: Наноразмерный Fe-катализатор
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). Коэффициенты пересчета CO и H₂ к низкомолекулярным алканам были примерно в 20 раз выше на грамм Fe, чем у мелкодисперсного (диаметр 5 мкм) коммерческого порошка железа при 250°С и более чем в 100 раз активнее при 200°С.

Примеры для катализаторов, полученных ультразвуковым способом:
Например, MoS₂, нано-Fe

Утилизация катализатора

Несмотря на то, что катализаторы не расходуются во время химических реакций, их активность и эффективность могут снижаться из-за агломерации и загрязнения. Таким образом, можно наблюдать, что катализаторы первоначально проявляют высокую каталитическую активность и селективность к насыщению кислородом. Однако в ходе реакции может произойти деградация катализаторов из-за агрегации. С помощью ультразвукового облучения катализаторы могут быть регенерированы по мере кавитационный войско разгонять частицы и удалить отложения с поверхности.

Промывка угля: ультразвуковое озоление и сероочистка

Ультразвуковое кондиционирование может повысить эффективность методов флотации угля, которые используются для десульфуризации и золообразования. Самым большим преимуществом ультразвукового метода является одновременное удаление золы и серы. [1] Ультразвук и его акустический поток хорошо известны своим воздействием на частицы. Силовой ультразвук деагломерирует и диспергирует частицы угля и полирует их поверхность. Кроме того, ультразвук очищает угольную матрицу, удаляя серу и золу.
Путем кондиционирования потока пульпы применяется ультразвук высокой мощности для улучшения озоления и сероочистки пульпы. Ультразвук влияет на природу пульпы, уменьшая содержание кислорода и межфазное натяжение, одновременно повышая значение pH и температуру. Таким образом, ультразвуковая обработка углей с высоким содержанием серы улучшает десульфурацию.

Ультразвуковое снижение гидрофобности пирита

Создаваемые ультразвуком кислородные радикалы чрезмерно окисляют поверхность пирита и приводят к тому, что сера, существующая в пульпе, выглядит в форме сульфоксидных звеньев. Это снижало гидрофобность пирита.

Интенсивные условия при коллапсе создаваемого ультразвуком кавитация Пузырьки в жидкостях способны создавать свободные радикалы. Это означает, что, т.е. ультразвуковая обработка воды разрывает молекулярные связи, образуя свободные радикалы •ОН и •ОН.

H₂O → •H + •OH
Образующиеся свободные радикалы •OH и •H могут вступать во вторичные реакции, а именно:
•H + O₂ → •HO₂
•ОН + •ОН → Ч₂O₂
•ЭЙ₂ + •HO₂ → H2O₂ + О₂
Образующийся H2O2 нестабилен и быстро выделяет зарождающийся кислород. Таким образом, содержание кислорода в воде увеличивается после ультразвукового кондиционирования. Зарождающийся кислород, будучи высокоактивным, может вступать в реакцию с минеральными частицами, существующими в пульпе, и снижать содержание кислорода в пульпе.
Окисление пирита (FeS₂) происходит из-за реакции О₂ с FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4Ч₂O = 2Fe(OH)₂ + 2Ч₂ТАК₃
FeS + 2O₂ + 2Ч₂O = Fe(OH)₂ + Ч₂ТАК₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + С₂O^2- + Ч₂O

Добыча угля

Для добычи угля используются растворители, которые могут выделять при выбранных условиях экстракции водород для гидрирования угля. Тетралин является проверенным растворителем, который окисляется до нафталина в процессе экстракции. Нафталин может быть отделен и преобразован путем гидрогенизации в тетралин. Процесс осуществляется под давлением при определенных температурах в зависимости от типа угля и времени пребывания около трех часов.

Ультразвуковая реактивация окисленных частиц угля

Флотация пены — это процесс разделения, который используется для очистки и обогащения угля за счет использования различий в его гидрофобности.
Окисленные угли трудно всплыть, так как гидрофильность поверхности угля увеличивается. Присоединенный кислород на поверхности угля образует полярные фенольные (-OH), карбонильные (-C=O) и карбоксильные (-COOH) группы, которые усиливают гидратацию поверхности угля и, таким образом, повышают его гидрофильность, препятствуя адсорбции флотационных реагентов.
Ультразвуковой аппарат Обработка частиц может использоваться для удаления окислительных слоев с частиц угля, чтобы поверхность окисленных частиц угля снова активировалась.

Уголь-вода-нефть и уголь-водное топливо

ультразвуковой Шлифование и Диспергирующий используется для получения мелкодисперсных суспензий из частиц угля в воде или нефти. При ультразвуковой обработке образуется дисперсия мелких частиц и, таким образом, стабильная суспензия. (Для долгосрочной стабильности может потребоваться добавление стабилизатора.) Наличие воды в этих видах топлива «уголь-вода» и «уголь-вода-мазут» приводит к более полному сгоранию и снижает вредные выбросы. Кроме того, уголь, диспергированный в воде, становится взрывобезопасным, что облегчает обращение.

Справка/ 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.