Физико-химический, структурный анализ угольных отходов (и осадков сточных вод) (совместно)

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 17532 (2022 г.) Цитировать эту статью

1632 Доступа

3 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Данное исследование было сосредоточено на гидротермической обработке (HTC) угольных хвостов (CT) и угольных шламов (CS), а также на совместной гидротермической обработке (Co-HTC) CT, CS и осадка сточных вод для оценки потенциала увеличения содержания углерода в гидроуголь, производимый как инструмент устойчивой углеродной экономики. Методология оптимального сочетания и методология поверхности отклика были использованы для изучения взаимосвязи между важными параметрами процесса, а именно температурой, давлением, временем пребывания, соотношением угля и осадка сточных вод и выходом углерода в полученном гидроугле. Оптимизированные условия для гидроугля из угольных хвостов (HCT) и гидроугля из угольного шлама (HCS) (150 °C, 27 бар, 95 мин) увеличили содержание фиксированного углерода с 37,31% и 53,02% до 40,31% и 57,69% соответственно, общее количество содержание углерода улучшилось с 42,82 до 49,80% и с 61,85 до 66,90% соответственно, тогда как зольность угольных отходов снизилась с 40,32% и 24,17% до 38,3% и 20,0% при сравнении CT и CS соответственно. Оптимизированные условия Co-HTC (208 °C, 22,5 бар и 360 мин) для гидроугля из смеси угольных отходов и осадка сточных вод (HCB) увеличили фиксированный углерод в пересчете на сухое вещество и общее содержание углерода с 38,67% до 45,64%. до 58,82% и 67,0% при сравнении КТ и КС соответственно. Выходы карбонизации для HCT, HCS и HCB составили соответственно 113,58%, 102,42% и 129,88%. ГТК и Ко-ГТК повышают теплотворную способность ХТ и CS до 19,33 МДж/кг и 25,79 МДж/кг соответственно. Результаты также показывают, что в условиях Co-HTC сырая биомасса подвергается дегидратации и декарбоксилированию, что приводит к снижению содержания водорода с 3,01%, 3,56% и 3,05% до 2,87%, 2,98% и 2,75%, а кислорода с 8,79%. %, 4,78 и 8,2% до 5,83%, 2,75% и 6,00% в полученных HCT, HCS и HCB соответственно. Оптимальные условия HTC и Co-HTC увеличили удельную поверхность сырья с 6,066 м2/г и 6,37 м2/г до 11,88 м2/г и 14,35 м2/г для CT и CS соответственно. Общий объем пор увеличился до 0,071 см3/г с 0,034 см3/г, 0,048 см3/г и 0,09 см3/г, что доказывает способность HTC производить высококачественный гидроуголь из угольных отходов отдельно или в сочетании с осадком сточных вод в качестве прекурсоров для дезактивации. загрязненных вод, обеззараживания почвы, твердых горючих материалов, накопления энергии и защиты окружающей среды.

Южная Африка (ЮАР), один из ведущих мировых производителей угля, в значительной степени зависит от угля для удовлетворения своих энергетических потребностей1. По данным Национального реестра отходов и шламов, проведенного Министерством энергетики за 2001 год, ежегодно образуется около 65 миллионов тонн угольных отходов, при этом большая часть этих отходов утилизируется в хвостохранилищах и шламовых дамбах2. Утилизация угольных отходов рассматривается как серьезная угроза для управления отходами окружающей среды в стране из-за растворения токсичных химикатов из угольных отходов и возможности самовозгорания3. Со временем появились такие методы обогащения, как физико-химические процессы и методы регенерации, однако они считаются неэффективными, вредными для окружающей среды, трудоемкими и дорогостоящими4. Однако осадки сточных вод (ОС) производятся в значительных количествах на очистных сооружениях ЮАР5. СО содержит различные органические и неорганические загрязнители, которые предположительно вызывают заболевания (астму, пневмонию) у людей, живущих вблизи отвалов отходов6. Существующие методы управления СС, такие как вывоз земель на месте и складирование мусора, считаются неустойчивыми и остаются серьезной проблемой7. В результате, инновационные стратегии по управлению угольными отходами и SS считаются необходимыми. Настоящее исследование сосредоточено на гидротермальной карбонизации (ГТК) для улучшения физико-химических свойств угольных хвостов (КТ), угольного шлама (КС) и смеси двух углей и SS с целью производства потенциальных предшественников углерода для активированного угля и других материалов. ценные углеродистые материалы (продукты с добавленной стоимостью). Поскольку подход HTC сводит к минимуму необходимость энергоемкой фазы обезвоживания, он более экологичен, чем другие типичные термические процессы8. HTC — это термохимический процесс, в котором горячая вода под давлением используется в качестве реагента и катализатора для улучшения физико-химических свойств разнообразного сырья9. Продукты HTC состоят из твердого вещества, называемого гидроуглем (HC), жидкости и небольшого количества побочных газовых продуктов9. Предыдущие работы по процессу HTC предполагали, что CO2 является преобладающим газом (> 95%), выделяющимся во время декарбоксилирования, наряду с другими газами, такими как CH4, CO и H2. В условиях HTC большая часть углерода и неорганических компонентов (золы) из сырья концентрируется в образующихся углеводородах, что снижает количество выделяемого CO29,10. Синтезированные УВ, как правило, представляют собой стабильное ароматическое соединение с пористой структурой и высоким уровнем гидрофобности11. Эти особенности препятствуют дальнейшей солюбилизации неорганических материалов (включая опасные компоненты) в УВ при использовании в качестве адсорбента, например, для обеззараживания воды12. Топливные характеристики производимого гидроугля были успешно улучшены за счет HTC угля с низким содержанием углерода при температуре от 150 до 270 °C (HC). Кроме того, HTC различных типов угля показал, что высокая реакционная способность и неполярное растворяющее поведение субкритической воды снижают количество нежелательных примесей, таких как общая доля золы, кислорода и серы, одновременно увеличивая содержание углерода10,11,12. Однако сохраняется потребность в дальнейших экспериментальных данных для подтверждения предыдущих работ по ГТК СС или СС в сочетании с другими биомассами13. Кроме того, предыдущие работы показали, что карбонизация и массовый выход различных смесей угля и биомассы были чрезвычайно эффективными по сравнению с обработкой HTC отдельных материалов угля и биомассы. Процесс Co-HTC обеспечивает кислую среду, которая способствует растворимости минерального сырья в сырье. В результате, по сравнению с обработкой HTC угля и SS по отдельности, обработка Co-HTC смеси углей и осадков сточных вод имеет высокую вероятность увеличения содержания углерода в сырье10,11,14.