PRACA PRZEJŚCIOWA

GRUPOWA

Temat: ANALIZA WYKORZYSTANIA MUŁÓW

WĘGLOWYCH

Wykonali: Kamila BĄBOL, Jarosław LESIAK

Promotor: Prof. dr hab. inż. Władysław GAJEWSKI

Wykonali: Krzysztof GLIŃ, Błażej MESJASZ

Promotor: Dr inż. Agnieszka KIJO-KLECZKOWSKA

Częstochowa 2008

SPIS TREŚCI

1. Wzbogacanie węgla metodą flotacji

Pogarszająca się w wyniku różnego rodzaju czynników obiektywnych jakość węgla oraz konieczność zmniejszenia emisji dwutlenku siarki w trakcie spalania wymusiła konieczność budowy zakładów wzbogacania węgla. W Polsce funkcjonują zakłady przeróbcze będące integralną częścią zakładów górniczych oraz samodzielne zakłady przeróbcze niezwiązane organizacyjnie z kopalniami.

Wzbogacanie węgla polega na przygotowaniu odpowiednich mieszanek energetycznych o żądanych parametrach jakościowych. Wzbogacanie węgla pozwala na obniżenie emisji SO₂ dwukrotnie i jednocześnie emisję pyłów siedmiokrotnie, jest ono przy tym kilkakrotnie tańsze od usuwania zanieczyszczeń po spaleniu węgla.

Obróbka węgla w Polsce odbywa się różnymi metodami. Do metod tych zaliczyć można:

• Wzbogacanie węgla w cieczach ciężkich,

• Wzbogacanie w wodnych osadzarkach pulsacyjnych,

• Wzbogacanie miałów w cyklonach wodnych,

• Wzbogacanie w cyklonach z cieczą ciężką,

• Wzbogacalniki strumieniowe zwojowe,

• Wzbogacalniki bębnowe Barrel'a,

• Wzbogacanie wibrofluidalne [16]

Przykładowe technologie wzbogacania węgla występujące w kopalniach.

Kopalnia „Pokój”

W płuczce z cieczą ciężką występuje innowacyjne rozwiązanie dzięki któremu następuje rozdzielenie mułów niskipopiołowych od mułów wysokopopiołowych. W Zakładzie Wzbogacania Miału użytkowana jest technologia oparta o wzbogacanie w cyklonach z cieczą ciężką.

Tablica 1. zawiera parametry jakościowe produktów handlowych KWK „Pokój”

Sortyment	Typ	Uziarnienie [mm]	Popiół [%]	Wartość opałowa [kJ/kg]	Siarka [%]	Wilgoć [%]
Kostka	33	200-63	5,0-9,0	29000-31000	0,4-0,5	3,5-4,5
Orzech	33	80-25	5,0-9,0	29000-31000	0,4-0,5	3,5-4,5
Groszek	34,2	25-12 12-3	2,5-3,5	31500-32000	0,4	5,0-6,0
Groszek	33	31,5-8	6,0-9,0	29000-30000	0,5-0,6	5,0-6,0
Miał I	34,1	31,5-0	6,0-9,0	29000-30000	0,5-0,6	4,0-6,0
Miał II	33	20-0	do 18	25000-26000	0,5-0,6	6,0-7,0
Miał IIA	33	20-0	do 21	23000-24000	0,5-0,7	6,0-8,0
Miał IIA	33	20-0	do 25	22000-23000	0,6-0,8	6,0-9,0
Miał IIA	32,2	20-0	do 28	20000-22000	0,6-0,8	6,0-9,0

Rys.1. Uproszczony schemat technologiczny zakładu przeróbczego KWK „Pokój”

Zakład wzbogacania miału „Julian”

W zakładzie tym technologia wzbogacania opiera się na metodzie Barrel'a. Zawiesina drobnouziarnionych mułów o dużej gęstości spływa z miałem do wewnątrz wzbogacalnika. Węgiel wypływa z przelewem zawiesiny z bębna, kamień natomiast opada na dno skąd wynoszony jest zwojami ślimaka. Następnie przedostaje się on na przesiewacz wibracyjny odwadniający. Koncentrat po opuszczeniu bębna wzbogacalnika obcieka na ruszcie stałym, następnie trafia on na przesiewacz. Ziarna 20-8 mm stanowią gotowy koncentrat. Natomiast klasa niższa 8-0mm kierowana jest do dalszego wzbogacania do hydrocyklonów po opuszczeniu których łączony jest on z odpadami ze wzbogacalnika Barrel'a.

Miały wzbogacone posiadają parametry w dwóch wariantach:

• Zawartość popiołu I wariant 20%

II wariant 15%

• Wartość opałowa I wariant 22MJ/kg

II wariant 23 MJ/kg

• Zawartość siarki I wariant 0,8%

II wariant 0,8%[16]

Rys.2. Uproszczony schemat technologiczny Zakładu Wzbogacania Miału Węglowego KWK „JULIAN”

W przypadku wzbogacania najdrobniejszych sortymentów węgla - mułów węglowych pochodzących z trakcie urabiania, transportu czy też wzbogacania stosuje się metody fizykochemiczne. Najczęściej stosowanymi metodami oddzielania najdrobniejszych ziaren węgla od substancji mineralnej są flotacja, flokulacja selektywna, aglomeracja olejowa, oraz wiele innych [16].

Proces flotacji przeprowadza się w zawiesinie wodnej drobno zmielonego surowca mineralnego i polega na selektywnym przyczepianiu się rozpraszanych w tej zawiesinie pęcherzyków powietrza do wybranych ziaren mineralnych. Powstający agregat pęcherzyk powietrza - ziarno jest lżejszy od wody i wypływa na powierzchnię zawiesiny skąd może być zebrany w postaci piany. Flotacja jest stosowana powszechnie do wzbogacania wszelkich surowców mineralnych, w których dla uwolnienia minerału użytecznego wymagane jest rozdrobienie nadawy do ziaren o wielkości mniejszej od około 0.3-0.1mm. W procesie wzbogacania węgla flotacja jest najefektywniejszym procesem odzyskiwania węgla z mułów węglowych [16].

Operacji flotacji dokonuje się w urządzeniach zwanych flotownikami lub często maszynami flotacyjnymi. Maszyna flotacyjna zbudowana jest z komory (zbiornika), do której wprowadza się zawiesinę i wirnika lub aeratora zanurzonych w zawiesinie. Czynnikiem roboczym we flotacji są pęcherzyki powietrza wprowadzanego do wypełniającej komorę flotacyjną wodnej zawiesiny drobno zmielonej rudy. Powietrze jest wprowadzane ponad dnem komory i dyspergowane (rozpraszane) na drobne pęcherzyki, które unosząc się do góry, zderzają się na swej drodze z ziarnami mineralnymi. Ziarna, które zdołały przyczepić się do pęcherzyków (mogą to być tylko ziarna hydrofobowe), tworzą z pęcherzykiem agregat lżejszy od wody i wypływają wraz z nimi na powierzchnię. Gromadzące się na powierzchni zawiesiny pęcherzyki wraz z cząstkami mineralnymi przyczepionymi do nich, tworzą tzw. pianę flotacyjną, która zwykle w sposób mechaniczny jest zgarniana do rynien (lub koryt) odprowadzających ją do dalszej przeróbki. W celu utrzymania ziaren w stanie rozproszonym w zawiesinie i dyspergowania doprowadzanego do niej powietrza, miesza się ją bądź mechanicznie specjalnej konstrukcji mieszadłem wirnikowym (wirnik maszyny flotacyjnej), bądź samym przepływem powietrza. Powietrze jest wprowadzane do zawiesiny pod ciśnieniem bądź zasysane przez odpowiedniej konstrukcji wirnik tzw. samozasysający. Dyspergowania zassanego powietrza dokonuje obracający się wirnik (maszyny agitacyjne-mechaniczne), natomiast gdy powietrze wprowadzane jest pod ciśnieniem, to może być dyspergowane bądź przepływając przez porowatą przegrodę tzw. aeratora (maszyny pneumatyczne) bądź mechanicznie wskutek ruchu wirnika (maszyny mechaniczno-pneumatyczne).

Układ flotacyjny jest układem bardzo złożonym i wyniki wzbogacania flotacyjnego zależą od bardzo wielu czynników. Czynniki te można sprowadzić do czterech grup związanych z:

• własnościami chemicznymi i fizycznymi powierzchni mineralnej, składem i własnościami mineralogicznymi i petrograficznymi kopaliny,

• charakterystyką zawiesiny flotacyjnej: pH środowiska, składem jonowym, zagęszczeniem części stałych, temperaturą, składem granulometrycznym,

• charakterem dodawanych do zawiesiny odczynników flotacyjnych (rodzaj, ilość, sposób i kolejność ich dozowania, czas kontaktu),

• charakterystyką pracy flotowników (maszyn flotacyjnych): wydajność, intensywność mieszania i napowietrzania zawiesiny flotacyjnej, poziom zawiesiny w komorze, sposób odbierania piany, czas flotacji [16].

2. Zawiesinowe paliwa węglowe

Naciski ekologów oraz efektywniejsze wykorzystanie surowców energetycznych wymuszają rozwój nowych technologii poszukiwania nowych paliw. Perspektywą w tych przypadkach może być wykorzystanie paliwa na bazie suspensji węglowych. Paliwa takie wykorzystywane mogą być w dotychczas istniejących paleniskach olejowych przy nieznacznych przeróbkach układów zasilających i spalających.

Zawiesinowe paliwa węglowe opierają się głównie na głębokim rozdrobnieniu węgla i jego wymieszaniu z różnego rodzaju cieczami. Zaliczyć do nich można:

• Paliwa węglowo - olejowe (węgiel z olejem opałowym),

• Paliwa węglowo - olejowo - wodne (udział wody wynosi powyżej 10%, olej natomiast jest podstawowym składnikiem ciekłym),

• Paliwa węglowo - wodno - olejowe (udział wody powyżej 10%, woda jest także podstawowy składnikiem ciekłym),

• Paliwa węglowo - wodne ,

• Paliwa metanolowo - wodne (zawiesina węgla w metanolu oraz jego wodnym roztworze).

Koncepcja stosowania paliw suspensyjnych była opatentowana już w 1879r. Większe zainteresowanie tego typu paliwami pojawiło się jednak w latach 30-tych i było związane z problemami transportu hydraulicznego rozdrobnionego węgla. Paliwa te zawierały do 40% ciał stałych o stosunkowo dużym uziarnieniu. W latach 50-tyc zawiesinami paliwowymi zainteresowało się ZSRR, także USA oraz Niemcy Zachodnie prowadziły prace nad tego typu paliwami oraz ich spalaniu w kotłach węglowych. Kryzys naftowy w latach siedemdziesiątych był przyczyną związaną z myślą zastąpienia paliw płynnych węglowymi paliwami suspensyjnymi. W chwili obecnej trwające prace nad zawiesinowymi paliwami węglowo - wodnymi koncentrują się głównie na:

• Spalaniu niskoskoncentrowanych paliw suspensyjnych o niskiej jakości z pyłem węglowym w celu obniżenia emisji tlenków azotu,

• Zastosowaniu wysokoskoncentrowanych paliw zawiesinowych o wysokiej jakości i stabilności. Prace nad tego typu paliwami trwają głównie w Chinach[15].

Rys.3. Schemat otrzymywania wysokoskoncentrowanych zawiesinowych paliw węglowych.

„Głównymi parametrami charakteryzującymi paliwa zawiesinowe są:

• Własności hydrauliczne (mające wpływ na przetłaczanie oraz iniekcję w komorze spalania),

• Zadowalająca stabilność -umożliwiająca przechowywanie oraz transport,

• Niska zawartość substancji mineralnych oraz zanieczyszczeń - obniżenie emisji SO₂ oraz NO_x.”[15]

Suspensje węglowe są uzyskiwane z węgli o wysokich własnościach. Głębokie rozdrobnienie powoduje lepsze parametry energetyczne lecz jest powodem wyższych kosztów. Optymalny rozkład uziarnienia rozdrobnionego surowca powinien być powodem maksymalnego upakowania drobin węgla, jednakże optymalne rozmiary cząstek są zależne od właściwości węgla oraz wykorzystywanego palnika. Węgiel stosowany w celu tworzenia suspensji węglowych rozdrobniony zostaje w młynach bębnowo kulowych.

W zależności od właściwości jakimi charakteryzować się powinna suspensja, stosowane są różnego rodzaju koncentracje:

• Typowa - 60-70%węgla, niższe koszty uzyskania energii ni w przypadku paliw olejowych,

• Paliwa do napędu turbin gazowych - 50-55%węgla,

• Węglowe paliwa zawiesinowe - do 50% węgla, spalane bezpośrednio po wytworzeniu z miałem węglowym,

• Paliwa stosowane do zasilania silników wysokoprężnych stosowanych w lokomotywach - do 40% węgla, zawartość popiołu <1%[15].

Problemami napotykanymi podczas spalania zawiesin węglowych w urządzeniach grzewczych jest niepożądane wprowadzanie substancji mineralnych oraz siarki do komory paleniskowej. Popiół powstający podczas spalania może w dość szybkim tempie osadzić się w dolnej części urządzenie powodując zażużlanie kotła, zatykanie przewodów odprowadzających spaliny. Aby unikać tego typu problemów węgiel powinien charakteryzować się wysoką temperatura topnienia popiołu powyżej 1200⁰C oraz z bardzo małą ilością substancji mineralnych.

Wzbogacanie substancji węglowej możliwe jest w przypadku odpowiedniego rozdrobnienia materiału poddawanego obróbce. Odpowiednie rozdrobnienie materiału uzyskać można wykorzystując proces mielenia. Współczesne tendencje utylizacji materiałów odpadowych spowodowały, że zwrócono uwagę na wykorzystanie substancji węglowej pochodzącej z procesu flotacji, selektywnej aglomeracji, jednoczesnego mielenia, aglomeracji jako materiału wyjściowego do preparacji węglowych paliw zawiesinowych [15].

Rys.4. Schemat ideowy procesu selektywnej aglomeracji.

Rys.5. Schemat ideowy procesu jednoczesnego mielenia i aglomeracji

3. Prawne aspekty wykorzystania mułów węglowych zdeponowanych
w osadnikach

Zadaniem kopalń węgla kamiennego jest produkcja węgla. W wyniku procesów eksploatacji i przeróbki węgla kopalnie uzyskują produkty handlowe węgla oraz pewną ilość odpadów. Podział na produkty handlowe i odpady jest podziałem wynikającym z ich wartości użytkowej. Poza produktami, uważanymi powszechnie za handlowe (takie jak sortymenty grube, średnie, drobne i miały) kopalnie produkują pewne ilości mułów węglowych. Muły te to produkt o relatywnie niskiej wartości opałowej, wysokiej zawartości popiołu i wilgoci oraz bardzo niskiej granulacji (1÷0 mm). Mogą one być sprzedane (wtedy są one produktem handlowym), albo zdeponowane w osadniku (wtedy są odpadem). Muły węglowe w przeszłości były wykorzystywane w niewielkich ilościach. Przeważająca ich część była traktowana jako odpad i lokowana w osadnikach. Obecnie energetyka zawodowa jest zainteresowana użytkowaniem mułów węglowych. Mogą one stanowić paliwo w technologii spalania węgla w złożu fluidalnym. Zapotrzebowanie na muły węglowe przewyższa ilości oferowane do sprzedaży przez spółki węglowe i kopalnie. Rodzi się więc zagadnienie ewentualnego wykorzystania mułów węglowych zalegających w osadnikach. Spalanie mułów węglowych zakwalifikowanych uprzednio jako odpady to zagadnienie prawne innego rodzaju niż spalanie [1]

Klasyfikacja mułów węglowych pochodzących z bieżącej produkcji

Muły powstające w trakcie bieżącej produkcji kopalni mogą być wykorzystane w różny sposób. Decyzje dotyczące ich przeznaczenia i sposobu zagospodarowania podejmowane są w procesie bieżącego zarządzania produkcją. W zależności od podjętych decyzji można je podzielić na następujące grupy:

• muły węglowe, które kopalnia sprzedaje jako oddzielny sortyment węglowy. Są one produktem handlowym. Od ich ilości (wielkości sprzedaży) naliczana i opłacana jest opłata eksploatacyjna,

• muły węglowe, które kopalnia dodaje do miałów tworząc mieszanki energetyczne. W tym przypadku muły węglowe są półproduktem, a mieszanki energetyczne produktem. Udział mułów w mieszankach energetycznych może być bardzo wysoki. Wysoki ich udział powoduje pogorszenie jakości utworzonej mieszanki energetycznej w porównaniu z miałami, ale produkt taki znajduje nabywców, a jego parametry jakościowe wciąż mieszczą się w zakresie określonym w normie dla miałów. Ilość mułów węglowych, która staje się częścią mieszanki energetycznej stanowi podstawę naliczenia i wniesienia przez kopalnię opłaty eksploatacyjnej,

• muły węglowe, będące niskojakościowym surowcem energetycznym (niska wartość energetyczna, wysoka zawartość popiołu). Jeśli nie znajdują nabywcy to, ponieważ nie mają w tym miejscu i czasie wartości użytkowej, stają się pozostałością z wydobywania i przeróbki węgla i są przez kopalnie traktowane jak odpad. W konsekwencji podlegają zasadom gospodarowania odpadami. Są one przeważnie składowane na powierzchni (w osadnikach). Czasem również są lokowane wraz z innymi odpadami górniczymi i elektrownianymi w wyrobiskach górniczych. Za ich składowanie uiszczana jest opłata. Jeśli jednak znajdują nabywcę, na przykład ponieważ posiadają parametry, które są odpowiednie dla użytkowania ich w kotłach fluidalnych, to są paliwem energetycznym, czyli produktem handlowym. Wówczas od ich ilości naliczana i wnoszona jest opłata eksploatacyjna [1].

Kwalifikacja wyprodukowanego mułu do jednej z wyżej wymienionych grup odbywa się w procesie bieżącego zarządzania produkcją. Elementem decydującym są możliwości zbytu mułów węglowych i mieszanek energetycznych zawierających muły węglowe. Czasami zakwalifikowanie mułów węglowych do produktów lub odpadów może być decyzją z zakresu polityki gospodarczej - zarząd kopalni lub spółki węglowej może zadecydować o zaliczeniu mułów węglowych do odpadów nawet gdyby na rynku byli chętni do jego zakupu, dla uzyskania na przykład wyższych średnich cen sprzedanego węgla (jeden ze wskaźników, na podstawie których ocenia się kondycję ekonomiczną zakładu przeróbczego). Rozliczenie ilości sprzedanych mułów węglowych, to znaczy zaliczenie tych mułów do węgla handlowego (jako produktu lub jako półproduktu) następuje post factum - jest wielkością, od której zależą wysokości ponoszonych opłat eksploatacyjnych. Ilość węgla zaliczonego do pozostałości z wydobywania i przeróbki węgla stanowi podstawę naliczenia i wnoszenia opłat za korzystanie ze środowiska.

Zasady gospodarowania mułami węglowymi deponowanymi w osadnikach

Muły znalazły się w osadniku wtedy, gdy w chwili ich wytworzenia nie znajdowały one odbiorców. Kopalnia - z różnych względów - często nie mogła tych mułów sprzedać, nie mogła również ograniczyć ich ilości - były nieuniknionym produktem prowadzonego procesu technologicznego, traktowano je więc jako pozostałości procesu technologicznego i siłą rzeczy stawały się one odpadami. Zdeponowany w osadniku muł węglowy jest odpadem i jako taki podlega zasadom ustalonym w ustawie Prawo ochrony środowiska oraz ustawie o odpadach.

Na podstawie ustawy Prawo ochrony środowiska każdy podmiot korzystający ze środowiska musi: spełniać warunki wprowadzania substancji lub energii do środowiska. Art. 17 ustawy o odpadach stanowi, że wytwórca odpadów innych niż niebezpieczne w ilości przekraczającej 5 tysięcy MG rocznie powinien posiadać pozwolenie na wytwarzanie odpadów, zaś art. 18 ust. 1 tej ustawy określa, jakie wymagania powinien spełniać wniosek o wydanie pozwolenia na wytwarzanie odpadów. Wytwórca odpadów jest zobowiązany do gospodarowania nimi. Może również zlecić (art. 25 ustawy o odpadach) wykonanie obowiązku gospodarowanie nimi innemu posiadaczowi odpadów, który posiada odpowiednie pozwolenia. W wyniku gospodarowania mułem węglowym z osadnika, może dojść do eksploatacji tego mułu i w dalszej kolejności do jego wykorzystania w kotłach fluidalnych. Z punktu widzenia prawa wykorzystanie tego mułu może być potraktowane jako wykorzystanie odpadów lub jako wykorzystanie produktu - paliwa węglowego. Przez gospodarowanie odpadami rozumie się ich: zbieranie, transport, odzysk i unieszkodliwianie. Pod pojęciem unieszkodliwienia odpadów rozumie się poddanie odpadów procesom przekształceń biologicznych, fizycznych lub chemicznych, w celu doprowadzenia ich do stanu, który nie stwarza zagrożenia dla życia, zdrowia ludzi lub dla środowiska. A więc w wyniku unieszkodliwiania odpadów powstają odpady mniej szkodliwe.

Jeśli paliwo uzyskane w procesie recyklingu będzie przeznaczone do urządzeń spalających posiadających określone parametry, wówczas używanie go w takich właśnie urządzeniach pozwoli uznać to paliwo za produkt nowy, o ustalonych cechach, proces jego uzyskania będzie więc procesem recyklingu [1].

Wykorzystanie mułów węglowych z osadnika przez elektrownie

Proces eksploatacji osadnika definiuje się jako proces gospodarowania odpadami. W wyniku tego procesu powstaje produkt, który jest następnie użytkowany w kotłach fluidalnych elektrowni. W zależności od tego jak zostanie zakwalifikowany proces odzysku odpadów, sytuacja elektrowni spalającej muł węglowy pochodzący z osadnika będzie zdecydowanie różna. Jeśli elektrownia zakupi odpad w postaci mułu węglowego i następnie wykorzysta go w piecach fluidalnych, to z prawnego punktu widzenia mamy do czynienia z procesem wykorzystania odpadu jako paliwa. Odpady w postaci mułu węglowego są odpadami innymi niż niebezpieczne, a proces ich spalania nazywany jest termicznym wykorzystaniem odpadów innych niż niebezpieczne.

Muły węglowe to odpady zaklasyfikowane do grupy 01: - odpady powstające przy poszukiwaniu, wydobywaniu, fizycznej i chemicznej przeróbce rud oraz innych kopalin i podgrupy 01 04: - odpady z fizycznej i chemicznej przeróbki kopalin innych niż rudy metali. W podgrupie tej do niebezpiecznych zaliczono następujące rodzaje odpadów:

01 04 07* - Odpady zawierające niebezpieczne substancje z fizycznej i chemicznej przeróbki kopalin innych jak rudy metali,

01 04 80* - Odpady z flotacyjnego wzbogacania węgla zawierające substancje niebezpieczne.

W mułach węglowych deponowanych w osadnikach nie stwierdzono substancji uznanych za niebezpieczne. Substancji takich nie zawiera węgiel zalegający w pokładach na Górnym Śląsku. Nie powstają one również ani w procesach fizycznej, ani chemicznej przeróbki węgla. Również w procesach flotacyjnego wzbogacania węgla nie są stosowane substancje uznawane za niebezpieczne, a więc odpady z flotacyjnego wzbogacania węgla nie zawierają substancji niebezpiecznych. Muły węglowe składowane w osadnikach nie zawierają więc niebezpiecznych substancji, nie mogą być zatem zaliczone do niebezpiecznych.

Prawne aspekty termicznego wykorzystania takich odpadów regulują: Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie rodzajów odpadów inne niż niebezpieczne oraz rodzajów instalacji i urządzeń, w których dopuszcza się ich termiczne przekształcenie oraz Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie wymagań dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów . W myśl Rozporządzenia Ministra Gospodarki kotły fluidalne są instalacjami, w których dopuszcza się termiczne przekształcanie odpadów innych niż niebezpieczne. Wśród rodzajów odpadów innych niż niebezpieczne, które mogą być przekształcane termicznie, wymieniono pozycję:

01 04 12 - Odpady powstające przy płukaniu i oczyszczaniu kopalin inne niż wymienione w 01 04 07* i 01 04 11.

Proces eksploatacji osadnika, należy potraktować jako proces recyklingu, w wyniku którego powstaje produkt energetyczny, posiadający parametry właściwe do użytkowania (spalania) go w kotle fluidalnym. W związku z powyższym wydobyty z osadnika w procesie eksploatacji muł węglowy jest produktem a nie odpadem, a jego spalenie jest spalaniem paliwa, a nie odpadu.

W procesie recyklingu mamy do czynienia z przekształceniem odpadów, bezpośrednio w tym procesie, w nowy pełnoużyteczny produkt, który dopiero później jest odpowiednio wykorzystywany. Aby można było uznać, że proces wydobywania mułu z osadnika jest recyklingiem, należy udowodnić, że produkt tego procesu ma cechy produktu spełniającego wskazane funkcje użytkowe. Muł węglowy pochodzący z osadnika można nazwać produktem energetycznym (paliwem), jeżeli zachodzi jedna z 3 następujących okoliczności:

1. Muł węglowy otrzymany w procesie eksploatacji osadnika spełnia polskie normy. W praktyce tylko pewna ilość mułów węglowych, które można uzyskać w procesie eksploatacji osadnika ma parametry spełniające te normy.

2. Muł węglowy otrzymany w procesie eksploatacji osadnika ma parametry takie same lub porównywalne z mułami węglowymi z bieżącej produkcji kopalni. Muły węglowe, pochodzące z bieżącej produkcji, które są produktem (bo są przedmiotem obrotu towarowego - są sprzedawane jako produkt energetyczny) lub półproduktem (bo służą do produkcji mieszanek węglowych) bardzo często nie spełniają norm jakościowych wyszczególnionych w polskich normach. Pomimo tego mają wartość użytkową i mogą służyć określonym celom. Są traktowane przez kopalnie jak węgiel handlowy. Jeśli muł węglowy z osadnika odpowiada jakością produktom kopalni, to należy uznać, że jego walory użytkowe są takie jak tych produktów.

3. Muł węglowy otrzymany w procesie eksploatacji osadnika ma parametry odpowiadające wymaganiom technologii spalania w konkretnym urządzeniu (kotle). Poszukiwanie przez użytkowników kotła paliwa o parametrach, na jakie ten kocioł został zaprojektowany, z zamiarem jego zakupu w celu użytkowania jako paliwa stanowi przesłankę do zakwalifikowania tego mułu jako produktu energetycznego posiadającego specyficzne własności użytkowe. Jeżeli muł węglowy uzyskiwany w wyniku eksploatacji osadnika spełnia jeden z podanych powyżej warunków, to występują przesłanki do zmiany jego kwalifikacji z odpadu na produkt energetyczny.

Muł węglowy pochodzący z osadnika posiada częstokroć właściwości, które czynią go, dla elektrowni wyposażonych w kotły fluidalne, poszukiwanym paliwem ze względu na spełnienie wymagań użytkowych, jakościowych oraz technologicznych. Podaż mułów węglowych z bieżącej produkcji staje się niewystarczająca, więc rośnie zainteresowanie mułami odzyskiwanymi z osadników. Użytkowanie takich mułów może jednak napotykać przeszkody natury formalnej, wynikające z interpretacji zapisów zawartych w ustawie o odpadach. Analiza istniejących przepisów prawnych w tym zakresie prowadzi do sformułowania następujących stwierdzeń:

1. Muł węglowy, który został w przeszłości zdeponowany lub aktualnie jest przez kopalnię deponowany w osadniku jest odpadem, nawet jeśli posiada właściwości paliwa energetycznego.

2. W procesie eksploatacji osadnika, stanowiącej recykling, czyli jedną z form odzysku odpadów, ze zdeponowanego mułu węglowego wytwarzany jest produkt energetyczny, który nie jest odpadem.

3. Z formalnego punktu widzenia muł będący produktem eksploatacji osadnika uzyskuje status produktu energetycznego, jeśli właściwy organ (Wojewoda lub Starosta) przekwalifikuje go z grupy odpadów do grupy energetycznych produktów handlowych poprzez uchylenie w stosunku do tego mułu obowiązku stosowania ustawy o odpadach.

4. O przekwalifikowanie takie (atest) może wystąpić jedynie podmiot będący posiadaczem (tego rodzaju) odpadów, tj. wytwórca odpadów, który ulokował je w osadniku lub inny podmiot, któremu wytwórca odpadów zlecił wykonanie obowiązku gospodarowania nimi.

5. Elektrownia, która kupuje muły węglowe pochodzące z osadnika dla użytkowania ich w kotłach fluidalnych, powinna się upewnić, że kupuje produkt, który z formalnego punktu widzenia nie jest już odpadem bowiem uzyskał „atest” paliwa energetycznego.

6. Zakupy mułu węglowego pochodzącego z osadnika, bez „atestu” jest zakupem odpadów, co, w przypadku ich spalenia, może zostać sklasyfikowane jako termiczne przekształcenie odpadów i będzie skutkować konsekwencjami w postaci innych wymagań emisyjnych, konieczności posiadania innych pozwoleń niż w przypadku spalania produktu energetycznego [1].

4. Produkcja i stosowanie suspensji węglowo-wodnych

Poczyniony postęp w zakresie przystosowania kopalń do produkcji paliw należy uznać za znaczący ale nie wystarczający. Dla zachowania i rozszerzenia dotychczasowego grona odbiorców produktów węglowych, górnictwo powinno wykazać większą elastyczność i inicjatywność oraz wolę szerokiej współpracy z bezpośrednimi i pośrednimi użytkownikami węgla.

Do najważniejszych zadań, w tym zakresie, należą:

1. zmiana profilu produkcyjnego kopalń z wydobywczego na produktowy,

2. Doskonalenie transportu i składowania węgla i paliw węglowych,

3. Spotęgowanie procesów uekonomicznienia i uekologicznienia stosowania węgla i paliw węglowych u odbiorców

4. Stworzenie nowych obszarów stosowania węgla i energii cieplnej wytwarzanej na ich bazie.

Uzasadnieniem wszystkich tych działań, mogą być ostre wymagania obowiązujące w krajach Unii Europejskiej i zdobyte bogate doświadczenia wielu krajów wolnego rynku oraz potrzeba umacniania narodowej bazy paliwowo-energetycznej.

Szczególnie interesującą możliwością zwiększenia zużycia węgla jest opanowanie i produkcja „ciekłego węgla" czyli suspensji węgla w wodzie, ewentualnie w olejach lub metanolu.

Za granicą natomiast, technologie produkcji i stosowania suspensji węglowo-wodnych były i są przedmiotem wieloletnich, obszernych badań, częściowo wdrożonych w skali przemysłowej. Najbardziej interesujące wyniki uzyskano we Włoszech, Szwecji, USA, Japonii i Rosji. Duże zainteresowanie wykazują również W.Brytania, Chiny, Korea Płd., Izrael, Filipiny i Australia [2].

Mieszaniny węglowo-wodne

Rozwój technologii wytwarzania mieszanin węglowo-wodnych, węglowo-olejowych i węglowo-metanolowych jest inspirowany m.in. potrzebami:

-hydrotransportu węgla na duże odległości,

-hydrotransportu i dozowania węgla do procesów spalania,

-technologii zgazowania węgla,

-zmniejszenia ujemnego oddziaływania produktów spalania na środowisko,

-zwiększenia zakresu wykorzystania węgla jako paliwa, zastąpienia naftowych olejów napędowych i opałowych.

W zależności od przeznaczenia i wymagań poszczególnych technologii, tworzone mieszaniny różnią nie tylko składem, stopniem shomogenizowania i własnościami fizykochemicznymi ale również trwałością. Do najbardziej rozpowszechnionych i perspektywicznych należą suspensje węglowo-wodne.

Hydrotransport węgla jest najbardziej rozpowszechniony w USA, gdzie transportowanych jest kilkadziesiąt milionów ton węgla z kopalń do portów i elektrowni. W większości przypadków transportowany węgiel stanowi typową niejednorodną mieszaninę (w:w = 1:1), w której węgiel o uziarnieniu do 1,2 mm transportowany jest wodą do stacji jego odbioru, gdzie podlega odwodnieniu w wirówkach. Jednym z największych przedsięwzięć jest instalacja transportu rurowego o długości 1860 km i średnicy 950 mm, pozwalającą na transport 25 min ton węgla rocznie.

Stosowanie zawiesin i suspensji węglowo-wodnych do zasilania palenisk podyktowane jest wieloma przyczynami. W przypadku dysponowania mułami o znacznej kaloryczności, zazwyczaj silnie zawodnionymi, celowym jest ich bezpośrednie spalenie. Znane są również inne przykłady, że węgiel i wapień na miejscu użytkowania przygotowywane są na pulpę i następnie dozowane do palenisk fluidalnych (głównie do palenisk ciśnieniowych); rozwiązanie takie umożliwiają łatwą regulację ilościową paliwa oraz wpływa na obniżenie emisji NO_x.

Osobnym zagadnieniem jest sporządzanie i stosowanie zawiesin lub/i suspensji do zgazowania węgla, gdzie woda jest surowcem wodoru. Wysokie rozdrobnienie węgla i obecność wody są gwarantami efektywnego zgazowania węgla.

Wdrożenie suspensji węglowych nie tylko ułatwiło ich transport ale również rozszerzyło możliwość stosowania węgla jak paliwa. Wszędzie tam, gdzie są przekraczane dopuszczalne wartości emisji zanieczyszczeń do środowiska, zastosowanie suspensji węglowo-wodnej pozwala rozwiązać problem a ponadto, ze względu na konsystencję można wyeliminować przykre dla środowiska otwarte składowiska węgla. Suspensje mogą aktualnie skutecznie konkurować z olejami opałowymi, a w niedalekiej przyszłości również z olejami napędowymi stosowanymi do dużych turbin gazowych i silników wysokoprężnych. Interesujące są również wyniki badań wskazujące na możliwość wykorzystania suspensji węglowo-wodnych (m.in. z rozlewów), zawierających plastyfikatory (HFU), do nawożenia gleb [2].

Fizykochemia mieszanin węgla z woda

Pod względem fizycznym, dwufazowy układ węgiel-woda może stanowić mieszaninę (zawiesinę) węgla w wodzie lub roztwór koloidalny (suspensję).

Z mieszaninami wody i węgla mamy do czynienia m.in. w zakładach wzbogacania węgla i w gospodarce wodno-mułowej oraz w przypadkach hydrotransportu węgla i odpadów powęglowych. Mieszaniny takie charakteryzują się szerokim zakresem stosunku „ciało stałe: woda", dochodzącym w praktyce nawet do 1 : 40. Mieszaniny takie podlegają grawitacyjnej sedymentacji i klasyfikacji hydraulicznej. Warunkiem uzyskiwania stałości stężenia w całej objętości mieszaniny i wyeliminowania zjawisk sedymentacji fazy stałej jest pokonanie sił grawitacji siłami ruchu.

W przypadkach gdy celowym jest uzyskiwanie trwałych zawiesin węgla w wodzie, koniecznym jest zapewnienie muszą być zapewnione warunki do tworzenia się roztworów koloidalnych, które w przypadku układu fazowego ciecz - ciało stałe noszą nazwę suspensji.

Trwałość układu koloidalnego węglowo-wodnego zależy od bardzo wielu czynników, w rym od:

-stopnia uwęglenia węgla,

-zawartości i składu części mineralnej węgla (popiołu), składu ziarnowego fazy rozproszonej i stopnia jej dyspersji,

-powstawania warstw solwatacyjnych wokół ziaren węgla,

-obecności jonów w warstwie solwatacyjnej, odpowiednio regulujących potencjał elektrokinetyczny.

Wraz ze wzrostem uwęglenia, rośnie hydrofobowość ziaren węgla i trudniejsze są warunki tworzenia trwałych układów koloidalnych; czym młodszy węgiel tym łatwiej wytworzyć suspensję.

Trwałość układów koloidalnych rośnie również ze wzrostem stopnia rozdrobnienia fazy stałej i kompletności stosu ziarnowego.

W zależności od stopnia uwęglenia węgla na ziarnach fazy rozproszonej tworzy się warstewka solwatacyjna (zwilżająca), zmniejszająca różnice napięć powierzchniowych pomiędzy fazami. Obecność w fazie rozpraszającej związków jonoczynnych, o kreślonym ładunku i stężeniu często wpływa to stabilizująco na trwałość układu, poprzez adsorpcję jonów na warstwie powierzchniowej i zmianę potencjału elektrokinetycznego układu koloidalnego. Zjawisko to wykazuje dużo wspólnych cech z tworzeniem suspensji popiołowo-wodnych nie wydzielających wody nadmiarowej [2].

Metody wytwarzania suspensji węglowo-wodnej

Na proces wytwarzania suspensji składają się następujące etapy produkcyjne:

1. przygotowanie węgla,

2. mieszanie węgla z wodą i dodatkami,

3. homogenizacja mieszaniny.

W zależności od przeznaczenia suspensji, konieczne jest dobranie odpowiedniej jakości węgla i ewentualnie następnie jego wzbogacenie oraz odpowiednie rozdrobnienie. Dla zapewnienia wysokiej wartości energetycznej suspensji, stosowane są węgla wysokokaloryczne, dodatkowo wzbogacone. Najczęściej węgiel do produkcji suspensji podlega flotacji, a koncentrat stanowi gotowy surowiec do jej produkcji. Suspensje przeznaczone do silników spalinowych, turbinowych a szczególnie tłokowych, wymagają zastosowania węgla głęboko zdemineralizowanego. Uzyskanie węgla z bardzo małą zawartością popiołu i siarki wymaga jego silnego rozdrobnienia (nawet poniżej 5µm) i stosowania procesu aglomeracji olejowej lub chemicznej demineralizacji Najczęściej wymienianym składem ziarnowym węgla stosowanym do suspensji jest uziarnienie analogiczne do wymaganego dla pyłu węglowego stosowanego do bezpośredniego spalania w kotłach. Pył węglowy do suspensji powinien zawierać co najmniej 70 % ziaren mniejszych od 75 µm i nie więcej jak 1 % ziaren większych od 300 µm. Coraz częściej do produkcji takiego pyłu stosowane są młyny misowo-kulowe i misowo-rolkowe.

W przypadku wytwarzania suspensji do silników spalinowych, wysoką dyspersję węgla uzyskuje się przez dodatkowy przemiał pyłu węglowego na sucho lub mokro w młynach koloidalnych lub kulowych, ze specjalnym wypełnieniem (mieszanina kul o różnej średnicy, pręty).

Przy mieszaniu suchego pyłu węglowego z wodą zachodzi całkowite zwilżenie powierzchni ziaren węgla, które wysuszone wykazują często silne własności hydrofobowe. Najłatwiej ten efekt uzyskać w procesie mokrego przemiału pyłu węglowego i/lub dodawania środków powierzchniowo czynnych do węgla, ewentualnie do wody. W węźle tym zostaje zmieszany węgiel z ustaloną ilością wody i dodatków. Do najczęściej stosowanych dodatków należą substancje powierzchniowo czynne, stabilizatory układu koloidalnego, plastyfikatory, katalizatory spalania i środki przeciw pienne.

Powierzchnia węgla jest hydrofobowa i dla utworzenia trwałego układu koloidalnego nieodzownym jest dodawanie stabilizatorów. Jako dodatki stabilizujące suspensje, dodawane w ilości do 2 %, stosowane są:

• organiczne anionoaktywne związki (sole Na, Ca, Mg, A.),

• organiczne kationoaktywne związki (polielektrolity),

• organiczne jononeutralne związki (polimery tlenków etylenu, kopolimery tlenku etylenu i propylenu),

• nieorganiczne związki (NaCl, CaCl₂, szkło wodne, roztwory gliny).

Dobór stabilizatora (dyspergatora) ma wpływ nie tylko na trwałość suspensji ale również na ekonomię jej stosowania. Efektywny stabilizator pozwala na maksymalizację ilości węgla w suspensji a to na podwyższenie kaloryczności suspensji (obniżenie zawartości wody o 1 % w suspensji podwyższa jej kaloryczność o ok. 25 kJ).

W zależności od przeznaczenia, suspensje węglowo-wodne różnią się składem miedzy sobą, co jest rezultatem m.in. stopnia dyspersji węgła. Czym stopień dyspersji ziaren węgla jest większy, tym trwała suspensja zawiera mniej fazy rozproszonej. I tak, suspensje o analogicznych parametrach reologicznych zawierające ziarna węgla o stosie ziarnowym 0-80 µm zawierają od 65 do 75 % węgla, natomiast suspensje z ziarnami poniżej 15 µm zawierają 48-55 % węgla. Różnica w zawartości węgla wynika ze stopnia wypełnienia układu dwufazowego, czym większy stopień dyspersji to większa powierzchnia kontaktu faz i większa ilość cząstek koloidalnych (większe upakowanie układu).

Warunkiem uzyskania trwałej suspensji z mieszaniny węgłowo-wodnej jest jej dokładne wymieszanie, prowadzące do homogenizacji układu dwufazowego. W procesie homogenizacji mieszaniny powinno dojść do solwatacji (zwilżenia) ziaren węgla wodą i adsorpcji dyspergatorów w warstwie powierzchniowej, tworząc trwały i stabilny układ koloidalny.

Wytwarzane według opisanego schematu suspensje węglowo-wodne stanowią stabilne ciekłe paliwo węgłowe, przydatne do długotrwałego składowania; transportowania w cysternach samochodowych i kolejowych, barkach i rurociągami oraz są efektywnymi paliwami, zapewniającymi stabilne i ekologiczne spalanie węgla w obiektach energetycznych i technologicznych [2].

Własności fizykochemiczne suspensji węglowo -wodnych

Własności fizykochemiczne suspensji węglowo-wodnych są funkcją własności i stopnia przygotowania węgla oraz zastosowanych dodatków uszlachetniających i stopnia ich homogenizacji. Od suspensji wymaga się określonych własności energetycznych i technologicznych oraz stabilności układu koloidalnego i własności suspensji.

Charakterystyka energetyczna suspensji wyrażona wartością opałowa waha od 15,9 do 26,3 MJ/kg. W tym obszarze, mieściły się suspensje zawierające od 49 do 75 % węgla. Własności reologiczne suspensji trudno jest wyrażać jednoznacznie, bo jako układy koloidalno-tiksotropowe, nie zachowują się jak ciecze Newtonowskie. Przy tym samym udziale masowym węgla w suspensji, najwyższymi lepkościami charakteryzują się suspensje zawierające najdrobniejsze ziarna węgla.W praktyce, suspensje przeznaczone do spalania w paleniskach kotłów energetycznych najczęściej charakteryzują się lepkością w granicach 400 do 1200 cP. Suspensje produkowane na potrzeby tłokowych i turbinowych silników spalinowych, wymagające dużego rozdrobnienia węgla (nawet poniżej 5 µm), mają znacznie wyższą lepkość w granicach 800 do 2500 cP.

Gęstość właściwa suspensji waha się w granicach 1,08 do 1,25 g/cm³.

Istotną cechą wartą podkreślenia trwałość własności fizykochemicznych suspensji w funkcji czasu. W praktyce, szereg producentów podkreśla, że stabilność własności jest gwarantowana co najmniej przez dwa miesiące [2].

Zastosowanie suspensji węglowo-wodnych

Suspensje węgłowo-wodne, oprócz zastosowania ich jako rozwiązania hydrotransportu węgla, bardzo szeroko są przebadane i w mniejszym stopniu wdrożone do praktyki przemysłowej jako ciekłe paliwa do:

-palenisk kotłów pyłowych i olejowych

- cementowych pieców obrotowych

- wielkich pieców

- turbin gazowych

- tłokowych silników spalinowych

Prowadzone badania i dokonane wdrożenia wykazują następujące korzyści (aktualne i prognozowane) wynikające ze stosowania suspensji węglowo-wodnych:

- możliwość zastąpienia olejów opałowych i napędowych,

- możliwość zastąpienia węgla,

- możliwość i łatwość prowadzenia automatyzacji procesów spalania i technologicznych,

- możliwość zwiększenia obszarów wykorzystania węgla,

- możliwość zmniejszenia areału powierzchni pod transport i składowanie paliw (w porównaniu do węgla),

- możliwość zmniejszenia ujemnego oddziaływania na środowisko w procesie transportu i magazynowania paliw (w porównaniu do węgla), możliwość uproszczenia gospodarki paliwowej (w porównaniu do węgla i ciężkich olejów opałowych).

Niezależnie od kraju gdzie zastosowano suspensję do opalania kotłów energetycznych w zamian węgla lub ciężkiego oleju opałowego, powszechnie podkreślane jest zmniejszenie emisji

• tlenków azotu o około 2-krotnie ,

• tlenków siarki, około 5-krotnie,

• pyłów, około 1,24-krotnie.

Spalanie suspensji węglowo-wodnych wpływa również na efektywność procesów spalania. W przypadku zastosowania suspensji w zamian oleju opałowego następuje spadek mocy kotła, najczęściej kilku procentowy; Ponadto koniecznym jest rozwiązanie sprawy zwiększonego zapopielenia. Zastępowanie pyłu węglowego suspensjami nie wywołuje zazwyczaj wymienionych problemów. Racjonalne wykorzystanie suspensji wymaga jednak stosowania odpowiednich palników.

Dlatego dla rozszerzenia możliwości racjonalnego wykorzystania węgla, jako alternatywy dla olejów opałowych i dla spełnienia ekologicznych wymogów, za celowe jest prowadzić studia i badania nad wytwarzaniem i zastosowaniem suspensji węglowo-wodnych.

Prowadzone badania, wykazują duże możliwości racjonalnego wykorzystania odpadów poflotacyjnych i mułów do produkcji suspensji węglowo-wodnych, pod warunkiem wcześniejszego ich wzbogacenia. Rozwiązanie to, pozwala na wyeliminowanie drogiego procesu przemiału węgla [2].

Rys. 6. Schemat instalacji do produkcji suspensji węglowo-wodnej [2]

Tablica 2. Skład i własności suspensji węglowo-wodnych [2]

Lp.	Skala produkcji	przemysłowa				eksperymentalna
		Producent	Coaliquid Inc. USA	Enichem . -Anic Włochy	Biełowo - Nowo- sibirsk Rosja	Japan COM Co. Onahama Japonia	Fluid- Carbon Inter.AB Szwecja	AB Carbo- gel Szwecja	Amax Coal Co USA	Otisca USA
	Nazwa suspensji	CW	Reocarb		CWM	Fluidcar-bon	Carbo- gel	Ultra- clean	T-Coal
1.	Suspensja, zaw. %
1.1.	- węgiel	70-30	>70	57-65	66,5 ±0,5	65-75	72	60	55,7-68,6
1.1.1	-ziaren < 70 µm	99,9			89	65	-	100	100
1.1.2	-ziaren < 50 µm	45				55	60	100	100
1.1.3	-ziaren < 35 µm -	25-30	<25	80***		40	-	97	100**
1.2.	-woda	30				25-35	28	40
1.3.	-dodatki uszlachet.	0,2			+	+	<1	2	0,2-1
1.4.	-popiołu	5			8-9*	2-5	1,4	0,3-0,6	0,0005-0,022
1.5.	-siarki	1			0,3		0,67	0,79	0,82
2.	Lepkość,cP	956	<600		800-1200	500-1000	400	1000	735-2470
3.	Gęstość, g/cm^3	1,199				1,2-1,3	1,2	1,16
4.	Wartość opałowa (węgla), MJ/kg				19,5	20-23	25,5	21,5	18,2-22,5
5.	Temp.topnienia, °C	1371				>1250	1132	1271	1260
6.	Stabilność, miesiące	1	2			2		6
* produkowana jest również suspensja o zaw. popiołu 0,0-1,5% ** 99% poniżej 4 µm *** poniżej 25 µm

5. Technologia zagospodarowania mułów węglowych w mieszankach
energetycznych

Wprowadzenie

Urobek węglowy może zawierać do około 30 % ziarna o wymiarze poniżej 1 mm , czyli tzw. ziarn mułowych. Jest to nieunikniona konsekwencja właściwości urobku, mechanizacji i koncentracji wydobycia w zakładach górniczych. Węgle koksowe są wzbogacane w całym procesie uziarnienia, a wzbogacone muły -po odpowiednio głębokim odwodnieniu - są cennym komponentem produktu handlowego. W przypadku węgli energetycznych, muły są wzbogacane w znacznie mniejszym zakresie, niż muły węgli koksowych. Muły nie w pełni wzbogacone trudniej jest głęboko odwodnić. Dlatego duże ilości mułów węgli energetycznych dotychczas nie było zagospodarowywane w produktach handlowych, lecz często składowane, nawet jako produkt odpadowy w osadnikach. W ostatnich latach muły te coraz częściej wzbogaca się, odwadnia i kieruje do produktu handlowego.

Problemy ze wzbogacaniem, odwadnianiem i zagospodarowaniem mułów w produktach handlowych, nie są w pełni rozwiązane w zakładach przeróbczych. Wynika to z niedoinwestowania tych zakładów w zakresie przeróbki ziaren mułowych, jak również stosunkowo dużych kosztów ich przeróbki. Parametry jakościowe mułów są często na tyle korzystne, że możliwe jest ich zagospodarowanie z miałem wzbogaconym w postaci mieszanki energetycznej, bez dodatkowych operacji wzbogacania. Muły muszą być jednak wcześniej odwodnione. Najczęściej nie jest to odwadnianie głębokie w polu sil odśrodkowych.

Zagospodarowanie w produktach handlowych odwodnionego mechanicznie mułu stwarza problemy wynikające z podwyższonej zawartości w nim wilgoci i niekorzystnej, najczęściej zbitej struktury. Zbita struktura kawałków (brył) mułów, która jest wynikiem ich odwadniania na filtrach tarczowych, w prasach taśmowo-sitowych i w prasach komorowych, ogranicza możliwości pełnej homogenizacji z innymi produktami zakładu przeróbczego. Dodawanie mułu odwodnionego do mieszanek energetycznych w prasach komorowych jest bardziej korzystne, gdyż zawiera on przeciętnie 5÷10 % mniej wilgoci niż muł z filtrów próżniowych i przeciętnie 25÷30 % mniej wilgoci niż muł z pras taśmowo-sitowych. Problemy te częściowo rozwiązuje się porzez zastosowanie mieszalników prętowych do mieszania mułów ze strugą miału. Innym rozwiązaniem jest technologia kondycjonowania mułu z dodatkiem wapna palonego CaO w mieszalnikach intensywnego mieszania.

Oba rozwiązania nie zapewniają pełnej homogenizacji mułu ze strugą miału oraz nie gwarantują wymaganej pewności ruchowej. Podobne problemy występują podczas gospodarczego wykorzystania mułów zdeponowanych w latach ubiegłych w wielu osadnikach [3].

Charakterystyka technologiczna mułów węglowych

Muły do zagospodarowania w mieszankach energetycznych mogą pochodzić z bieżącej produkcji zakładów przeróbczych lub z osadników. Charakterystyki technologiczne tych mułów są różne. Mułami z bieżącej produkcji są najczęściej muły surowe lub częściowo wzbogacone, odwodnione na filtrach tarczowych, na prasach taśmowo-sitowych lub w komorowych prasach filtracyjnych. Ich zapopielenie w stanie analitycznym waha się w przedziale od 24 do 50 %, a wartość opałowa wynosi 10÷24 MJ/kg. Muły te nie zawierają z reguły ziarn większych od 2 mm, a ich skład ziarnowy jest stabilny i zależy od danego urobku i stosowanej technologii wzbogacania pozostałych klas ziarnowych. Cechą charakterystyczną mułów z bieżącej produkcji jest zbita struktura osadu lub placka filtracyjnego, wynikająca ze sposobu odwadniania.

Pochodzące z osadników muły były gromadzone przy poszczególnych kopalniach, najczęściej do połowy lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku. Ilości mułów zdeponowanych w tzw. mułowiskach nie są dokładnie znane. Ocenia się, że w różnego typu mułowiskach zgromadzonych jest około 12÷25 mln ton.

Ich dokładna charakterystyka technologiczna również jest nieznana. Z analizy dostępnych dokumentów i znajomości procesów wzbogacania węgli wynika, że muły z osadników zawierają 20÷45 % popiołu (A^r), a ich wartość opałowa (Q^r) waha siew przedziale 8÷19 MJ/kg. Zawartość wilgoci całkowitej (W_t) w tych mułach jest bardzo zróżnicowana i waha się w przedziale 15÷35 %.

Muły węglowe z osadników można wykorzystać na dwa sposoby:

• eksploatacja mułów i bezpośrednie ich zużycie, ewentualnie po pewnej stabilizacji jakości,

• eksploatacja mułów, następnie ich wzbogacanie i wykorzystanie w energetyce [3].

Wyniki badań wykorzystania mułu (badania przeprowadzoneGIG)

W Zakładzie Wzbogacania i Utylizacji Kopalin Głównego Instytutu Górnictwa wykonano kilka prac dotyczących wykorzystania mułów w energetyce, zarówno z bieżącej produkcji, jak również odpadowych mułów z osadników. Jednym z kierunków prac było bezpośrednie wykorzystanie mułów z bieżącej produkcji lub złóż antropogenicznych do produkcji mieszanek energetycznych. W pracach badawczych skupiono się głównie na określeniu możliwości rozluzowania i zniszczenia zbitej struktury osadów i placków, które uniemożliwiają ich pełną homogenizację ze strugą miału lub innego paliwa.

• Zmniejszenie zawartości wilgoci w mule, szczególnie do stanu powietrznosuchego, powoduje zapychanie dezintegratora i uniemożliwia jego poprawną pracę.

• W przepadzie z dezintegratora, będącym mieszaniną miału i mułu, tylko nieduża część ziarn miałowych jest wgnieciona w plastry mułu. Dodatek miału, w przypadku walców o niewłaściwej średnicy, może powodować zapychanie szczeliny dezintegratora, szczególnie w przypadku, gdy dodatek ten jest znaczący (ponad 50%).

• Przepad z dezintegratora musi być skierowany bezpośrednio do mieszalnika prętowego (dyzmembratora), który dodatkowo rozbija większe plastry mułu i wymiesza je z miałem węglowym.

• Ponieważ dodatek miału do mułu może powodować zapychanie się szczeliny dezintegratora, uniemożliwiając jego poprawną pracę, należy do niego podawać tylko muł. Natomiast miał, w odpowiedniej proporcji do mułu, należy kierować do dyzmembratora, do którego kierowany jest przepad mułowy z dezintegratora walcowego [3].

Technologia przygotowania paliwa węglowego z wykorzystaniem mułów

Zakłada się, że muły węglowe mogą pochodzić z bieżącej produkcji w zakładzie przeróbczym lub z osadników, w których zostały wcześniej zdeponowane.

W przedstawianej technologii, muły węglowe po odpowiednim rozdrobnieniu będą mieszane z miałem węglowym z ewentualnym dodatkiem biomasy.

Rys.7. Schemat technologiczny wytwarzania mieszanek paliwowych na bazie mułów węglowych [3]

1 - dezintcgrator walcowy 2 i - walce dezintegratora, 4- zgarniaki, 5 - dyzmembrator, 6 - muł, 7 - ładowarka kołowa 8 - krata9 - dozownik (podajnik) ślimakowy, 10 - ślimaki, //. 14- wagi taśmowe, 12 - miał węglowy lub miał z dodatkiem biomasy 13, 16,17- przenośniki taśmowe, 15 - warstwa z miału węglowego

Pozyskiwany z osadników lub z bieżącej produkcji w zakładach przeróbczych muł będzie transportowany samochodami na utwardzone składowisko. Składowisko będzie pełni funkcję bufora technologicznego, a jego wielkość powinna zależeć od wydajności nitki technologicznej i systemu dowozu mułu. Na składowisku będzie pracowała ładowarka kołowa 7, której zadaniem jest formowanie pryzmy mułowej i transport mułu ze składowiska na kratę 8 zbiornika wyposażonego w podajnik dwuślimakowy 10. Krata ma otwory kwadratowe o boku 200 mm. Gromadzące się na kracie dużo gabarytowe zanieczyszczenia obce (drewno, duże kawałki skały lub węgla), mogące pochodzić z mułu pozyskiwanego z osadników, będą co pewien czas usuwane ręcznie. Dozownik dwuślimakowy 9 ma możliwość regulacji obrotów, a przez to ilości mułu, doprowadzanego w sposób ciągły na przenośnik taśmowy 17. Możliwość płynnej regulacji wydajności podajnika dwuślimakowego pozwala ilościowo dozować muł do układu rozdrabniania i mieszania z miałem. Muł przenośnikiem 17, zaopatrzonym w wagę taśmową 11, podawany jest do dezintergratora walcowego

Dezintegrator zbudowany jest z dwóch walców 2 i 3, o średnicy i długości dobranej tak, aby zapewnić odpowiednią wydajność instalacji. Średnica bębnów musi być tak duża, tak aby kąt uchwytu zbitych brył mułu był większy od wielkości kąta tarcia. Zapobiegnie to niepotrzebnemu zawieszaniu się brył mułu nad szczeliną pomiędzy walcami.

Walce obracają się do środka z prędkościami regulowanymi za pomocą falowników. Szczelina pomiędzy walcami regulowana jest w zależności od stopnia zawilgocenia mułu, jego uziarnienia i zawartości w nim wtrąceń obcych. Powierzchnia walców może być w postaci gładkiego płaszcza lub pokryta profilowanymi prętami. Jeden z walców wraz z napędem posadowiony jest nieruchomo, a drugi ma możliwość przesuwania się w płaszczyźnie poziomej w zależności od oporu przenoszonego przez walce w momencie kruszenia grubszych ziarn węgla lub skały. Jest to szczególnie ważne w przypadku korzystania z mułu z osadników.

W dolnej części dezintegratora 7, stycznie do powierzchni walców, zamontowane są dwa zgarniaki 4, po jednym do każdego bębnach zadaniem jest skuteczne oczyszczanie powierzchni bębnów z przyklejającego się mułu.

Muł po przejściu przez dezintegrator, mający postać porozrywanych plastrów o grubości zależnej od szerokości szczeliny, będzie kierowany bezpośrednio do dyzmembratora. Dyzmembrator ma postać pionowego walca, zawierającego wał z poprzecznymi prętami montowanymi na różnych wysokościach. Na pobocznicy walca, między prętami mocowanymi do wału, znajdują się stalowe noże, zaostrzone w kierunku przeciwnym do kierunku obrotów wału. Do dyzmembratora, taśmociągiem 13, zaopatrzonym w wagę taśmową 14, podawany jest równocześnie miał 12 z ewentualnym dodatkiem biomasy.

Uzyskany produkt spada na przenośnik taśmowy 16, na którym może znajdować się podsypka z miału węglowego 15 i kierowany jest do zakładu energetycznego. Rolę dyzmembratora mogą pełnić po odpowiednim przystosowaniu mieszalniki węglowe stosowane w górnictwie węgla kamiennego

W przypadku zabudowy urządzeń bezpośrednio w zakładzie przeróbczym, tzn. gdy wykorzystywany jest muł z bieżącej produkcji, układ technologiczny może być uproszczony i obejmować tylko dezintegrator walcowy oraz dyzmembrator wraz z odpowiednimi drogami transportowymi.

Tak więc wydzielane podczas wzbogacania węgla muły, jak również muły węglowe zdeponowane wcześniej w osadnikach, stanowią cenne źródło paliwa, nadającego się do wykorzystania w energetyce. Zbita struktura masy mułów-będąca wynikiem ich odwadniania na filtrach tarczowych, w prasach taśmowo-sitowych, a zwłaszcza w prasach komorowych ogranicza możliwości pełnej homogenizacji z innymi produktami zakładu przeróbczego.

Jednak z badań przeprowadzonych w skali półtechnicznej Głównego Instytutu Górnictwa wynika, że dezintegrator walcowy umożliwia skuteczne rozbicie i zniszczenie zbitej struktury mokrych placków filtracyjnych, pochodzących z odwadniania mułów w prasach komorowych oraz wilgotnych mułów pozyskanych z osadników. Opracowana technologia zagospodarowania mułów zakłada ich mieszanie z typowymi miałami węglowymi w ciągu technologicznym, którego podstawowe ele­menty to dezintegrator walcowy i dyzmembrator prętowy. W technologii tej możliwy jest dodatek biomasy w postaci np. trocin drewnianych. Udział mułu w mieszaninie zależny jest głównie od jego parametrów jakościowych i może dochodzić do 30 %.

Muły węglowe, przewidziane do wykorzystania w tej technologii, mogą pochodzić z bieżącej produkcji jak i również z osadników [3].

6. Wzbogacanie surowca węglowego

W wyniku działalności górnictwa węgla kamiennego zachodzą w środowisku naturalnym liczne, najczęściej negatywne zmiany. Jedną z nich jest tworzenie wtórnych złóż surowca węglowego czyli gorsze produkty przeróbki węgla, którymi są to głównie muły węglowe. W początkach górnictwa węglowego brak było technologii utylizacji mułów, nie było też zapotrzebowania na rozwój technik wzbogacania i odwadniania najdrobniejszych ziarn urobku węglowego-stąd stanowiły one niejako odpad z produkcji. Współczesne technologie utylizacji węgla, zwłaszcza węglowe kotły pyłowe dominujące w energetyce, uczyniły muł węglowy pełnowartościowym komponentem produktów handlowych kopalń, który z powodzeniem jest wykorzystywany w energetyce.

Duża zawartość najdrobniejszych ziarn w urobku węglowym jest nieuniknioną konsekwencją mechanizacji i koncentracji wydobycia w zakładach górniczych. Urobek węglowy może zawierać do około 30 % ziarn o wymiarze poniżej 1 mm. Zagadnienie dotyczące wykorzystania mułu węglowego jest skomplikowane i jego analiza ekonomiczna jest złożona. W obszarze przeróbki mułów konieczne są bardzo duże nakłady inwestycyjne, a zatem koszty przeróbki mułów są większe niż koszty przeróbki pozostałej części urobku węglowego. Jednak w tej chwili nie ma wątpliwości, że należy wzbogacać muły węgli koksujących, aby w maksymalnym stopniu odzyskać z surowca węglowego cenny produkt- czyli węgiel wsadowy wykorzystywany w energetyce.

Nie ulega wątpliwości, że przeróbka węgla powinna być prowadzona w realnych z ekonomicznego punktu widzenia granicach kosztów . Jednak analiza samych tylko kosztów przeróbczych nie jest wystarczająca w wyborze właściwego zakresu przeróbki węgla i mułów. Wymaga ona wyważenia złożonych zależności między kosztami produkcji całego zakładu górniczego, kosztami przeróbki, zakresem wzbogacania węgla oraz wielkościami produkcji brutto i netto. Wynik takiej analizy zależy w dużej mierze od stosunku kosztów przeróbczych do całkowitych kosztów produkcji kopalni węgla kamiennego. Na przykładzie górnictwa węgla kamiennego w USA stwierdzono, że w zależności od kosztów pozyskania węgla (górnictwo głębinowe lub odkrywkowe) oraz w zależności od zakresu przeróbki (wzbogacania) węgla, koszty przeróbki mogą stanowić od 5 do 25 % całkowitych kosztów produkcji węgla.

W przypadku udziału wynoszącego 25 % może być uzasadnione ich minimalizowanie, gdyż inwestycje w przeróbce wyraźnie już zaznaczają się w kosztach całkowitych. Koszty wynikające z takich inwestycji nie koniecznie będą pokrywane przez ewentualny wzrost ilości i wartości produkcji netto, wynikający z realizowania drogich procesów wzbogacania mułów, czego wynikiem ma być zwłaszcza wzrost wychodu produktu handlowego.

W Polsce tylko w kilku kopalniach udział kosztów przeróbki w kosztach całkowitych przekracza 15 % a generalnie kształtuje się on na poziomie około 10 %. Nie decyduje o tym mała bezwzględna wartość kosztów przeróbki tylko duże koszty eksploatacji węgla.

Złoża antropogeniczne mułów węglowych, składowane są najczęściej w postaci zawiesin, osuszających się następnie w sposób naturalny lub w sposób wspomagany ponieważ mułów węglowych dawniej nie opłacało się wzbogacać. Jednak kształtowanie się wzajemnych relacji kosztów wydobycia surowca, kosztów przeróbki i ceny zbytu produktu, zmiany w ustawodawstwie doprowadziły do zainteresowania się -z punktu widzenia ekonomicznego wykorzystaniem mułu węglowego.

Niestety, w polskim górnictwie, w szczególności węgla energetycznego, zagadnienie przeróbki mułów nie jest w pełni rozwiązane. Nawet jeżeli zakłady przeróbcze są wyposażone w węzły przeróbki (wzbogacania) mułów, to często są one niedoinwestowane. Dlatego w zakładach przeróbczych występują trudności z bieżącą produkcją

Ilość mułów węglowych zdeponowanych w Polsce w tzw. „mułowiskach" ocenia się na około 25 mln t . Jakościowo surowca nie można porównywać z jakością urobku węglowego uzyskiwanego z bieżącej produkcji. Jest to surowiec o uziarnieniu do kilku milimetrów, posiadającymi duże zawilgocenie, zbitą strukturę złoża, utrudniającą transport itp. Surowiec mułowy jest jednak wciąż traktowane jako potencjalne paliwo węglowe, zwłaszcza wówczas gdy koszt jego produkcji, uwzględniając cenę pozyskania surowca. Również postęp w technice górniczej sprawia, że zainteresowanie mułem węglowym wzrasta [4].

Tablica 3. Zawartość drobnych ziarn w nadawach do zakładów przeróbczych
o uziarnieniu poniżej 200/120/80mm (po stacjach przygotowania węgla) [4]

Klasa ziarnowa mm	Kopalnia
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
		Zawartość klas ziarnowych %
-3	-	29,2	-	-	30,5	49,2	37,2	-	29,6	32,0	29,2
-2	24,9	23,3	30,2	29,9	-	-	-	33,0	32,6	-	-
-1	18,0	15,7	20,5	20,5	18,6	28,6	23,9	26,9	22,0	20,1	-
-0,5	12,6	10,8	14,8	14,9	13,5	17,6	15,3	19,9	13,5	13,9	11,3
-0,045	5,2	-	4,7	5,5	-	-	-	6,2	-	-	-

Wydobycie i zagospodarowanie mułów węglowych ze złóż antropogenicznych nie jest specyficzne dla polskiego górnictwa węglowego. Doświadczenia światowe w zakresie wykorzystania mułów węglowych deponowanych w osadnikach są bogate. Wynika to ze znacznych korzyści ekonomicznych i ekologicznych .

Muły można wykorzystywać w celach energetycznych na dwa sposoby:

• Eksploatacja mułów i bezpośrednie ich zużycie, ewentualnie po pewnej stabilizacji jakości wydobytego surowca

• Eksploatacja mułów, wzbogacanie i wykorzystywanie w energetyce wzbogaconego węgla [4]

Technologia i ekonomika wzbogacania surowca mułowego ze złóż antropogenicznych

W Zakładzie Wzbogacania i Utylizacji Kopalin Głównego Instytutu Górnictwa (SU-GIG) w ostatnich latach wykonano kilka badań dotyczących wykorzystania mułów węglowych. Wykorzystując dwa surowce mułowe wykonano serie badań technologicznych, na podstawie których opracowano dla każdego surowca po dwa schematy technologiczne potencjalnego ich wzbogacania. Obliczono bilanse ilościowo-jakościowe produkcji mułu wzbogacanego dla czterech wariantów technologicznych, a następnie oszacowano potencjalne nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacyjne instalacji wzbogacania surowca mułowego. Przyjęto następujące ważniejsze założenia, umożliwiające bezpośrednie porównanie efektywności poszczególnych wariantów inwestycyjnych:

• brak dostępu do istniejącej infrastruktury w zakresie przeróbki węgla i wynikająca stąd potrzeba wybudowania kompletnej instalacji do przeróbki

• ten sam sposób i koszt przygotowania surowca mułowego do wzbogacania, czyli przetworzenia surowca w zawiesinę,

• taka sama wydajność instalacji obliczana w stanie roboczym oraz w stanie powietrzno-suchym (ta sama zawartość wilgoci w nadawie),

• ten sam koszt pozyskania surowca, na który składa się koszt jego zakupu (przyjęto 20 zł/Mg) i koszt przemieszczenia do instalacji,

• ten sam, wyłącznie mechaniczny, sposób odwadniania produktu finalnego za pomocą wirówki sedymentacyjno-filtracyjne-które gwarantują pomimo dużego kosztu, maksymalne jego odwodnienie i maksymalny uzysk produktu w procesie odwadniania,

• cena produktu wzbogaconego została określona na podstawie formuły sprzedażnej węgla energetycznego uwzględniającej dużą zawartość wilgoci w węglu

• nie analizowano wpływu na koszt eksploatacji sezonowości produkcji i kosztów przestoju instalacji (3 miesiące zimowe), podczas których z uwagi na warunki atmosferyczne eksploatacja instalacji jest niemożliwa,

• nie analizowano wpływu na koszt produkcji kosztów zagospodarowania odpadów z przeróbki surowca mułowego [4].

Charakterystyki wybranych surowców mułowych

Wykorzystane do badań surowce cechowały się różnymi charakterystykami technologicznymi. Surowiec A jest przykładem mułu surowego pochodzącego z kopalni węgla energetycznego. Jest to muł bardziej gruboziarnisty niż surowiec B, ale też bardziej zailony, gdyż zawartość popiołu w klasie ziarnowej poniżej 0,025 mm jest bardzo duża i wynosi około 78 % (stan analityczny). Uziarnienie tego materiału i stosunkowo małe zapopielenie klas ziarnowych gruboziarnistych - ziarna o wymiarze powyżej 0,5 mm charakteryzują się zawartością popiołu poniżej 20 % (stan analityczny)- świadczy to o tym, że pochodzi on także ze zrzutów awaryjnych, a nie wyłącznie z kontrolowanej produkcji. Surowiec B jest przykładem mułu pochodzącego z kopalni węgla koksującego. Jest on bardziej drobnoziarnisty niż surowiec A, ale też nie w pełni charakteryzuje się cechami, jakie powinny charakteryzować „dobre" odpady mułowe - w tym wypadku głównie odpady flotacyjne. W szczególności ziarna od 0,25 mm do 0,025 mm charakteryzują się przeciętną, jak na odpady flotacyjne, zawartością popiołu wynoszącą około 55-59 % (stan analityczny). Wartość opałowa obu surowców jest mała i wynosi około 11 000 kJ/kg.

Tablica.4. Charakterystyki technologiczne surowców wykorzystanych do badań technologicznych

Klasa ziarnowa mm	Surowiec A		Surowiec B
		wychód klasy ziarnowej %	Zawartość popiołu w stanie analitycznym,%	wychód klasy ziarnowej %	Zawartość popiołu w stanie analitycznym %
powyżej 2	0,9	19,47	1,7	73,53
2÷1	16,6	12,62	3,2	41,94
1÷0,0	29,6	20,97	13,4	27,19
0,5÷0,25	16,8	30,11	16,2	32,31
0,25÷0,1	10,7	48,50	21,7	46,73
0,1÷0,045	5,2	51,85	14,1	54,14
0,045÷0,025	1,9	51,35	8,3	54,95
poniżej 0,025	18,3	77,92	21,4	61,39
Razem średnio	100		100
		36,66		46,94
Wartość opałowa w st. roboczym Q^r, kJ/kg	około 11000		około 11000

Analizowane warianty technologii przeróbki (wzbogacania) surowców mułowych

Na rysunkach przedstawiono blokowe uproszczone schematy technologiczne analizowanych potencjalnych tech­nologii przeróbki obu mułów. W tablicy zamieszczone są dane ilościowo-jakościowe dotyczące bilansów produkcji według tych technologii

Surowiec A wzbogacono tylko metodami mechanicznymi. W przypadku surowca B zastosowano również flotację pianową.

Rys. Blokowy uproszczony schemat technologiczny przeróbki surowca A- wariant Al oraz
surowca B wariant B1

Wzbogacanie mułów gruboziarnistych

Rys.8. Blokowy uproszczony schemat technologiczny przeróbki surowca B- wariant B2

Analiza ekonomiczna przedstawionych przedsięwzięć inwestycyjnych

Potencjalne instalacje przeróbki obu surowców mułowych według zaproponowanych wariantów technologicznych po traktowano jako odrębne inwestycje. Na podstawie wyników wykonanych badań technologicznych, przyjmując wymienione wcześniej założenia, oszacowano niezbędne nakłady inwestycyjne w części budowlanej i maszynowej oraz koszty eksploatacji tych instalacji.

Przyjęto, że inwestycje realizowane będą ze środków własnych inwestora.

W tablicy poniżej zamieszczone są wartości oszacowanych nakładów i kosztów eksploatacyjnych z rozbiciem na ważniejsze pozycje kosztów oraz wyniki obliczeń wskaźników pozwalających ocenić efektywność ekonomiczną przedsięwzięcia inwestycyjnego.

Analizę ekonomiczną przeprowadzono za pomocą specjalnych procedur stosując następujące kryteria:

• wartości bieżącej netto (NPV),

• wewnętrznej stopy zwrotu (IRR),

• okresu zwrotu.

Przyjęto zasadę oceny przyrostów wartości produkcji w 10-letnim horyzoncie czasowym, co jest sprawą umowną, gdyż żywotność instalacji jest funkcją zasobności złoża antropogenicznego.[4]

Tablica 5. Parametry ilościowo-jakościowe koncentratów (produktów handlowych)
pozyskanych w wyniku wzbogacania surowców mułowych A i B według
poszczególnych technologii

Wariant technologiczny	Masowe natężenie przepływu, Mg/h		Parametry jakościowe
		Stan roboczy	Stan powietrzno-suchy	Zaw. popiołu w stanie analitycznym, %	Zaw. popiołu w stanie roboczym, %	Wartość opałowa w stanie analitycznym kJ/kg	Wartość opałowa w stanie roboczym kJ/kg	Zawartość wilgoci W, %
A1	41,5	34,5	około 18	około 15	około 22000	około 17800	17
A2	35,1	29,5	około 18	około 15	około 21800	około 17900	16
B1	24,0	20,0	około 23	około 19	około 25250	około 20500	17
B2	30,0	25,0	około 21	około 18	około 26000	około 23800	17

Tablica 6. Wybrane dane dotyczące efektywności przeróbki surowców mułowych A i B
według opracowanych wariantów technologicznych. Obciążenie instalacji nadawą
w stanie roboczym 70 Mg/h [4]

Wyszczególnienie	Wariant A1	Wariant A2	Wariant B1	Wariant B2
Produkt (stan roboczy), Mg/h	41,5	29,5	24	30
Wychód produktu w stanie powietrzno-suchym	69	59	40	50
Klasa zbytu produktu	17/18/08	17/18/08	20/20/08	23/18/08
Nakłady inwestycyjne w mln zł	7,7	7,6	7,68	8,83
Koszty pozyskania surowca w mln/rok	9,9	9,9	9,9	9,9
Całkowite koszty eksploatacyjne mln zł/rok	13,2	13,1	13,1	13,60
Wartość bieżąca netto w mln zł	40,1	3,6	3,5	45
Wewnętrzna stopa zwrotu (IRR)	92	18	17	91
Okres zwrotu, miesiące	13	77	67	13

7. Odpadowe muły węglowe jako element izolacji mineralnej składowisk
odpadów

Składowanie odpadów jest metodą utylizacji odpadów która jest najważniejszą z możliwych form unieszkodliwiania odpadów szczególnie w przypadku odpadów o charakterze masowym oraz odpadów stwarzających problemy z metodami ich utylizacji. Często istnieje ryzyko migracji zanieczyszczeń poza obręb składowiska i zanieczyszczenia wód gruntowych i podziemnych oraz gleb w pobliskim otoczeniu. W związku z tym zabezpiecza się składowiska uszczelnieniami naturalnymi, mineralnymi lub syntetycznymi. Wśród materiałów mineralnych z których wykonuje się uszczelnienia można znaleźć skały o charakterze glin lub iłów. Uszczelnienie to daje gwarancję ze poza wysoką szczelnością, związaną z niską przepuszczalnością hydrauliczną gruntów ilastych, ewentualne zanieczyszczenia mogą zostać zatrzymane wskutek zjawiska sorpcji zanieczyszczeń na powierzchni minerałów ilastych. Sposób mineralnego uszczelniania składowisk powoduje degradacje środowiska poprzez wydobywanie kopalin, w związku z tym poszukuje się materiałów które pozwolą uniknąć degradacji środowiska. Można to osiągnąć poprzez zastosowanie surowców o charakterze odpadowym które mogłyby spełniać rolę substytutów skał ilastych. Odpady powinny charakteryzować się stosunkowo niezmiennym w czasie, stałym składem mineralnym i chemicznym a ilość powstającego odpadu powinna utrzymywać się na względnie zmiennym poziomie w okresie kilku najbliższych lat. Taki charakter posiadają odpadowe muły węglowe. Koszt wykonania izolacji mineralnej zamykałby się wówczas jedynie w obrębie kosztów transportu mułów węglowych na teren inwestycji.

Do badań wykorzystano odpadowy muł węglowy pochodzący z KWK „Janina” w Libiążu.

Rys. 9.Dyfraktogram rentgenowski przedstawiający skład mineralny badanego materiału

(I- illit, K- kaolinit, Q- kwarc, P- piryt)

Tablica 7. Skład chemiczny popiołu otrzymanego w wyniku prażenia mułu w temperaturze
850°C

Składnik	Zawartość, % wag.
SiO2	56,60
A12O3	27,26
Fe2O3	7,15
CaO	0,96
MgO	1,43
Na2O	0,55
K2O	3,12
SO3	0,84
TiO2	1,09
P2O5	0,06
ZnO	0,13

Skład chemiczny mułu można dobrze skorelować ze składem mineralnym. Wysoka zawartość SiO₂ świadczy o obecności kwarcu oraz illitu natomiast podwyższona zawartość Fe wynika z obecności pirytu

Tablica 8. Parametry fizykomechaniczne odpadowego mułu z KWK „Janina”

Parametr	Zakres (wartość średnia)
Frakcja iłowa fi, %	19,2÷26,6
Gęstość właściwa ρs, Mg/m^3	1,99÷2,03
Gęstość objętościowa ρ, Mg/m^3	1,50÷1,54
Granica płynności wL %	42,3÷45,6
Granica plastyczności wp, %	23,3÷25,6
Wskaźnik plastyczności IP, %	17,5÷22,6
Aktywność A	0,82÷0,91
Pojemność wymiany kationowej CEC, mval/kg	91÷110
Pęcznienie swobodna FS, %	1,1÷1,9
Wilgotność optymalna wopt ,%	24,9÷28,1
Zawartość części organicznych Iom,%	2,6÷3,5

W oparciu o badania można stwierdzić ze muł węglowy charakteryzuje się dobrymi parametrami jeśli chodzi o właściwości mechaniczne. Odpowiednia wartość w_L i w_p gwarantują dobrą urabialność materiału oraz możliwość zagęszczenia beż żadnych problemów i konieczności uzdatniania mułu. Odpadowe muły pochodzące z procesów wodno-mułowych KWK „Janina” składają się z około 40-50 % z minerałów ilastych o charakterze kaolinitu oraz illitu. Taka ilość składników ilastych determinuje możliwość zastosowania mułów jako substytutu skał ilastych stosowanych podczas prac zabezpieczających środowisko wodno-gruntowe w rejonach składowisk odpadów.

Wykorzystanie mułu odpadowego przyczynia się do ochrony środowiska naturalnego i to w kilku aspektach: czynnie chroniąc kopaliny użyteczne, zmniejszając degradację środowiska i krajobrazu co ma miejsce podczas eksploatacji kopalin użytecznych oraz jednocześnie ograniczając tereny przeznaczone pod składowanie odpadowych mułów.[5]

8. Badania mułów węglowych i odpadów niemineralnych w zakresie możliwości otrzymana paliw

Wraz z wyczerpywaniem się pierwotnych surowców energetycznych, wzrostem ich cen i przede wszystkim w trosce o ochronę środowiska, wzrasta zainteresowanie paliwami alternatywnymi. Zastosowanie technologii grudkowania jest najlepszą formą łączenia odpadów drobno uziarnionych w większe kawałki, otrzymany w ten sposób produkt-granulat może stanowić nowy rodzaj paliwa alternatywnego. Technologia ta umożliwia wykorzystanie mułów węglowych stanowiące odpady w procesie przeróbki węgla kamiennego wraz z odpadami z różnych gałęzi przemysłu oraz unieszkodliwienie odpadów zwierzęcych

Celem badań było otrzymywanie granulatu jako formę nowego paliwa alternatywnego

Proces tworzenia grudek, prowadzony był w grudnowniku bezciśnieniowym- bębnowym

Zakres przeprowadzonych badań obejmował przede wszystkim pomiary:

- wilgotności przemijającej

- gęstości nasypowej (surowców i produktów)

- wytrzymałości na zrzut

- składu ziarnowego

- wartości opałowej uzyskanego paliwa

Do procesów grudkowania zastosowano muł węglowy z następującymi odpadami:

- pyłem drzewnym,

- pyłem tytoniowym,

- mączką mięsno-kostną,

- odpadami bawełnianymi,

- odpadami grabarskimi

Muł węglowy

Prawidłowe zagospodarowanie mułów węglowych ma duże znaczenie dla krajowego przemysłu węglowego ze względu na ich ilość zmagazynowaną w osadnikach i wytwarzaną w bieżącej produkcji. Muły węglowe powstają w górnictwie w dwóch oddzielnych etapach.

Z obiegu wodno-mułowego i z flotacyjnego wzbogacania węgli. Zawarte w mułach organiczne substancje sprawiają że muły są odpadem godnym zainteresowania.

Jako surowiec do produkcji paliwa, a zarazem materiał do badań wykorzysta­no poflotacyjny muł węglowy z osadnika Kopalni Węgla Kamiennego „Julia" w Wałbrzy­chu, którego właściwości przedsta­wiono w tabeli.

Tablica 8. Wartości mułu węglowego

Oznaczenie	Symbol	Jednostka	Wartość
Gęstość nasypowa	ρ	g/cm^3	0,97
Wilgotność przemijająca	wex	%	18,64
Wartość opałowa	Qi	kJ/kg	~13000

Pyl drzewny

Pył drzewny powstaje podczas mechanicznej obróbki drewna w stolarniach i zakładach przemysłu drzewnego. Możliwość wykorzystania pyłu drzewnego w procesach energetycz­nego spalania zależy od jego właściwości, tj. uziarnienia, wilgotności oraz palności. Dlate­go pył drzewny może być stosowany jako składnik domieszki w produkcji granulatu. Odpadem zastosowa­nym do produkcji paliwa był pył drzewny z Zakładu Obróbki Drewna w Jaworznie,

Tablica 9. Właściwości pyłu drzewnego

Oznaczenie	Symbol	Jednostka	Wartość
Gęstość nasypowa	ρ	g/cm^3	0,326
Wilgotność przemijająca	wex	%	1,9
Wartość opałowa	Qi	kJ/kg	~17000

Odpady tytoniowe

Pył tytoniowy powstaje od momentu zbioru liści tytoniu, a kończy się z momentem za­mknięcia paczki papierosów gotowej do sprzedaży. Uziarnienie tych odpadów waha się od bardzo drobnych cząstek do 2-3-milimetrowych pałeczek. Zastosowa­nym w badaniach odpadów do produkcji granulatu był pył tytoniowy z produkcji wyrobów tytoniowych, pochodzący z fabryki Philip Morris Polska SA. w Krakowie.

Tablica 10. Właściwości pyłu tytoniowego

Oznaczenie	Symbol	Jednostka	Wartość
Gęstość nasypowa	ρ	g/cm^3	0,396
Wilgotność przemijająca	wex	%	4,76
Wartość opałowa	Qi	kJ/kg	17700

Mączka mięsno-kostna

Mączka mięsno-kostna to drobno zmielone odpady poubojowe, kości zwierzęce itp. Mączka taka jest również produktem ubocznym, otrzymywanym z kości zwierzęcych pod­czas produkcji kleju kostnego. Odpady te charakteryzują się dużą zawartością tłuszczu. Z uwagi na intensywny, nieprzyjemny zapach, miejsce magazynowania i instalacja transportująca muszą mieć odpowiednią szczelność. Do produkcji granulatu wykorzystano mączkę mięsno-kostna z Zakładu SARIA Małopolska Sp. z o.o. w Krakowie Oddział w Wielkanocy

Tablica 11. Właściwości mączki mięsno-kostnej

Oznaczenie	Symbol	Jednostka	Wartość
Gęstość nasypowa	ρ	g/cm^3	0,620
Wilgotność przemijająca	wex	%	3,14
Wartość opałowa	Qi	kJ/kg	~18000

Odpady bawełniane

Bawełna jest to miękkie włókno o bardzo dużej zawartości celulozy - około 92%. Podczas procesów przetwarzania bawełny powstają różnego rodzaju odpady bawełniane, do których należą odpady z wyczesów, karbonizowania, końce przędzalnicze, plątanki, szarpania itp.

Możliwość ich wykorzystania w procesach energetycznych zależy od uziarnienia, wilgotności i palności.. Jako odpady do produkcji paliwa, a zarazem materiał do badań wykorzy­stano pył bawełniany z Andropol Przędzalnia S.A. w Andrychowie

Tablica 12. Właściwości pyłu bawełnianego

Oznaczenie	Symbol	Jednostka	Wartość
Gęstość nasypowa	ρ	g/cm^3	0,07
Wilgotność przemijająca	wex	%	0,49
Wartość opałowa	Qi	kJ/kg	~11000

Odpady garbarskie ze szlifowania skór

Garbowanie jest to proces wyprawiania skóry, w którym odpowiednio przygotowana surowa skóra zostaje przekształcona w skórę wyprawioną o nowych, lepszych właściwoś­ciach użytkowych. Pył skórzany powstaje na etapie zwanym wykańczaniem właściwym, np. podczas szlifowania, cięcia, strugania itp. Dzięki swoim właściwościom fizycznym (py-listości i lekkości) odpady te mogą być zakwalifikowane jako składnik paliwa energetycz­nego. Jako odpady do produkcji paliwa wykorzystano pył garbarski ze szlifowania skór z Krakowskich Zakładów Garbarskich S.A. w Krakowie,

Tablica 13. Właściwości pyłu grabarskiego ze szlifowania skór

Oznaczenie	Symbol	Jednostka	Wartość
Gęstość nasypowa	ρ	g/cm^3	0,126
Wilgotność przemijająca	wex	%	0,79
Wartość opałowa	Qi	kJ/kg	~12500

Metoda prowadzenia doświadczeń

Program badań obejmował sam proces grudkowania oraz badanie gotowych grudek pod kątem wartości opałowej, gęstości oraz ich wytrzymałości na zrzut Badania miały wy­kazać przydatność granulatów do procesów energetycznych oraz do transportu. Metoda prowadzonych badań polegała na granulowa­niu mieszanek, w których podstawowym składnikiem był muł węglowy, a domieszkami. Mieszane z mułem węglowym odpady charakte­ryzują się podobnymi właściwościami: małą wilgotnością (maks. 4,5%), drobnym uziarnieniem oraz niską gęstością.

Badania polegały na procentowym (wagowym) odmierzeniu mułu węglowego w dwóch lub trzech udziałach: 95%, 90%, 85%, kolejno z każdym z wyżej wymienionych odpadów

w ilościach: 5%, 10% i 15%, i mieszaniu ich. Mieszanki stosowane w badaniach składały się z mułu węglowego i wyłącznie jednego rodzaju odpadów. Kolejnym etapem był sam proces grudkowania. Otrzymane grudki poddano sezonowaniu w temperaturze otoczenia, a następnie wykonano badania ich wytrzymałości na zrzut, oznaczenie składu ziarnowego oraz gęstości, celem określenia skuteczności grudkowania oraz przydatności powstałych grudek do procesów spalania i odporności na warunki występujące podczas transportu. Ostatnim pomiarem, jakiemu poddawano granulat, było badanie wartości opałowej

Tablica 14. Własności wykorzystywanych odpadów

Rodzaj odpadów	Wilgotność przemijająca [%]	Gęstość nasypowa [g/cm^3]
Muł węglowy	18,64 .	0,97
Pył drzewny	1,9	0,326
Pyt tytoniowy	4,76	0,396
Mączka mięsno-kostna	3,14	0,62
Pył bawełniany	0,49	0,07
Pył garbarski	0,79	0,126

Wyniki badań właściwości granulatów

Tablica 15. Właściwości granulatu mułu węglowego z pyłem drzewnym

Badane właściwości	Skład granulatu [%]
		90:10	95:5
Klasa ziarnowa o największym wychodzić [mm]	4÷6,3	10,25÷14,25
Średnia wytrzymałość na zrzut* [liczba zrzutów]	11	13
Gęstość [g/cm^3]	0,91	0,94
Barwa	ciemnobrązowa	ciemnobrązowa
Zapach	brak	brak
Wartość opałowa [kJ/kg]	13400	13200

* Liczba zrzutów nic zakończonych pęknięciem tub rozbiciem grudki

Tablica 16. Właściwości granulatu mułu węglowego z pyłem tytoniowym

Badane właściwości	Skład granulatu [%]
		90:10	95:5
Klasa ziarnowa o największym wychodzić [mm]	4,5÷5,65	10,25÷14,25
Średnia wytrzymałość na zrzut [liczba zrzutów]	48	25
Gęstość [g/cm^3]	0,91	0,94
Barwa	brązowa	brązowa
Zapach	tytoniu	tytoniu
Wartość opałowa [U/kg]	13470	13235

Tablica 17. Właściwości granulatu mułu węglowego z mączką mięsno-kostną

Badane właściwości	Skład granulatu [%]
		85 : 15	90:10	95:5
Klasa ziarnowa o największym wychodzić [mm]	5,65÷7,15	10,25+14,25	>25
Średnia wytrzymałość na zrzut [liczba zrzutów]	96	68	22
Gęstość [g/cm^3]	0,92	0,935	0,95
Barwa	ciemnoszara	jasnoszara	jasnoszara
Zapach	pleśni	pleśni	pleśni
Wartość opałowa [kJ/kg]	13750	13500	13250

Tablica18. Właściwości granulatu mułu węglowego z pyłem bawełnianym

Badane właściwości	Skład granulatu [%]
		90:10	95:5
Klasa namowa o największym wychodzić [mm]	-^*	>25
Średnia wytrzymałość na zrzut [liczba zrzutów]	-	67
Gęstość [g/cm^3]	0,88	0,92
Barwa	czarna	czarna
Zapach	zgnilizny	zgnilizny
Wartość opałowa [U/kg]	12800	12900

* Granulat otrzymany w wyniku grudkowania mułu węglowego z pyłem bawełnianym charakteryzuje się tym, że

w mieszaninie z 10-procentową zawartością pyłu bawełnianego proces kawałkowania nie przebiegał pomyślnie

W efekcie me pozwoliło to na uzyskanie odpowiedniego kształtu i wielkości produktu. Powstały produkt w takcie przesiewania powoduje zatykanie sit i

uniemożliwia badanie składu ziarnowego

Tablica 19. Właściwości granulatu mułu węglowego z pyłem garbarskim

Badane właściwości	Skład granulatu [%]
		90 : 10	95:5
Klasa ziarnowa o największym wychodzić [mm]	10,25÷14,25	>25
Średnia wytrzymałość na zrzut [liczba zrzutów]	53	22
Gęstość [g/cm^3]	0,89	0,93
Barwa	grafitowa	grafitowa
Zapach	zgnilizny	zgnilizny
Wartość opałowa [kJ/kg]	12950	12975

Tablica 20. Zestawienie właściwości otrzymanych granulatów-paliw alternatywnych

Rodzaj granulatu	Udział [%]	Wartość opałowa [kJ/kg]	Klasa ziarnowa o największym wychodzić [mm]	Średnia wytrzymałość na zrzut [liczba zrzutów]
Muł węglowy z pyłem drzewnym	90:10	13400	4,0÷6,3	11
	95:5	13200	10,25÷14,25	13
Muł węglowy z pyłem tytoniowym	90: 10	13470	4,5÷5,65	48
	95:5	13235	10,25÷14,25	25
Muł węglowy z mączką mięsno-kostną	85:15	13750	5,65÷7,15	96
	90:10	13500	10,25÷14,25	68
	95:5	13250	>25	22
Muł węglowy z pyłem bawełnianym	90:10	12800	-	-
	95:5	12900	>25	67
Muł węglowy z pyłem garbarskim	90:10	12950	10,25÷14,25	53
	95:5	12975	>25	22

Prowadzone badania pozwoliły wysunęły wnioski dotyczące możliwości opracowania nowych technologii otrzymywania paliwa alternatywnego.

1.Proces otrzymywania paliw jest mało skomplikowany ze względu na prostotę stoso­wanych urządzeń bezciśnieniowych.

2. Wykorzystanie badanych surowców w produkcji nowych paliw alternatywnych ogra­niczy ilość większości składowanych dotychczas niezagospodarowanych odpadów.

3. Biorąc pod uwagę drobne uziarnienie i dużą pylistość badanych odpadów, należy za­dbać o ich odpowiedni sposób magazynowania i transportowania.

4. Zapachy towarzyszące granulatom powstałym z mieszanki mułu węglowego z odpada­mi pochodzenia zwierzęcego (mączka mięsno-kostną, pył garbarski) są nieprzyjemne, uciążliwe i mogą wpływać na trudności w znalezieniu potencjalnych odbiorców.

5. Pył bawełniany wykorzystywany w badaniach stwarza pewne trudności w procesie grudkowania ze względu na strukturę budowy przypominającą watę, zatem wymaga on uprzydatnienia do grudkowania.

6. Ze względów bezpieczeństwa środowiska należy zbadać zarówno zawartość pozos­tałości po spaleniu części stałych (popiołów i żużli), jak i skład emitowanych spalin [6].

9. Mieszaniny węglowo-wodne

Za granicą od kilku lat prowadzone są badania nad mieszaninami węglowo-wodnymi, węglowo-olejowymi oraz węglowo-metanolowymi. Rozwój inspirowany jest m.in. takimi potrzebami jak:

- hydrotransportu węgla , w tym na duże odległości

- hydrotransportu i dozowania węgla do procesów spalania, zgazowywania węgla

- zmniejszenie ujemnego oddziaływania produktów spalania węgla na środowisko

- zwiększenie zakresu wykorzystywania węgla jako paliwa

- zastąpienie naftowych olejów napędowych i opałowych.

Tworzone mieszaniny różnią się nie tylko składem ale również własnościami fizykochemicznymi, trwałością a także stopniem shomogenizowania. Najbardziej popularne to suspensje węglowo-wodne.

Technologie suspensji węglowo-wodnych są najbardziej rozpowszechnione w USA, Francji, Rosji, Włoszech, Szwecji. Hydrotransport węgla najbardziej popularny jest w USA, gdzie transportowane są ogromne ilości w mln ton węgla z kopalń do portów elektrowni. Znajduje się tam instalacja transportu rurowego o długości 1860 km i średnicy 950 mm która pozwala na transport 25 mln ton węgla rocznie.

Rys. 10. Struktura kosztów transportu węgla w warunkach USA:1- nakłady inwestycyjne,
2- koszty energii elektrycznej, 3- koszty przemiału, 4- koszty eksploatacji,
5- amortyzacja urządzeń elektrycznych, 6- amortyzacja urządzeń mechanicznych

We francuskiej elektrowni „Emile Huchet” która dysponuje mułami o znacznej kaloryczności dostarczonej z kopalni odległej o 16 km dochodzi do bezpośredniego spalania mułów.

Rys.11. schemat zasilania kotłów w elektrowni „Emile Huchet” zawiesiną mułowo-wodną
z zakładu wzbogacania węgla sąsiadującej kopalni, oddalonej o 16 km.

Fizykochemia mieszanin węglowo-wodnych

Dwufazowy układ „węgiel-woda” może stanowić mieszaninę (zawiesinę) węgla w wodzie lub roztwór koloidalny (suspensję).

Jeśli chodzi o mieszaniny wody i węgla to mamy z nimi do czynienia np. w zakładach wzbogacania węgla i w gospodarce wodno-mułowej a także w przypadkach hydrotransportu węgla i odpadów powęglowych. Mieszaniny te charakteryzują się szerokim zakresem stosunku „węgiel -woda” dochodzącym czasami do stosunku 1:40. podlegają one grawitacyjnej sedymentacji i klasyfikacji hydraulicznej. Podstawowym warunkiem uzyskiwania stałości stężenia w całej objętości mieszaniny i uniknięcia zjawisk sedymentacji fazy stałej jest pokonanie sił grawitacji siłami ruchu.

Zdarza się ze celowe jest uzyskiwanie trwałych zawiesin węgla w wodzie, koniecznym jest zapewnienie warunków do tworzenia roztworów koloidalnych , które w układzie „ciecz- ciało stałe” nosi nazwę suspensji.

W stężonych układach koloidalnych można zaobserwować naprężenia ścinające które są nieproporcjonalne do gradientu prędkości i są nieodwracalne: zjawisko to nazywane jest tiksotropii.

Trwałość układu zarówno koloidalnego jak i tiksotropowego zależy od wielu czynników:

- stopnia uwęglenia węgla

- zawartości i składu części mineralnej węgla (popiołu)

- składu ziarnowego fazy rozpuszczonej i stopnia jej dyspersji

- powstawanie warstw solwatacyjnych wokół ziaren węgla

- obecności jonów w warstwie adsorpcyjnej, odpowiednio regulujących potencjał

elektrokinetyczny

Wysoką trwałość suspensji węglowo-wodnych uzyskuje się przez dodawane do nich substancji powierzchniowo-czynnych są to stabilizatory, plastyfikatory, utrwalacze itp.

Metody wytwarzania suspensji węglowo-wodnej

na proces wytwarzania składają się następujące etapy produkcyjne:

1. przygotowanie węgla

2. mieszanie węgla z wodą i dodatkami

3. homogenizacja mieszaniny

Rys.12. schemat instalacji do produkcji suspensji węglowo-wodnej.

W zależności od przeznaczenia suspensji, koniecznym jest dobór właściwej jakości węgla, ewentualnie jego wzbogacenie i odpowiednie rozdrobnienie. Dla zapewnienia wysokiej wartości energetycznej suspensji stosowane są węgle wysokokaloryczne. Najczęściej węgiel do produkcji suspensji podlega flotacji, a koncentrat stanowi gotowy surowiec do produkcji suspensji

Zmieszanie suchego pyłu węglowego z wodą nie jest sprawą prostą. W ty procesie chodzi o całkowite zwilżenie powierzchni ziaren węgla, które, wysuszone wykazują często silne własności hydrofobowe. Najłatwiej ten efekt uzyskać w procesie mokrego przemiału pyłu węglowego i czasami dodawaniu środków powierzchniowo-czynnych do węgla, ewentualnie do wody.

Dla trwałego układu koloidalnego dodaje się stabilizatory w ilości do 2%, możemy do nich zaliczyć:

- organiczne aminoaktywne związki (sole Na, Ca, Mg, Al. Kwasów alkilosulfowych, alkiloaminosulfowych i kwasu olejowego itd.)

- organiczne kationoaktywne związki (polioelektrolity)

- organiczne jononeutralne związki (polimery tlenków etylenu, kopolimery tlenku etylenu i propylenu)

- nieorganiczne związki (NaCl, Cacl₂, szkło wodne, roztwory gliny).

Warunkiem uzyskania trwałej suspensji z mieszaniny węglowo-wodnej jest jej dokładne wymieszanie, prowadzące do homogenizacji układu dwufazowego.w tym procesie powinno dojść do solwatacji ziaren węgla wodą i adsorpcji dyspergatorów w warstwie powierzchniowej, tworząc trwały i stabilny układ koloidalny.

Wytwarzane wg opisanego schematu suspensje węglowo-wodne stanowią stabilne ciekłe paliwo węglowe, przystosowane do długotrwałego składowania; transportowania w cysternach samochodowych i kolejowych, barkach i rurociągami. Są efektywnymi paliwami, zapewniającymi stabilne i ekologiczne spalanie węgla w obiektach energetycznych i technologicznych.

Zastosowanie suspensji węglowo-wodnych

Suspensje węglowo-wodne oprócz zastosowania ich jako rozwiązania hydrotransportu węgla są obszernie badane ale w mniejszym stopniu zastosowane w praktyce przemysłowej jako ciekłe paliwa do:

- palenisk kotłów pyłowych i olejowych

- cementowych pieców obrotowych

- wielkich pieców

- turbin gazowych

- tłokowych silników spalinowych

Badania które są prowadzone wykazują korzyści wynikające ze stosowania suspensji węglowo-wodnych:

- możliwość zastąpienia olejów opałowych i napę­dowych,

- możliwość zastąpienia węgla,

- możliwość i łatwość prowadzenia automatyzacji procesów spalania i technologicznych,

- możliwość zwiększenia obszarów wykorzystania węgla,

- możliwość zmniejszenia areału powierzchni pod transport i składowanie paliw (w porównaniu do węgla).

- możliwość zmniejszenia ujemnego oddziaływania na środowisko w procesie transportu i magazyno­wania paliw {w porównaniu do węgla),

- możliwość uproszczenia gospodarki paliwowej (w porównaniu do węgla i ciężkich olejów opało­wych).

W krajach, gdzie zastosowano suspensję do opalania kotłów energetycznych w miejsce węgla lub cięż­kiego oleju opałowego, powszechnie podkreślane jest zmniejszenie emisji do atmosfery:

- tlenków azotu, około 2-krotnie.

- tlenków siarki, około 5-krotnie,

- pyłów, około 1,24-krotnie.

Spalanie suspensji węglowo-wodnych wpływa rów­nież na efektywność procesów spalania. W przypadku zastosowania suspensji zamiast oleju opałowego nastę­puje spadek mocy kotła, najczęściej kilkuprocentowy, po­nadto koniecznym jest rozwiązanie problemu zwiększo­nego zapopielenia. Zastępowanie pyłu węglowego suspensjami prowadzi zazwyczaj do polepszenia procesu spalania. Racjonalne wykorzystanie suspensji wymaga jed­nak zastosowania odpowiednich palników [7].

10. Stan i kierunki rozwoju nowych technologii odwadniania węgli
kamiennych w kopalniach rybnickiej spółki węglowej S.A.

Rybnicka Spółka Węglowa S.A grupuje kopalnie wydobywające węgle energetyczne oraz gazowo-koksowe. Zakłady przeróbcze tych kopalń dostosowane są do wzbogacania węgli w pełnym zakresie uziarnienia i produkują koncentraty węglowe:

-gruboziarniste ≥ 16(20) - 150 (200) mm

-drobnoziarniste 0,5 -16(200) mm i 0,5-3mm

-mułowe≤0,5 mm

Odwadnianie koncentratów gruboziarnistych

Koncentraty gruboziarniste uzyskuje się w wyniku wzbogacania węgli w separatorach z częścią ciężką zawiesinową. Koncentraty te odwadnia się powszechnie w układzie dwustopniowym na sitach stałych szczelinowych oraz na przesiewaczach wibracyjnych jednopokładowych.

Zawartość wilgoci przemijającej w odwodnionych koncentratach gruboziarnistych wynosi 4÷6 % i zależy od typu węgla oraz głownie od zawartości w nich podziarna uzależnionej z kolei od sprawności technologicznej klasyfikacji wstępnej i wielkości szczeliny w przesiewaczach odwadniających te koncentraty

Technologia odwadniania koncentratów drobnoziarnistych ukształtowana jest podobnie jak w przypadku koncentratów „grubych” w zależności od ich pochodzenia i rodzaju. Uzyskane koncentraty węglowe odwadniane są dwustopniowo. Wstępne odwadnianie realizowane jest na sitach odśrodkowych OSO spotykanych we wszystkich prawie zakładach przeróbczych oraz na przesiewaczach wibracyjnych w przypadku płuczki cyklonowej a końcowe odwadnianie prowadzone jest w odwadniarkach ślimakowych.

Odwadnianie najdrobniejszych węgli

Przez pojęcie najdrobniejsze węgle trzeba rozumieć:

-muły surowe drobnoziarniste ≤0,5 (1) mm średnio- i wysokopopiołowe

- muły surowe gruboziarniste ≤2 (3) mm nisko- i średniopopiołowe

- muły wzbogacone drobnoziarniste ≤0,5 (1) mm

- muły wzbogacone gruboziarniste

Muły surowe drobnoziarniste uzyskiwane przy wzbogacaniu węgla energetycznego i wydzielone z obiegu wodno-mułowego po ich zagęszczeniu w zagęszczaczu promieniowym pracującym z flokulacją poddawane są najczęściej jednostopniowemu odwadnianiu mechanicznemu, głownie na filtrach próżniowych tarczowych z dodatkiem środków o właściwościach agregujących -flokulantów. Zawartość wilgoci przemijającej po filtrach próżniowych jest stosunkowo wysoka i kształtuje się w granicach 27-32%.

Ze względu na duża zawartość wilgoci muł ten jest mieszany z surowym materiałem i zbywany jako tzw. mieszanka energetyczna lub łączony z przerostem i zbywany jako niskokaloryczne paliwo węglowe.

Drobnoziarniste koncentraty mułowe, głównie koncentraty flotacyjne uzyskiwane w procesie flotacji pianowej mułów węglowych odwadniane są powszechnie dwustopniowo, wstępnie metodą filtracji próżniowej z wykorzystaniem filtrów próżniowych tarczowych bez lub z dodatkiem środków flotacyjnych oraz końcowo metodą suszenia termicznego w suszarkach bębnowych konwekcyjnych z paleniskami pyłowymi lub paleniskami fluidalnymi, lub w suszarkach przeponowych ogrzewanych parą.

Końcowa zawartość wilgoci przemijającej po procesie filtracji próżniowej wynosi 22-26% i jest funkcją charakterystyki ziarnowo-popiołowej i koncentracji części stałych nadawy do tego procesu. Po procesie suszenia termicznego zawartość wilgoci kształtuje się w stosunkowo szerokich granicach od 8% do 11% w przypadku suszarek konwekcyjnych oraz około 8%-10% i powyżej w przypadku suszarek przeponowych.

Parametrem od którego najbardziej zależy końcowy efekt odwadniania drobnoziarnistych węgli jest ich skład ziarnowy, a w szczególności zawartość w nich najdrobniejszych klas mułowych.

Muły węglowe węgli energetycznych niezależnie od zawartości popiołu i granulacji zbywane są w całości z miałem surowym nie wzbogaconym w przypadku zakładu przeróbczego o zakresie wzbogacania powyżej 10/20/mm, natomiast w przypadku zakładów przeróbczych o zakresie wzbogacania powyżej 0,5 mm najdrobniejsze węgle ze względu na nadmierną w nich zawartość wilgoci zbywane są w części z koncentratem miałowym, a w pozostałej części łączone są z przerostem lub z częścią miału surowego i zbywane jako tzw. Niskokaloryczne paliwo węglowe. We wszystkich omawianych przypadkach zawartość wilgoci w najdrobniejszych produktach węglowych determinuje jakość i cenę zbytu węgla handlowego.

W przypadku węgli energetycznych obniżenie zawartości wilgoci do możliwego minimum podwyższa ich wartość użytkową, poprawia proces spalania w energetyce zawodowej, eliminuje trudności związane z rozładunkiem wagonów w okresie zimowym oraz przyczynia się do bardziej racjonalnego wykorzystania środków transportu, szczególnie wtedy, gdy transport odbywa się na znacznych odległościach [8].

11. Własności fizykochemiczne i hydrogeologiczne odpadów
z wybranych kopalń węgla kamiennego

Ilość wytwarzanych odpadów uzależniona jest od wielkości wydobycia, jakości eksploa­towanych pokładów i zakresu wzbogacania Największa ilość odpadów wytwarzana jest przez kopalnie Gliwickiej i Jastrzębskiej Spółki Węglowej, a deponowane są one głównie na Centralnym Składowisku „Kotlarnia". Ilość odpadów wytworzonych przez kopalnie w poszczególnych spółkach w roku 1994 przedstawia rysunek

Rys. 13. Ilość odpadów wytworzonych przez kopalnie w poszczególnych spółkach w roku
1994

Rocznie górnictwo węgla kamiennego wytwarza ok 45 mln ton odpadów, z czego ok. 64% zostaje zutylizowanych, a 36% stanowią składowiska zajmujące ponad 2 tys. ha.

Celem badań jest scharakteryzowanie pod względem ekologicznym odpadów pogór-

niczyich i wybranych kopalń węgla kamiennego:

- skala płonna, uśrednione odpady z pięciu kopalń: „Sośnica", „Knurów", „Szczygłowice", ,.Pniówek", „Zofiówka", przewidziane do składowania w „Kotłami", oraz z kopalni „Wawel” i ,,Sośnica", deponowane na składowiskach przykopalnianych,

- odpady poflotacyjne z kopalń „Jastrzębie", „Zabrze Bielszowice" i „Murcki”

Wykonano badania próbek które wcześniej pobrano ze składowisk, określono skład chemiczny i mineralogiczny odpadów, własności fizyczne i hydrogeologiczne, toksyczność oraz wymywalność jonów podstawowych wg testu wymywalności Wykonano również analizy chemiczne wód pobranych z rowów odwadniających składowisko „Kotlarnia” oraz ze stawów bezodpływowych utworzonych na składowiskach kopalń „Wawel" i „Sośnica”.

Tablica 21.Wyniki badań

	Skala płonna			Odpady poflotacyjne
Rodzaj odpadów. Oznaczenia
		Składowisko* Kotlarnia	KWK „Wawel"	KWK „Sośnica"	KWK „Zabrze Bielszowice"	KWK „Jastrzębie"	KWK „Murcki"
	SiO2	zawartość w odpadach [%]
		49.7	44.89	33.43	26.80	28.22	25.38
AL2O3	214	19.89	18.72	12.30	15.19	15.08
Fe2O3	4.32	4.91	5.54	8.10	6.02	1.51
CaO	1.29	2.70	1.30	3.20	4.00	363
MgO	1.09	3.76	3.26	2.70	138	2.52
Na2O	0.23	0.54	0.27	0.34	204	065
K2O	2.32	0.44	0.06	1.55	1.46	045
SO3	0.80	1.30	070	4.80	2 16	0.11
Scalk.	1.20	1.62	102	5.20	2.53	040
strata prażenia	18,79	20.79	35.23	39.96	39.48	49.00
Razem	100,34	99,54	98,83	100,15	100,32	98.62

* Uśredniona próbka odpadów z kopalń: „Sośnica", „Knurów", „Szczygłowice", „Pniówek" i „Zofiówka”

Tablica 22.Skład mineralogiczny odpadów

Minerały	Skała płonna		Odpady poflotacyjne
		KWK „Wawel"	KWK „Sośnica"	KWK „Zabrze Bielszowice"	KWK „Murcki"	KWK „Jastrzębie"
kaolinit	+	+	+	+	+
illit	+	+	+	+	+
kwarc	+	+	+	+	+
dolomit		+	+
gips					+
piryt	+	+	+
magnetyt					+
kalcyt		+
syderyt			+
substancja bezpost	+	+	+	+	+

Odpady poflotacyjne z kopalni „Zabrze Bielszowice" są równomiernie uziarnione, głównie frakcja piaskowa i pyłowa, a współczynnik filtracji świadczy o ich średniej lub słabej przepuszczalności [9]

Wykresy uziarnienia odpadów górniczych [9]

1. skała płonna z kopalni „Wawel”

2. skała płonna z kopalni „Sośnica”

3. odpady poflotacyjne z kopalni „Murcki”

4. odpady poflotacyjne z kopalni „Zabrze Bielszowice”

12. Elektrownie i elektrociepłownie wykorzystujące odpadowe
paliwa węglowe

Energetyka polska opiera się obecnie głównie na spalaniu węgla kamiennego i brunatnego. Ilość energii produkowanej z tych paliw jest ogromna. Spalanie węgla niesie jednak ze sobą bardzo dużą ilość emitowanych do atmosfery gazów i pyłów. W kotłach spalających węgiel kamienny czy to brunatny zastosowanie wysokosprawnych elektrofiltrów pozwoliło na to by zmniejszyć ilość przedostających się do atmosfery pyłów o 99%, lecz oprócz emisji pyłów są także emitowane gazy np CO₂ , CO oraz gazy mające bardzo niekorzystny wpływ na środowisko jak NO_x i SO₂. Dzięki zastosowaniu nowych technologii i technik możliwa jest budowa kotłów w których ogromne koszty budowy instalacji odsiarczania spalin oraz koszty związane z usuwaniem tlenków azotu ze spalin są mniejsze.

Kotły z warstwą fluidalną cechują się tym, że można w nich spalać różnego rodzaju węgle, w tym także węgle wysoko zapopielone, biomasę oraz odpady. Kotły te cechują się również dużą sprawnością paleniska dzięki dobremu wymieszaniu paliwa z powietrzem. W kotłach z warstwą fluidalną temperatura w palenisku wynosi w granicach 850-870⁰C. Niska temperatura spalania skutkuje ograniczeniem ilości powstających tlenków azotu. W kotłach tych występuje stabilność reakcji wiązania sorbenu z powstającym dwutlenkiem siarki. Sorbent łączy się z siarką dzięki czemu siarka nie jest emitowana w postaci SO₂ i SO₃ do atmosfery.

Konstrukcja paleniska z cyrkulacyjną warstwą fluidalną sprzyja utylizacji paliwa gorszej jakości o wartości opałowej od około 6300 kJ/kg bez odbioru ciepła z warstwy fluidalnej i od około 13000kJ/kg z odbiorem ciepła. Takim paliwem mogą być węgiel o dużej zawartości substancji mineralnej, węgiel brunatny, torf, przetworzone odpady komunalne, zużyte opony, mączka mięsno-kostna, odpady z instalacji wzbogacania węgla i biomasa. Na podstawie przeprowadzanych badań ustalono, że graniczny stosunek węgla do paliw alternatywnych podawanych do spalania wynosi 1:1. Samo doprowadzenie paliwa do kotła też jest proste i nie nastręcza dużych problemów technologicznych. Dosyć szeroko stosowanym rozwiązaniem jest doprowadzenie w postaci pasty mieszaniny węgla, sorbentu balastu i wody (25-30%) [11].

Rys.14. Schemat kotła ze złożem fluidalnym opalanym odpadami poflotacyjnymi

Większość elektrowni i elektrociepłowni polskich zmodernizowano dzięki czemu można w nich spalać gorsze gatunkowo paliwa. Wymiana starych kotłów na kotły fluidalne spowodowała, że oprócz spalania węgla kamiennego spalane są także muły- produkty uboczne wzbogacania węgli na cele energetyczne. Wśród elektrowni i elektrociepłowni w których oprócz spalania węgla spalane są muły wyróżnić możemy Elektrownie Jaworzno II, Elektrociepłownie Siersza ,Elektrownia Łaziska, Łęczyńska Energetyka Spółka Z o.o.. Należy także zwrócić szczególną uwagę na elektrownie Łagisza której modernizacja trwa i po jej planowanym skończeniu w 2009r w elektrowni tej będą spalane muły węglowe jako paliwo.

Elektrownia Siersza w Trzebini, jest jedną z elektrowni wchodzącą w skład Południowego Koncernu Energetycznego S.A. w Katowicach, położona jest w północno zachodniej części województwa małopolskiego. Elektrownia ta wybudowana została w latach 1962 - 1970 jako elektrownia zawodowa posiadająca 6 bloków energetycznych. W elektrowni tej źródłem paliwa jest węgiel kamienny składowany na odrębnych składowiskach oraz składowisko mułu węglowego. Jedno ze składowisk (wewnętrzne) przeznaczone jest do składowania węgla dla dwóch kotłów fluidalnych OFz-425. Natomiast składowisko drugie zlokalizowane jest obok elektrowni i przeznaczone do składowania węgla dla bloków 3-6. Muł węglowy spalany jest w kotłach fluidalnych jako paliwo dodatkowe. Mul węglowy cechuje się wartością opałową ok. 10000kJ/kg i wilgoci do 40%. muły węglowe do spalania podawane są ze zbiornika przenośnikiem ślimakowym do pompy tłokowej pompującej je rurociągami do zbiornika pośredniego. zlokalizowanego w stacji pośredniej. Zbiornik ten zapewnia równomierne podawanie mułów do kotłów fluidalnych. Instalacja ta pracuje w Elektrowni z wydajnością od 8 do 45m³/h i średnim ciśnieniu transportu 6,4MPa.

Rys.15. Elektrownia Siersza w Trzebini

Elektrownia Łagisza budowana była w latach 1958 do 1970r. W skład elektrowni wchodzi siedem bloków energetycznych o mocy 120 MW każdy. Bloki energetyczne posiadają urządzenia podstawowe i pomocnicze. Do urządzeń podstawowych zaliczyć można kocioł typu OP-380K, turbina typu TK-120, generator typu TGH-120, transformator blokowy o mocy 150MW. Do urządzeń pomocniczych zaliczają się: układy paliwo-powietrze-spaliny, układy parowo-wodne, układy wody chłodzącej, elektryczne układy zasilania. W elektrowni tej zastosowano kotły OP-380K, które zasilane są węglem kamiennym. Węgiel dostarczany jest transportem kolejowym lub samochodowym. Systemem taśmociągów transportowany jest do zasobników trzykotłowych skąd poprzez podajniki ślimakowe i młyny misowo kulowe tworzona zostaje mieszanka paliwowo powietrzna podawana następnie do palników pyłowych. W Elektrowni Łagisza powstaje również nowy blok energetyczny. Prace jego budowy rozpoczęły się w 2006r i planowany jest jego oddanie w 2009. Nowy blok w elektrowni będzie miał moc 460MW, jego koszt budowy wyniesie około 2mld zł, będzie on pierwszym blokiem na świecie z kotłem przepływowym z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym na parametry nadkrytyczne. Zainstalowany kocioł zasilany będzie węglem kamiennym oraz będzie także przystosowany do spalania mułów węglowych. Kocioł ten będzie posiadał bardzo korzystne parametry eksploatacyjne - wysoką sprawność. Będzie także osiągał niski poziom emisji zanieczyszczeń powietrza bez stosowania kosztownej instalacji redukcji katalitycznej przy bardzo niskim zużyciu sorbentu. Proces usuwania związków siarki odbywał się będzie w złożu fluidalnym fluidalnym poprzez ich wiązanie z sorbentem w postaci piasku kamienia wapiennego. Planowana emisja CO₂ będzie o 25% niższa niż w najlepszych jednostkach wytwórczych działających obecnie w Polsce [10].

Rys.16. Schemat technologiczny Elektrowni Łagisza

Spalanie odpadów w postaci mułów odbywa się w Elektrowni Jaworzno II. Elektrownia ta położona jest w południowo-zachodniej części Jaworzna. W skład zabudowy elektrowni wchodzi kotłownia, maszynownia, budynki oddziału nawęglania, gospodarki wodnej, zaplecze magazynowe, warsztaty remontowe, chłodnie kominowe oraz budynki administracyjne. Elektrownia II - pełniąca rolę elektrociepłowni miejskiej - składa się z dwóch części. Jedna z nich wyposażona jest w cztery kotły pyłowe PK-10p produkujące energię cieplną w układzie kolektorowym, zasilające jeden turbozespół ciepłowniczo-kondensacyjny 10 CK-60 oraz dwa turbozespoły kondensacyjne WK - 50. Spalanie węgla odbywa się w wirze niskotemperaturowym .W drugiej części produkuje się energię elektryczną i cieplną w układzie blokowym - dwa kotły fluidyzacyjne pracują z dwoma turbinami ciepłowniczo- kondensacyjnymi. Spalanie węgla odbywa się w sposób ekologiczny - dodawanie tlenku wapnia jako sorbentu zmniejsza emisję dwutlenku siarki, a obniżona temperatura w kotle do 850 ^oC wpływa na zmniejszenie emisji tlenków azotu. Dla kotłów fluidyzacyjnych pracuje stacja podawania mułów. Muły, które dotychczas były odpadem składowanym na osadnikach, spalane są w kotłach fluidyzacyjnych, co poprawia ekonomię produkcji energii i pozytywnie wpływa na środowisko [13]. 

Rys.17. Elektrownia Jaworzno II

Szczególną uwagę należy zwrócić na Łęczyńską Energetykę Spółka Z o.o. w Bogdance, która kosztem ponad 200 mln zł zamierza zmodernizować należącą do niej kotłownię. Łęczyńska Energetyka ma być pierwszą w Polsce elektrociepłownią przystosowana do całkowitego spalania kopalnianych odpadów. Spółka, której głównymi udziałowcami są Lubelski Węgiel Bogdanka (88%) i gmina Łęczna (11%) działa na terenie kopalni w Bogdance. Do tej pory kotłownia, w oparciu o wydobywany na miejscu węgiel, zaopatrywała w energię cieplną kopalnię i pobliskie gminy, w tym Łęczną. W miejsce starej kotłowni na węgiel zostanie zainstalowana elektrociepłownia, która do produkcji pary wodnej i prądu wykorzysta odpady z kopalni oraz biomasy. Te odpady to muły, które dotychczas były składowane na hałdach. Do celów energetycznych zużywać się będzie ok. 450 tys. t mułów powęglowych. Z kolei biomasy mają stanowić ok. 15% masy, która będzie użyta do produkcji energii. Większość pochodzić będzie z wierzb energetycznych, reszta to muły z oczyszczalni w Hajdowie k. Lublina. Nowa elektrociepłownia w Bogdance ma ruszyć w połowie 2008 r.
W elektrociepłowni tej będą pracowały urządzenia których podstawowymi danymi technicznymi będą:

1. Kocioł wodny niskotemperaturowy z paleniskiem fluidalnym.

2. Paliwo podstawowe - niskogatunkowy miał węglowy o wartości opałowej ~ 17 MJ/kg.

3. Moc cieplna znamionowa 500 kW.

4. Obliczeniowe ciśnienie wody 0,6 MPa.

5. Temperatura wody na zasileniu 95 ⁰C.

6. Palnik rozpałowy olejowy firmy Giersch.

7. Sprawność cieplna kotła 83% [12].

Przykład analizy termodynamicznej i ekonomicznej budowy elektrociepłowni wykorzystującej węglowe paliwo odpadowe. W przykładzie tym wzięto pod uwagę modernizację układu elektrociepłowni spalające muły węglowe. Modernizacja będzie obejmowała zastąpienie czterech starych kotłowni w rejonie jednego miasta na Śląsku. Dwie z elektrociepłowni to elektrociepłownie należące do dwóch kopalń, dwie następne to kotłownie osiedlowe. Wytwarzana energia elektryczna wykorzystana będzie na potrzeby kopalń, a jej nadwyżki sprzedawane do sieci przesyłowej. Paliwem spalanym w elektrociepłowniach ma być muł węglowy pochodzący z procesów wzbogacania węgla w zakładach przeróbczych kopalń. Kotłownie wyposażone będą w kotły fluidalne z warstwą cyrkulacyjną. Muły popłuczynowe pochodzące z procesów wzbogacania węgla będą podstawowym paliwem dla tych elektrociepłowni. Charakterystyka wymienionego paliwa wygląda następująco:

• zawartość wilgoci całkowitej 35%,

• zawartość popiołu w stanie analitycznym 39%,

• wartość opałowa 11MJ/kg,

• zawartość siarki w stanie roboczym 1,5%,

• podziarno 0,3-0,125mm 14%,

• podziarno <0,125mm 84% [14].

Moc cieplna elektrociepłowni wynosić ma maksymalnie 61MW_t i minimalnie 17,6MW_t w sezonie grzewczym, średnio w sezonie letnim 6,4MW_t. Wykorzystywane będą kotły fluidalne z warstwą cyrkulacyjną, wynikające z charakterystyki paliwa i przewidywanych wydajności kotłów. Parametry pary osiągane w kotłach na wlocie do turbiny powinny wynosić ciśnienie 10MPa ,temperatura pary 520⁰C [14].

W nowej elektrociepłowni zainstalowane będą następujące instalacje i urządzenia:

• kocił fluidalny z warstwą fluidalną,

• turbozespół ciepłowniczo-kondensacyjny, wymienniki ciepłownicze, układ chłodzenia,

• instalacje odprowadzania i odpylania spalin,

• instalacje przygotowania i doprowadzania mieszanki paliwowej,

• instalacja odprowadzania popiołów,

• instalacja paliwa rozpałowego,

• urządzenia elektryczne [14].

Efekt ekonomiczny całego przedsięwzięcia oceniono za pomocą wartości bieżącej netto NPV, wewnętrznej stopy zwrotu IRR i zdyskontowanego czasu zwrotu nakładów DPB. Wartość bieżąca netto określona jest wzorem

Gdzie:

CF_t - wpływy gotówkowe w kolejnych latach, uwzględniające sprzedaż produktów, koszty eksploatacji,

J₀ - wydatki inicjujące,

r - stopa dyskonta,

n - liczba lat eksploatacji elektrociepłowni [14].

Wewnętrzna stop zwrotu IRR zdefiniowana jest równaniem:

Zdyskontowany czasu zwrotu nakładów DPB wyrażony jest:

PI - współczynnik zyskowności [14]

12. Wielkość produkcji mułów węglowych i ocena kosztów ich wzbogacania

Sposób prowadzenia eksploatacji i realizowany program poprawy jakości węgla są źródłem wzrostu produkcji mułów węglowych. Obserwuje się obecnie szybką ewolucję w podejściu do zagadnienia przeróbki węgli kamiennych, zwłaszcza węgli energetycznych. Podstawowe kierunki działania polegają na zwiększeniu ilości węgla wzbogaconego metodami mechanicznymi oraz na obniżeniu wymiaru wzbogacanych ziarn.

Istotną częścią programu restrukturyzacji górnictwa są zamierzenia inwestycyjne, w których ważnym problemem jest obserwowana zmiana struktury wydobycia węgla kamiennego. Następuje wyraźne zmniejszenie produkcji sortymentów grubych i średnich przy wzrastającej jednocześnie w urobku ilości miałów węglowych o pogarszającej się jakości. Ogółem wyprodukowano w 1994 roku 110 681,6 tys. ton miałów węgla kamiennego, w tym 40 388,4 tys. ton miałów wzbogaconych. W roku 1995 wielkość produkcji wynosiła 113 916,8 tys. ton ogółem, a miałów wzbogaconych 43 295,5 tys. ton. Procentowy udział miałów wzbogaconych w produkcji netto wyniósł odpowiednio 36,5% i 38,0%. W strukturze produkcji miały energetyczne stanowią zdecydowaną większość.

Koszty budowy lub rozbudowy obiegu wodno-mułowego oraz zagospodarowania mułu i odpadów uzyskanych z jego wzbogacania są wysokie. Mogą stanowić 50% kosztów budowy zakładu wzbogacania miału lub mogą wynosić od 50% do 70% całkowitych kosztów wzbogacania węgla.

W złożonym układzie uwarunkowań jakości węgla i wydziałowych kosztów jego wzbogacania, w warunkach wzrostu produkcji ziarn bardzo drobnych i powiększaniu zakresu wzbogacania, bardzo istotne jest uwidocznienie wielkości produkcji mułu węglowego.
W celu określenia skali problemu wzbogacania i odwadniania ziarn bardzo drobnych przedstawiono wielkość ich produkcji w całym górnictwie węgla kamiennego oraz wyniki analizy kosztów wydziałowych procesu wzbogacania metodą flotacji i suszenia koncentratu flotacyjnego niektórych kopalń. Analiza objęto lata 1994 i 1995.

Tablica 23. Produkcja mułów węglowych w poszczególnych spółkach węglowych w latach
1994 i 1995.

Lp	Spółka	Produkcja węgla brutto [t]		Produkcja mułów brutto [t]		Nadawa flotacyjna [t]		Koncentrat flotacyjny [t]		Odpady z flotacji [t]
				1994	1995	1994	1995	1994	1995	1994	1995	1994	1995
1	Bytomska SW S.A.	15 743 051	16 162 598	3 217	5 893	0	0	0	0	0	0
2	Rudzka SW S.A.	17 512 409	18 061 894	6 244	9 731	0	0	0	0	0	0
3	Gliwicka SW S.A.	28 823 384	29 355 297	1 549 176	2 109 143	1 007 539	1 335 439	508 760	835 479	498 779	4 99 960
4	Katowicki HW S.A.	29 229 400	29 282 873	60 787	51 346	0	0	0	0	0	0
5	Nadwiślańska SW S.A.	28 831 401	28 155 631	96 497	127 952	0	0	0	0	0	0
6	Rybnicka SW S.A.	21 711 093	21 991 003	1 703 722	2 550 550	1 350 947	1 510 340	988 382	1 156 307	362 065	354 033
7	Jastrzębska SW S.A.	24 077 978	25 190 649	3 938 352	4 168 447	3 852 618	4 129 151	3 088 283	3 322 964	764 335	806 187
8	Inne spółki	7 941 574	2 241 026	33 136	43 458	23 205	0	20 536	0	2 669	0
9	Razem spółki	173 748 410	178 491 586	7 391 131	8 383 192	6 234 309	6 974 930	4 606 461	5 314 750	1 627 848	1 660 180
10	Kopalnie w likwidacji	5 254 840	4 429 343	633 576	447 890	624 664	430 310	441 801	267 415	182 863	162 895
11	Ogółem	179 093 250	182 920 929	8 924 797	8 831 082	6 865 132	7 495 240	5 048 262	5 582 165	1 810 711	1 823 075

W tablicy 23 podano produkcję mułów węglowych na tle ogólnej produkcji brutto w latach 1994 i 1995 w poszczególnych spółkach węglowych. Dane ujęte w tabeli wskazują, że ilość produkowanych mułów węglowych wzrasta. Zwiększa się również ilość mułu wzbogaconego metodą flotacji, jak również mułu niewzbogaconego. Powodem wzrostu ilości mułów węgla energetycznego jest sukcesywne zwiększanie ilości wzbogacanych miałów w ogólnej

produkcji miałów energetycznych.

Tablica 24. Całkowite koszty procesu flotacji i suszenia koncentratu flotacyjnego flotacyjnego
wybranych kopalniach

kopalnia		A	B	C	D
Całkowity koszt flotacji i suszenia [zł PLN]	1994	4 799 451,17	3 073 185,00	8 152 823,53	6 943 070,00
		1995	5 746 700,00	3 325 987,00	9 276 609,35	7 996 286,00
	Jednostkowy koszt flotacji mułu [zł/t nadawy]	1994	5,32	9,47	3,69	5,45
		1995	6,20	9,67	3,87	5,80
	Jednostkowy koszt suszenia koncentratu flotacyjnego [zł/t nadawy]	1994	6,50	Brak informacji	5,38	3,09
		1995	7,04	Brak informacji	5,63	3,62
	Jednostkowy koszt wzbogacania mułu ogółem [zł/t nadawy]	1994	11,82	9,47	9,07	8,54
		1995	13,24	9,67	9,50	9,42

W tablicy 23 zestawiono koszty operacji wzbogacania mułu metodą flotacji i koszty suszenia koncentratu z tego procesu dla wybranych kopalń za okres dwu lat. Koszty te w 1995 roku wzrosły w porównaniu z rokiem 1994. Koszty suszenia (z wyjątkiem kopalni D) są zawsze wyraźnie większe od kosztów wzbogacania flotacyjnego. Suszenia jest procesem uciążliwym ekologicznie ze względu na wydzielane do atmosfery pyły i gazy. Dlatego Dlatego kopalniach przewiduje się stopniową likwidację tego procesu i zastąpienie go metodami mechanicznego odwadniania.

Analiza produkcji miałów i mułów węgla kamiennego wskazuje, że zakłady przeróbki mechanicznej otrzymują do wzbogacenia coraz więcej ziarn drobnych i bardzo drobnych. Im więcej ziarn drobnych w nadawie na zakład przeróbczy, tym trudniejsza jest ich dalsza przeróbka, czyli wzbogacanie i gospodarka wodno-mułowa. Nadawa ta jest również coraz więcej zawilgocona, a w związku z tym coraz trudniejsza i kosztowniejsza jest jej klasyfikacja.

Pomimo wysokich kosztów wzbogacania najdrobniejszych ziarn węgla, mając na uwadze skażenie środowiska, procesem tym należy objąć również węgle energetyczne. Straty bowiem ponoszone zużywaniem miałów mułów węglowych niewzbogaconych są znacznie wyższe od kosztów wzbogacania węgla i składowania odpadów.

Finalną operacją w stosowanej flotacji mułów jest suszenie koncentratu, proces drogi i ekologicznie uciążliwy. Budowa nowoczesnych suszarni spełniających wymagania ochrony środowiska zwielokrotniłaby koszty procesu wzbogacania w stopniu niewspółmiernym do uzyskanych efektów. Kopalnie, poszukując nowych rozwiązań, prowadzą rozpoznanie w skali technicznej nad możliwością zastąpienia termicznego suszenia - mechanicznym odwadnianiem w wirówkach sedymentacyjno-filtracyjnych lub zmiany technologii odwadniania z zastosowaniem wirówek sitowych i sedymentacyjno-filtracyjnych.

13. Zawiesinowe paliwa węglowo-wodne na bazie węgli koksujących
i energetycznych

Zainteresowanie suspensjami węglowo-wodnymi obserwuje się od lat trzydziestych. trzydziestych latach 70, w okresie kryzysu naftowego, zainteresowanie paliwami będącymi zamiennikami olejów opałowych znacznie wzrosło. Podjęto prace badawcze nad suspensjami węglowo-wodnymi w wielu krajach. W ciągu ostatnich lat obserwuje się wzrost badań nad zawiesinowymi paliwami węglowo-wodnymi dla małego przemysłu i kotłowni. Są one przedmiotem intensywnych badań z uwagi na możliwość zastosowania ich w kotłowniach opalanych dotychczas olejami opałowymi. Badania te dotyczą koncentracji węgla w paliwie zawiesinowym, reologii suspensji oraz aplikacji tego paliwa.

Typowe paliwa zawiesinowe zawierają od 60 do 70% węgla, 30 - 40% wody i około 0,5 - 1,5% dodatków dyspergująco-stabilizujących.

Drobnouziarnione paliwa węglowo-wodne o minimalnej zawartości popiołu i mniejszym zagęszczeniu stosowane mogą być do napędu turbin gazowych.

Węgiel kamienny do otrzymywania wysokoskoncentrowanych paliw zawiesinowych stanowiących substytut paliw pochodzenia petrochemicznego powinien posiadać odpowiednie własności ze względu na zapewnienie niezawodnej pracy kotłów olejowych zaadoptowanych na opalanie paliwem suspensyjnym, jak również na możliwość otrzymania wysokoskoncentrowanej zawiesiny węglowo-wodnej o odpowiednich parametrach hydraulicznych zadowalającej stabilności w czasie transportu i magazynowania.

Aby zapewnić niezawodną pracę kotłów opalanych paliwami węglowo-wodnymi, najlepiej gdyby węgiel użyty do ich otrzymywania był:

• nieżużlujący i niezanieczyszczony - temperatura topnienia popiołu powinna być powyżej 1200^o C

• niskozapopielony - najwyższy dozwolony poziom popiołu nie jest jednoznacznie określony, limituje m. in. Intensywność procesów erozyjnych wpływających na trwałość eksploatacyjną układu spalania.

• maksymalnie rozdrobniony - im drobniejszy węgiel, tym lepsze spalanie, lecz również wyższe koszty operacyjne rozdrabniania.

Ze względu na tworzenie trwałych wysokoskoncentrowanych suspensji węglowo-wodnych węgiel powinien posiadać właściwości hydrofobowe, a więc powierzchnia nie powinna być zwilżana wodą. Węgiel taki charakteryzuje się tzw. strukturą cieczy. Jest to typowa struktura węgli bitumicznych ( zawartość C pierwiastkowego wynosi 85-91% wag.). O własnościach hydrofobowych węgli mówi również stopień uwęglenia oraz stosunek wagowy węgla pierwiastkowego do tlenu pierwiastkowego (C/O). Im większy stosunek, tym węgiel jest bardziej podatny na tworzenie wysokoskoncentrowanych suspensji węglowo-wodnych. Przy prowadzeniu odpowiedniej aktywacji węgli kamiennych hydrofilowych możliwa jest zmiana własności powierzchni ziaren węgla w taki sposób, aby ziarno nabrało własności hydrofobowych. Dokonuje się tego za pomocą hydrotermoaktywacji (suszenie na mokro). Proces ten w znacznym stopniu komplikuje i podraża koszty otrzymania stabilnych wysokoskoncentrowanych suspensji węglowo-wodnych. Biorąc pod uwagę powyższe wymagania oraz rachunek ekonomiczny stosowania paliw węglowo-wodnych paliwa suspensyjne muszą posiadać koncentrację węgla w suspensji na poziomie około 68-70% wagowych.

Głównymi problemami technologii otrzymywania suspensji o wysokiej koncentracji węgla i niskiej stosunkowo lepkości jest optymalny dobór węgla , środków dyspergująco-stabilizujących oraz taki rozkład wielkości uziarnienia rozdrobnionego węgla, który gwarantuje w miarę maksymalne upakowanie drobin węgla w zawiesinie. Biorąc powyższe uwarunkowania w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu przeprowadzono próby laboratoryjne otrzymywania wysokoskoncentrowanych suspensji węglowo-wodnych z wytypowanych krajowych surowców węglowych (flotokoncentrat z KWK „Jastrzębie”) i środków dyspergująco-stabilizujących. Na podstawie przeprowadzonych prób wykonano partię testową paliwa i poddano ją badaniom aplikacyjnym w IChPW, jak również w Instytucie Energii Atomowej w Świerku (ocena energoemisyjna paliwa).

Testy aplikacyjne wykazały, że przygotowane wysokoskoncentrowane paliowo węglowo-wodne (o wartości opałowej 20 560 kJ/kg) charakteryzuje się:

- dobrą jakości a podawania, w porównaniu z mazutem jest wygodniejszy ze względu na brak konieczności podgrzewania,

- stabilny proces spalania przy szerokich zmianach parametrów procesu, takich jak: współczynnik nadmiaru utleniacza, temperatura utleniacza,

- wysokim stopniem przereagowania wynoszącym 0,98,

- niską koncentracją tlenków azotu w spalinach (w granicach 10 ppm)

Nie stwierdzono wpływu procesu spalania zawiesiny węglowo-wodnej na zawartość tlenków siarki w spalinach.

Rys. 18. Doświadczalne periodyczne stanowisko produkcji i testowania zawiesinowego
paliwa węglowego.

Tablica 24. Rozkład ziarnowy flotokoncentratu węglowego z KWK Jastrzębie.

Klasa ziarnistości (mm)	Wychód (%)
>1,000	1,8
1,000 - 0,500	14,6
0,500 - 0,315	20,9
0,315 - 0.200	16,6
0,200 - 0,100	24,2
0,100 - 0,000	21,9

Tablica 25. Własności fizykochemiczne flotokoncentratu węglowego w KWK Jastrzębie.

Nazwa oznaczenia	Symbol	Jednostka	Wartość oznaczona
Zawartość wilgoci całkowitej PN-80/G-04511	W^rt	%	11,4
Zawartość wilgoci PN-92/G-04560	W^a	%	0,5
Zawartość popiołu PN-92/G-04560,PN-80/0452	A^a	%	9,1
Zawartość części lotnych PN-92/04560	V^a	%	21,7
Zawartość części lotnych PN-92/G-04560	V^daf	%	24,2
Zawartość siarki całkowitej PN-93/G-04514/17	S^at	%	0,64
Zawartość siarki popiołowej PN-93/G-04514/17	S^aA	%	0,13
Zawartość siarki lotnej PN-93/G-04514/17	S^aC	%	0,51
Zawartość węgla Q/ZK/P/6/01/A	C^a C^daf	%	80,4 89,5
Zawartość wodoru Q/ZK/P/6/01/A	H^a H^daf	%	4,46 4,97
Zawartość azotu Q/ZK/P/6/01/A	N^a N^daf	%	1,21 1,35
Zawartość tlenu	O^ad O^dafd	%	3,09 3,44
Ciepło spalania Q/ZK/P/6/01/A	Q^as	J/g	32 822
Wartość opałowa Q/ZK/P/6/01/A	Q^aj	J/g	31 776
Stosunek C/O=26,02

Tablica 26. Rozkład ziarnowy węgla w zawiesinowym paliwie węglowo-wodnym
otrzymanym na bazie flotokoncentratu węglowego z KWK Jastrzębie.

Klasa ziarnowa (mm)	Wychód (%obj)
>102,1	0,0
102,1 - 88,1	3,6
88,1 - 48,8	15,2
48,8 - 20,1	15,3
20,1 - 11,1	12,0
11,1 - 5,3	11,9
5,3 - 1,2	33,1
1,2 - 0,0	8,9

14. Symulacyjna analiza możliwości ciągłej identyfikacji charakterystyki
wzbogacalności węgla surowego

Charakterystyka wzbogacalności węgla surowego kierowanego do zakładu wzbogacania węgla decyduje o efektywności procesów technologicznych rozdziału surowca na koncentraty, półprodukty i odpady oraz o jakości i ilości produktów uzyskiwanych w procesach technologicznych. technologicznych zależności od aktualnej charakterystyki wzbogacalności dobierane powinny być parametry rozdziału w procesach wzbogacania, rozdzielania i łączenia strumieni produktów oraz plany produkcyjne całego zakładu. Charakterystyka wzbogacalności podaje procentowy udział frakcji węgla w określonym przedziale gęstości ziaren węgla oraz zawartości popiołu w tej frakcji. W zależności od wymaganego stopnia szczegółowości, określana jest ona dla całego składu ziarnowego węgla lub dla poszczególnych klas ziarnowych nadawy.

Stosowane metody pomiary charakterystyki wzbogacalności polegają na analizie dużych prób węgla w kilku naczyniach naczyniach cieczami ciężkimi o gęstościach pokrywających szeroki zakres gęstości frakcji węgla (1,3 - 2,0 g/cm³). Jest to metoda bardzo pracochłonna i kosztowna, stosuje się ją sporadycznie.

Metoda identyfikacji charakterystyk wzbogacalności węgla surowego polega na pomiarze mas nadawy i produktów wzbogacania przy celowych zmianach gęstości rozdziału. Zmiany gęstości rozdziału realizowane są w układzie regulacji gęstości cieczy ciężkiej, a informacje o bieżących wartościach gęstości przekazywane są do układu identyfikującego. Przekazywane są również wartości zmierzonych mas nadawy i koncentratu (bądź odpadów). Zależnie od ilości frakcji - n, których wychody mają być wyznaczone, w algorytmie obliczeniowym rozwiązywany jest układ równań rzędu n:

γ₁ ƒ₁₁+ γ₂ ƒ₂₁+…+ γ_i ƒ_i1+…+ γ_n ƒ_n1 = Γ₁

……………………………..

γ₁ ƒ_1j+ γ₂ ƒ_2j+…+ γ_i ƒ_ij+…+ γ_n ƒ_nj = Γ_j

…………………………….

γ₁ ƒ_n1+ γ₂ ƒ_n2+…+ γ_i ƒ_in+…+ γ_n ƒ_nn = Γ_n

gdzie: i - numer frakcji nadawy, i=1, n,

j - numer gęstości rozdziału, j=1,..n,

γ_i - obliczany wychód frakcji o numerze i,

ƒ_ij - liczba rozdziału dla frakcji nadawy o numerze i, oraz gęstości rozdziału o

numerze j,

Γ_j - wychód koncentratu (względny) przy gęstości rozdziału o numerze j

Przedstawiony układ równań stanowi bilans masowy produkcji realizowany przy różnych gęstościach rozdziału wzbogacalnika. W układzie symulacyjnym dla różnych charakterystyk nadawy wyznaczone są prognozy wychodów produktów wzbogacania. Wychody te wyznaczane są w modelu symulacyjnym wzbogacalnika grawitacyjnego.

Prognozy symulacyjne są dokonywane przy tylu gęstościach rozdziału (n), ile wychodów frakcji gęstościowych należy zidentyfikować. Następnie gęstości rozdziału oraz prognozy wychodów koncentratu są wykorzystywane w modelu identyfikacyjnym, którego algorytm realizuje rozwiązanie układu równań. Liczby rozdziału ƒ_ij są obliczane z jednej modelowej krzywej rozdziału, odwzorowującej wzbogacanie materiału wejściowego dla wszystkich klas ziarnowych. Układ porównujący pozwala ocenić błędy identyfikacji wychodów frakcji gęstościowych nadawy.

Rys. 19. Identyfikacja on-line charakterystyki węgla surowego - układ pomiarowy ze
zmianą gęstości rozdzialu

Rys. 20. Model symulacyjny do testowania układu pomiarowego do identyfikacji on-line
charakterystyki węgla surowego

Studium możliwości gospodarczego wykorzystania odpadowych mułów
węglowych zdeponowanych w osadnikach

Realizacja zasad racjonalnego gospodarowania zasobami surowców mineralnych wiąże się z koniecznością utylizacji materiałów uznanych wcześniej za nieprzydatne. Odpady te gromadzone są na hałdach, bądź w osadnikach tworząc tzw. złoża antropogeniczne. Zarówno względy ekonomiczne, jak i rosnące wymagania dotyczące ochrony środowiska coraz częściej skłaniają dysponentów tych złóż do poszukiwań możliwości ich gospodarczego wykorzystania. Na terenie górniczym jednej z kopalń węgla kamiennego znajdują się trzy osadniki, które w ciągu wielu lat napełniane były mułem węglowym. Dla przeprowadzenia identyfikacji - oceny własności fizykochemicznych - zgromadzonego w nich materiału wykonano 20 odwiertów i z całkowitej głębokości osadników pobrano próbki osadzonego mułu. Próbki materiału pobrano z każdego z osadników. Dostarczono je do Zakładu Przeróbki Kopalin, Ochrony Środowiska i Utylizacji Odpadów AGH w Krakowie i poddano ocenie wizualnej. Sprawdzono, czy próbka zawiera muł węglowy, czy piasek lub glinę z dna osadnika.

Ustalono, że w osadniku I minimalna głębokość zalegania mułu występuje w rejonie otworu 1 i wynosi ~3,6 m, a maksymalna w rejonie otworu 7 i wynosi 5,8m.

W osadniku II minimalna głębokość zalegania mułu występuje w rejonie otworu 11 i wynosi 5,2 m, a maksymalna w rejonie otworu 13 - 8,6 m.

Do dalszych badań skierowano więc próbki:

18 - jako uśrednioną próbkę mułu z osadnika I (z odwiertów nr 1÷8)

917 - jako uśrednioną próbkę mułu z osadnika II (z odwiertów nr 9÷17)

Obie próbki miały wilgotność ~37%.

W osadniku III wykonano 3 otwory wiertnicze - odwierty 100, 200 i 300. Sposób pobierania próbek był taki sam jak w osadnikach I i II. Ocena wizualna wykazała jednak, że w osadniku III ponad zalegaj abym mułem znajduje się różnej grubości warstwa kamieni, cegieł i drewna. W rejonie otworu 100 muł zalega na głębokości 0,8 - 13,2 m, w rejonie otworu 200 na głębokości 1,6 - 13 m, a w rejonie otworu 300 na głębokości 4,3 - 11 m. Do0 dalszych badań skierowano połączone próbki mułu z różnych głębokości po odrzuceniu próbek zawierających cegły, drewno itp. Badaniom poddano trzy próbki:

100 - o średniej wilgotności ~25%,

200 - o średniej wilgotności ~27%,

300 - o średniej wilgotności ~17%.

Po wysuszeniu i bardzo dokładnym, odrębnym wymieszaniu każdej z pięciu próbek, (18,917,100,200,300) metodą kwartowania wydzielono z każdej z nich około 2,5 kilogramowe próbki do badań.

Dla scharakteryzowania materiałów z poszczególnych osadników przeprowadzono analizy granulometryczne przygotowanych próbek, a następnie zbadano rozkład zawartości popiołu i siarki w poszczególnych klasach ziarnowych. Dodatkowo, dla oceny wzbogacalności materiału przeprowadzono analizę densymetryczną wytypowanych próbek.

Analizy granulometryczne każdej z pięciu próbek wykonywane były na mokro na zestawie sit o otworach: 3; 2; 1; 0,5; 0,2; 0,1; 0,063; 0,04 mm. Po wysuszeniu i zważeniu poszczególnych klas ziarnowych pobierano z nich próbki do analiz chemicznych w celu określenia zawartości popiołu i siarki.

Muł z osadników charakteryzuje się wysoką zawartością popiołu. Zawartości siarki wahają się od ~0,5% do ~1,65%. Próbka 18 z osadnika I, który z uwagi na najniższą zawartość siarki mógłby nadawać się do bezpośredniego wykorzystania, posiada niestety najwyższą ~61% zawartość popiołu. zawartościach przypadku trzech próbek pobranych z osadnika III można zauważyć różnice w zawartościach podstawowych składników mineralnych mułu, w zależności od miejsca pobrania próbki. Można założyć, że muł ten nie znajdzie zastosowania przemysłowego, mógłby być wykorzystany - przynajmniej częściowo - po wprowadzeniu operacji odlania, tzn. wydzielenia klasy ilastej <40µm, bądź też <63µm, np. w hydrocyklonach.

Odilony muł węglowy charakteryzuje się niską zawartością popiołu (~22%) i podwyższoną (>1%) zawartością siarki.

Dla sprawdzenia możliwości wzbogacania, głównie odsiarczenia odilonego mułu węglowego, wykonano analizy densymetryczne próbek 18, 917 i mieszaniny próbek 100 i 200. Próbka 300 nie była uwzględniana w tej analizie ze względu na bardzo wysoką zawartość siarki. Wymienione próbki przed wykonaniem analizy zostały odmulone na sicie 0,1 mm. Jako cieczy ciężkiej użyto roztworu ZnCl₂ o gęstościach 1300, 1500 i 1800 kg/m³.

Rezultaty analiz densymetrycznych pozwalają stwierdzić, że wzbogacenie grawitacyjne mułów umożliwia uzyskanie koncentratów o bardzo niskiej, kilkuprocentowej zawartości popiołu i niskiej (<0,8%) zawartości siarki.

Wnioski z analizy:

1. W związku nierównomiernym zaleganiem mułu w osadnikach proponuje się

wprowadzenie eksploatacji mułów do głębokości:

4,5 - 4,8 m w osadniku I,

6,5 - 7 m w osadniku II.

W przypadku osadnika III przed eksploatacją mułów należy najpierw zdjąć warstwę powierzchniowa, w której znajdują się kawałki cegieł, drewna, kamienie itp. W części osadnika, z której pobrano próbki 100 i 200, można wybierać muł na głębokości 1,5 - 1,3 m, a w części, z której pobrano próbkę 300, na głębokości 4,5 - 11 m.

2. Średnia zawartość w mule pobranym z różnych osadników, wahają się od ~42% do 61%, a zawartości siarki od 0,52% do 1,64%.

3. Wysoka zawartość popiołu w mule przemawia za wprowadzeniem operacji wydzielenia z niego frakcji ilastej, np. w procesie rozdziału w hydrocyklonach, co w efekcie może ułatwić zagospodarowanie produktów rozdziału, np. w zakładach ceramiki budowlanej.

4. Obniżenie zawartości siarki w odilonym mule można osiągnąć na drodze wzbogacania mułu, np. w hydrocyklonach z cieczą zawiesinową, bądź też na spiralach Reicherta. Wprowadzenie jednej z tych metod umożliwia uzyskiwanie niskopopiołowych koncentratów mułowych o zawartości siarki <0,8%.

5. Alternatywą odsiarczania odilonych mułów może też być sporządzanie mieszanek z wybranych partii osadników w taki sposób, aby zawartość siarki w odilonym mule nie była zbyt wysoka.

6. Muł z żadnego z osadników nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania. W przypadku braku możliwości odlania i wzbogacania mułu, np. ze względów ekonomicznych, celowe byłoby sporządzanie mieszanki mułów z trzech osadników i dodawaniu jej do miałów wzbogaconych.

15. Wzbogacanie odpadów poflotacyjnych

Górnictwo węgla kamiennego w rózny sposób wpływa na degradację środowiska naturalnego. Typowymi szkodami wynikającymi z eksploatacji pokładów węglowych są deformacje terenu oraz zrzuty wód słonych i przemysłowych.

Do niedawna nie rozwiązanym problemem były muły poflotacyjne od dziesiątków lat gromadzone w ziemnych osadnikach mułowych, zajmując olbrzymie powierzchnie.

Na początku lat 80 w niemieckiej firmie Hölter, która współpracuje z polskim przemysłem weglowym, opracowano technologię umożliwiającą uzyskiwanie z mułów poflotacyjnych koncentratu węglowego o wysokich parametrach użytkowych. Twórcą tej metody jest prof. Heine Heter firmy specjalizującej się w rozwiązywaniu problemów ekologicznych kopalń.

Technologia wzbogacania mułów odpadowych

Surowcem do wzbogacania jest muł poflotacyjny wydobywany koparkami z osadnika ziemnego i transportowany samochodem na plac składowy nadawy, skąd uśredniany podawany jest ładowarką na podajnik ślimakowy 1, który podaje muł na przenośnik taśmowy 2 a następnie do bębna rozmywającego 3. Następuje tam wstępna klasyfikacja, w wyniku której z mieszaniny wody i mułu usuwane są zanieczyszczenia mechaniczne. Układ przesiewaczy klasyfikujących 4 pozwala na uzyskanie trzech klas ziarnowych:

> 2,5 mm

2,4 - 0,4 mm

< 0,4 mm.

Klasa ziarnowa > 2,5 mm jest traktowana jako odpad, klasa 2,5 - 0,4 mm kierowana jest do wzbogacania na wzbogacalnikach spiralnych 5, gdzie uzyskuje się koncentrat o niskiej zawartości popiołu 7,0 - 9,0% i odpady o zapopieleniu 70 - 80%. Koncentrat ze wzbogacalników spiralnych 5 kierowany jest do wstępnego odwodnienia na sitach łukowych i przesiewaczach wibracyjnych 6 o szczelinie 0,4 mm, a następnie odwadniany ostatecznie na próżniowych filtrach taśmowych 10.

Klasa ziarnowa < 0,4 mm przeznaczona jest do podstawowego procesu wzbogacania , czyli do flotacji pianowej. Proces ten następuje dwustopniowo, we flotownikach pneumatycznych 7, dzięki z pulpy flotacyjnej można uzyskać wysoko zapopielone odpady i maksymalną ilość koncentratu.

Koncentrat z drugiego stopnia flotacji odwadniany jest na bębnowych filtrach próżniowych 11.

Na pierwszym stopniu uzyskuje się koncentrat o zapopieleniu 9 - 12%, natomiast na drugim stopniu - koncentrat o zapopieleniu 15 - 20%. Odpady uzyskane z dwustopniowej flotacji mają zapopielenie 65 - 70%. Sumaryczny odzysk węgla wynosi około 50%.

Proces wzbogacania jest w pełni zautomatyzowany i komputerowo sterowany z pomieszczenia sterowni.

Odwodnione koncentraty z pierwszej i drugiej flotacji o średniej zawartości wilgoci 24 - 28% poddawane są termicznemu suszeniu w suszarce bębnowej. Suszą je gorące spaliny gazu koksowniczego, spalanego w piecach gazowych. Spaliny po osuszeniu produktu oczyszczane są w elektrofiltrze i wydalane do atmosfery kominem 14.

W wyniku procesu suszenia uzyskiwany jest produkt handlowy o średniej zawartości wilgoci 12 - 13% i zapopieleniu 12 - 20%.

Rys. 21. Uproszczony schemat wzbogacania i suszenia

Tablica 27. Wyniki wzbogacania.

	Nadawa	Koncentrat 1	Koncentrat 2
Uziarnienie mm	2,5 - 0	2,5 - 0	0,4 - 0
Zawartość popiołu Ad	35 - 50	9 - 12	13 - 18
Zawartość wilgoci Wtr	28 - 35	24 - 26	26 - 28
Zawartość siarki St^d	1,0 - 1,3	0,70 - 0,85	0,8 - 1,0
Wartość opałowa Qt^r	-	ok. 26 000 kJ	ok 24 000 kJ
Obciążenie t/d	ok 1700	-	-
Wychód t/d	-	650 - 700	100 - 150

16. Efektywność prototypowego mieszalnika paliw stałych

Ilość wytwarzanego mułu, jako produktu ubocznego górnictwa węgla kamiennego, zależna jest od technologii i wielkości produkcji węgla - udział frakcji mułowych w odniesieniu do produkcji węgla oscyluje wokół wartości 10%.

Oficjalnie wykazuje się zdeponowanie w osadnikach około 7 mln Mg mułów węglowych, przy czym ich kaloryczność jest różna:

• 9,3% zdeponowanych mułów - wartość opałowa ≥ 15 MJ/kg

• 6,8% zdeponowanych mułów - wartość opałowa 12 - 15 MJ/kg

• 22,4% zdeponowanych mułów - wartość opałowa 10 - 12 MJ/kg

• 61,5% zdeponowanych mułów - wartość opałowa ≤ 10 MJ/kg.

O możliwościach wykorzystania mułów węglowych w energetyce zawodowej decyduje ich wartość opałowa oraz właściwości fizyczne, warunkujące sprawność i efektywność transportu i operacji mu towarzyszących oraz magazynowania. Indywidualne spalanie mułów wymaga specjalnej konstrukcji kotłów oraz dostosowania infrastruktury do fizycznych cech tego rodzaju paliwa. Metoda na pominięcie tych problemów jest wytwarzanie mieszanek paliwowych zawierających w swoim składzie miał węglowy jako bazę i dodatek mułu węglowego w ilości nie wpływającej w znaczący sposób na obniżenie walorów energetycznych paliwa, jak również na ilość zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery w procesie spalania.

Tablica 28. Bilans produkcji i zagospodarowania mułów i odpadów poflotacyjnych
poflotacyjnych górnictwa węgla kamiennego.

Rok	Produkcja węgla kamiennego, tys. mg	Wskaźnik udziału mułów, %	Produkcja mułów węglowych, tys. mg	Zagospodarowanie mułów, tys. mg
								Mieszanki w KWK	Sprzedaż do energetyki i innych	Lokowanie w osadnikach z bieżącej produkcji
1991	140 100	8,5	11 908	10 868	591	450
1995	135 259	9,5	12 844	11 480	1 013	350
1998	116 000	10,0	11 600	10 322	978	300
2000	102 200	11,0	11 242	10 024	1 218	0
2001	102 779	10,7	11 036	9 505	1 669	0
2002	102 065	11,2	11 444	9 522	1 629	293

Proces mieszania materiałów ziarnistych zależny jest od cech charakterystycznych mieszanego układu oraz stosowanego aparatu. Podstawowymi składnikami mieszanek wytwarzanych w mieszalniku są miału i muły węglowe oraz dodatkowo biomasa różnego rodzaju.

Miały węglowe są drobnoziarnistą frakcją ziaren węglowych nieregularnego kształtu o uziarnieniu od 0 do 30 mm, z możliwością wtrąceń o wymiarach większych.

Muły węglowe są frakcją węglową, w której udział ziaren ziaren wymiarze poniżej 0,5 mm może wynosić ponad 95%. Podobnie jak w przypadku miałów węglowych, zawartość wilgoci zależna jest od procesu ich wytwarzania i składowania.

Biomasa to substancja organiczna pochodzenia roślinnego, zwierzęcego lub wytworzona w efekcie Właściwości fizykochemiczne tej grupy są skrajnie różne: charakteryzują się różnym stopniem rozdrobnienia, zawartości wilgoci oraz różną spójnością, która decyduje o ich podatności na proces mieszania.

Rys. 22. Ogólny schemat ideowy stacji mieszania paliw

Ocena efektywności mieszalnika przeprowadzona została na podstawie wyników uzyskanych podczas jego testowej pracy w trybie mieszania mułów z miałami węglowymi oraz biomasy w postaci zrębów drzewnych z miałem.

Podstawą pozytywnej oceny urządzenia, decydującej o jego przydatności i popycie na nie, jest wysoka skuteczność działania oraz efektywność ekonomiczna.

Miarą skuteczności działania stacji mieszania paliw stałych będzie zbliżenie się rzeczywistych parametrów fizykochemicznych mieszanek do parametrów teoretycznych, obliczonych po przyjęciu zasady ich pełnej addytywności.

Poza skutecznością działania mieszalnika lub stacji mieszania paliw, istotnym jest efektywność ekonomiczna urządzenia lub instalacji. Podstawowym założeniem analizy kosztu wytworzenia mieszanek paliw stałych było stwierdzenie, że wytwarzanie mieszanek będzie odbywać się w istniejącym zakładzie pracy, dysponującym odpowiednią infrastrukturą techniczną oraz zapleczem administracyjno-socjalnym. Analizą przeprowadzono dla różnych wariantów produkcji, w których czynnikami zmiennymi były nominalna wydajność mieszalnika oraz efektywny czas jego pracy - założono działanie całoroczne i sezonowe w systemie jedno- i dwuzmianowym. Koszty produkcji mieszanek miałowo-mułowych i miałowo-biomasowych ustalono w oparciu o parametry techniczne stacji mieszania paliw oraz ceny, stawki i taryfy podatkowe obowiązujące w październiku 2005 roku. Na koszty te składają się koszty bezpośrednie, koszty stałe oraz koszty ogólno zakładowe. W analizie pominięto kategorię kosztów ogólno produkcyjnych. Przy obliczaniu kosztów surowca założono, że udział miału węglowego w obydwu rodzajach mieszanki stanowić będzie 70% w stanie roboczym, natomiast 30% stanowić będzie uzupełnienie składu w postaci mułu węglowego lub biomasy.

W założonych warunkach całkowity koszt wytworzenia 1 Mg obydwu rodzajów mieszanek paliw stałych dla wszystkich szacowanych wariantów wynosi około 230 zł, przy czym ok. 95% stanowią koszty zakupu surowców bezpośrednich, natomiast ok. 5% stanowią koszty bezpośrednio związane z eksploatacją testowanych mieszalników.

Przeprowadzone badania mieszalnika do sporządzania mieszanek paliw stałych, obejmujące zarówno skuteczność działania, jak i oszacowanie kosztu ich wykorzystania, pozwalają ocenić pozytywnie przedmiot badań i wywnioskować o skutecznym działaniu całego typoszeregu o różnych wydajnościach.

Biorąc pod uwagę znaczne różnice we właściwościach mieszanych surowców, stosowanie biomasy bez jakiegokolwiek wstępnego jej przygotowania - uzyskane mieszanki charakteryzowały się bardzo dużym stopniem jednorodności. Stopień ten może być jeszcze poprawiony poprzez zmiany w systemie podawania lub konstrukcji podajników surowców w stacji mieszania paliw. Jednocześnie oszacowany poziom kosztów wytwarzania, a szczególnie kosztów bezpośrednio związanych z eksploatacją urządzenia, jest bardzo korzystny.

LITERATURA:

1.Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków; Lidia Gawlik- „Prawne aspekty wykorzystania mułów węglowych zdeponowanych w osadnikach”

2. Prace naukowe GIG nr 34; Katowice 2000; Jan J. Hycnar- „Produkcja i stosowanie suspensji węglowo-wodnych”

3.Wiadomości Górnicze 7-8/2005; Wydawnictwo GIG Katowice; dr inż. Krzysztof Wierzchowski, dr inż. Henryk Aleksa, mgr inż. Franciszek Dyduch- „Technologia zagospodarowania mułów węglowych w mieszankach energetycznych”

4. Przegląd Górniczy 6/2005; Stowarzyszenie Inżynierów Techniki Górnictwa, Katowice; dr inż. Ireneusz Pyka, dr inż. Krzysztof Wierzchowski- „Wzbogacanie surowca węglowego pochodzącego z antropogenicznych złóż mułów węglowych”

5. Górnictwo i Geoinżynieria Rok 30, Zeszyt 3/1 2006 „Odpadowe muły węglowe jako element izolacji mineralnej składowisk odpadów” Katowice 2006

6. Górnictwo i Geoinżynieria Rok 29, Zeszyt 4 2005 „Badania mułów węglowych i odpadów niemineralnych w zakresie możliwości otrzymania paliw” Katowice 2005

7. Wiadomości Górnicze 2/2001 Państwowa Agencja Restrukturyzacji Górnictwa Węgla Kamiennego S.A dr inż. Jan Hycnar- „Mieszaniny węglowo-wodne”

8. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej- „Stan i kierunki nowych technologii odnawiania węgli kamiennych w kopalniach rybnickiej spółki węglowej S.A” Katowice 1996

9. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej- „Własności fizykochemiczne i hydrogeologiczne odpadów z wybranych kopalń węgla kamiennego” Katowice 1997

10. Strona internetowa http://www.elektrownia-lagisza.com.pl/

11. Strona internetowa http://www.gig.katowice.pl/gig/pngig/2005_3.pdf

12. Strona internetowa http://www.gigawat.net.pl/article/view/577

13. Strona internetowa http://www.pke.pl/dp/cms/content.xml?id=&mi=mid97&mp=mid97

14. Gospodarka paliwami i energią nr. 3/2001 „Analiza termodynamiczna i ekonomiczna budowy elektrociepłowni wykorzystującej węglowe paliwo odpadowe”

15. Gospodarka paliwami i energią nr. 1/2000 „Zawiesinowe paliwa węglowe rozwój, charakterystyka i perspektywy zastosowania”

16. Błaszczyński S.: „Charakterystyka procesowi technologicznych wzbogacania grawitacyjnego w zmodernizowanych krajowych zakładach przeróbki węgla”, Politechnika Śląska 2000

odpad

koncentrat

Odwadnianie koncentratu w wirówkach sedymentacyno-filtracyjnych

Odwadnianie odpadów gruboziarnistych

Wzbogacanie mułów

gruboziarnistych na

wzbogacalnikach

zwojowych

Klarowanie i zagęszczanie zawiesin odpadów

Odilanie w hydrocyklonach

Pozyskanie

i przygotowanie

surowca

Pozyskanie i przygotowanie surowca

Wzbogacanie mułów gruboziarnistych poprzez klasyfikację hydrauliczną w mechanicznym rządu klasyfikacyjnym

Klarowanie i zagęszczanie zawiesin i odpadów

Odwadnianie koncentratu w wirówkach sedymentacyjno-filtracyjnych

koncentrat

odpady

Pozyskanie i przygotowanie surowca

Klasyfikacja hydrauliczna w hydrocyklonach

Wzbogacanie mułów drobnoziarnistych metodą flotacji

Wzbogacanie mułów gruboziarnistych na wzbogacalnikach zwojowych

Odwadnianie odpadów gruboziarnistych

Klarowanie i zagęszczanie zawiesin odpadów

Odwadnianie koncentratów w wirówkach sedymentacyjno-filtracyjnych

koncentrat

odpady

KATEDRA KOTŁÓW I TERMODYNAMIKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I INFORMATYKI

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

---