Coal sludge and their mixtures as prospective energy resources
B. Klojzy-Karczmarczyk 1  
,   J. Mazurek 1  
,   M. Wiencek 2  
 
More details
Hide details
1
Mineral and Energy Economy Research Institute, Polish Academy of Sciences, Kraków
2
EP Coal Trading Poland SA Czechowice-Dziedzice
Publication date: 2018-09-30
 
Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 2018;21(3):137–150
 
KEYWORDS
ABSTRACT
: The new legislative provisions, regulating the solid fuel trade in Poland, and the resolutions of provincial assemblies assume, inter alia, a ban on the household use of lignite fuels and solid fuels produced with its use; this also applies to coal sludge, coal flotation concentrates, and mixtures produced with their use. These changes will force the producers of these materials to find new ways and methods of their development, including their modification (mixing with other products or waste) in order to increase their attractiveness for the commercial power industry. The presented paper focuses on the analysis of coal sludge, classified as waste (codes 01 04 12 and 01 04 81) or as a by-product in the production of coals of different types. A preliminary analysis aimed at presenting changes in quality parameters and based on the mixtures of hard coal sludge (PG SILESIA) with coal dusts from lignite (pulverized lignite) (LEAG) has been carried out. The analysis of quality parameters of the discussed mixtures included the determination of the calorific value, ash content, volatile matter content, moisture content, heavy metal content (Cd, Tl, Hg, Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, and W), and sulfur content. The preliminary analysis has shown that mixing coal sludge with coal dust from lignite and their granulation allows a product with the desired quality and physical parameters to be obtained, which is attractive to the commercial power industry. Compared to coal sludge, granulates made of coal sludge and coal dust from lignite with or without ground dolomite have a higher sulfur content (in the range of 1–1.4%). However, this is still an acceptable content for solid fuels in the commercial power industry. Compared to the basic coal sludge sample, the observed increase in the content of individual toxic components in the mixture samples is small and it therefore can be concluded that the addition of coal dust from lignite or carbonates has no significant effect on the total content of the individual elements. The calorific value is a key parameter determining the usefulness in the power industry. The size of this parameter for coal sludge in an as received basis is in the range of 9.4–10.6 MJ/kg. In the case of the examined mixtures of coal sludge with coal dust from lignite, the calorific value significantly increases to the range of 14.0–14.5 MJ/kg (as received). The obtained values increase the usefulness in the commercial power industry while, at the same time, the requirements for the combustion of solid fuels are met to a greater extent. A slight decrease in the calorific value is observed in the case of granulation with the addition of CaO or carbonates. Taking the analyzed parameters into account, it can be concluded that the prepared mixtures can be used in the combustion in units with flue gas desulfurization plants and a nominal thermal power not less than 1 MW. At this stage of work no cost analysis was carried out.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Muły węglowe i ich mieszanki jako perspektywiczne surowce energetyczne
górnictwo węgla kamiennego, muł węglowy, pył węglowy z węgla brunatnego, granulowanie, parametr jakościowy, wartość opałowa, energetyka zawodowa
Wprowadzane nowe przepisy legislacyjne, regulujące w naszym kraju obrót paliwami stałymi oraz uchwały sejmików poszczególnych województw zakładają między innymi zakaz stosowania w gospodarstwach domowych jako paliwa węgla brunatnego oraz paliw stałych produkowanych z jego wykorzystaniem, a także mułów i flotokoncentratów węglowych oraz mieszanek produkowanych z ich wykorzystaniem. Zmiany te będą wymuszały na producentach tych materiałów znalezienie nowych sposobów i metod ich zagospodarowania, m.in. poprzez modyfikację (mieszanie z innymi produktami lub odpadami) w celu wzrostu ich atrakcyjności dla energetyki zawodowej. Praca obejmuje swoją analizą muły węglowe, klasyfikowane jako odpad o kodzie 01 04 12 i 01 04 81 lub jako produkt uboczny w produkcji węgla kamiennego o zróżnicowanym znaczeniu energetycznym. Podjęto wstępne badania pozwalające na wykazanie zmian ich parametrów jakościowych poprzez sporządzanie mieszanek na bazie mułów węglowych węgla kamiennego (PG SILESIA) z pyłami węglowymi z węgla brunatnego (LEAG). W ramach analizy parametrów jakościowych sporządzonych mieszanek badano wartość opałową, zawartość popiołu, zawartość części lotnych, zawartość wilgoci całkowitej oraz zawartość metali ciężkich (Cd, Tl, Hg, Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, W) i siarki. Badania wstępne pokazały, że w wyniku mieszania mułów węglowych z pyłem węglowym z węgla brunatnego, a następnie ich granulowania, istnieje możliwość powstania produktu o odpowiednich parametrach jakościowych i fizycznych, atrakcyjnych dla energetyki zawodowej. W porównaniu do samych mułów węglowych, granulaty sporządzone z mułu i pyłu węglowego z węgla brunatnego z dodatkiem zmielonego dolomitu lub bez, charakteryzują się wzrostem zawartości siarki do 1–1,4% Jest to nadal zawartość akceptowalna dla paliwa stałego w niektórych przypadkach w energetyce zawodowej. W odniesieniu do próbki podstawowej mułu węglowego obserwowany wzrost zawartości poszczególnych składników toksycznych w próbkach mieszanek jest niewielki i można stwierdzić, że dodatek pyłu węglowego z węgla brunatnego czy węglanów nie ma znaczącego wpływu na całkowitą zawartość poszczególnych pierwiastków. Parametrem decydującym o przydatności w energetyce zawodowej jest wartość opałowa. Wielkość tego parametru dla mułów węglowych w stanie roboczym mieści się w granicach 9,4–10,6 MJ/kg. W przypadku przygotowanych mieszanin mułu węglowego z pyłami z węgla brunatnego wartość opałowa zdecydowanie wzrasta do wartości 14,0–14,5 MJ/kg (w stanie roboczym). Takie wartości zwiększają możliwości zastosowania w energetyce zawodowej i spełniają w szerszym zakresie wymagania stawiane dla jakości paliw stałych. Obserwuje się nieznaczne obniżenie wartości opałowej w przypadku granulowania z dodatkiem CaO lub węglanów. Biorąc pod uwagę analizowane parametry można stwierdzić, że przygotowane mieszanki mogą znaleźć zastosowanie w instalacjach do spalania paliw stałych z odsiarczaniem spalin o nominalnej mocy cieplnej nie mniejszej niż 1 MW. Na tym etapie pracy nie prowadzono analizy kosztowej przedsięwzięcia.
 
REFERENCES (31)
1.
[Online] http://www.instalacjebudowlane... – The energy value of coal, gas, oil and other fuels (Wartość energetyczna węgla, gazu, oleju i innych paliw) (in Polish) [Accessed: 2018-07-23].
 
2.
[Online] http://www.sejm.gov.pl – The Government’s bill amending the Act on the fuel quality monitoring and control system and the Act on the National Treasury Administration of 19 March 2018, form No. 2377 [Accessed: 2018-07-23].
 
3.
[Online] https://legislacja.rcl.gov.pl – A draft of the Regulation of the Minister of Energy of 27 January 2017 on the quality requirements for solid fuels [Accessed: 2018-07-23].
 
4.
[Online] https://www.rp.pl/Wegiel/ – Even more expensive Polish coal (Jeszcze droższy polski węgiel) (in Polish) [Accessed: 2018-08-12].
 
5.
Baic et al. 2012a – Baic, I., Sobko, W. and Łukowska, M. 2012. Inventory and in situ estimates of coal sludge deposits (Inwentaryzacja szacunkowa i in-situ depozytów mułów węglowych). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal Vol. 15, Iss. 3, pp. 221–229 (in Polish).
 
6.
Baic et al. 2012b – Baic, I., Lutyński, A. and Lutyński, M. 2012. Energetic potential of coal slurries (Potencjał energetyczny zdeponowanych mułów węglowych). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal Vol. 15, Iss. 3, pp. 259–271 (in Polish).
 
7.
Baic, I. 2013 – Analysis of the Chemical, Physical and Energetic Parameters of Coal Sludge Deposits Inventoried in the Silesian Province (Analiza parametrów chemicznych, fizycznych i energetycznych depozytów mułów węglowych zinwentaryzowanych na terenie województwa śląskiego). Rocznik Ochrony Środowiska (Annual Set The Environment Protection) Vol. 15, pp. 1511–1524 (in Polish).
 
8.
Baic, I. and Blaschke, W. 2012. The issue of coal sludge deposits in Poland (Problematyka depozytów mułów węglowych w Polsce). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal Vol. 15, Iss. 3, pp. 211––219 (in Polish).
 
9.
BAT-LCP 2016 – Best Available Techiques (BAT) Reference Document for Large Combustion Plants, Final Draft, June 2016, European Commission.
 
10.
Bielowicz, B. 2013. Selected harmful elements in Polish lignite (Występowanie wybranych pierwiastków szkodliwych w polskim węglu brunatnym). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management Vol. 29, Iss. 3, pp. 47–59 (in Polish).
 
11.
Directive 2010/75/EU of the European Parliament and of the Council of 24 November 2010 on industrial emissions (integrated pollution prevention and control).
 
12.
Journal of Laws, 2018, item 427 – Fuel Quality Monitoring and Control System Act of 25 August 2006.
 
13.
Journal of Laws, 2014, item 1101 – The Act of 11 July 2014 on the amendment of Geological and Mining Law and of certain other Acts.
 
14.
Feliks J. et al. 2018 – Feliks, J., Klojzy-Karczmarczyk, B. and Wiencek, M. 2018. Granulating of coal sludge and their mixtures to improve transport properties (Granulowanie mułów węglowych i ich mieszanek w celu poprawy właściwości transportowych). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, in print (in Polish).
 
15.
Grudziński, Z. 2005. Comparative analysis of quality of coal sludge from the current production and dumped in settling ponds (Analiza porównawcza jakości mułów węgla kamiennego pochodzących z bieżącej produkcji i zdeponowanych w osadnikach ziemnych). [In:] Kompleksowe i Szczegółowe Problemy Inżynierii Środowiska (Complex and Detailed Problems of Environmental Engineering), Conference materials, Koszalin, pp. 671–679 (in Polish).
 
16.
Hycnar et al. 2005 – Hycnar, J.J., Foltyn, R., Olkuski, T. and Blaschke, S.A. 2005. Utilisation of Fine-Grained Wastes From Hard Coal Production And Preparation In Power Generation Sector (Kierunki energetycznego wykorzystania drobnoziarnistych odpadów z wydobycia i wzbogacania węgla kamiennego). Conference materials of the VII National Scientific Conference Kompleksowe i Szczegółowe Problemy Inżynierii Środowiska (Complex and Detailed Problems of Environmental Engineering), Koszalin, pp. 639–650 (in Polish).
 
17.
Hycnar et al. 2013 – Hycnar, J.J., Fraś, A., Przystaś, R. and Foltyn, R. 2013. Current state and perspectives of quality improvement of coal slimes for power generation (Stan i perspektywy podwyższenia jakości mułów węglowych dla energetyki). Conference materials of the XXVII edition of the conference Zagadnienia surowców energetycznych i energii w gospodarce krajowej (Issues of Energy Resources and Energy in the Domestic Economy), pp. 61–74 (in Polish).
 
18.
Jelonek et al. 2010 – Jelonek, I., Mirkowski, Z. and Iwanek, P. 2010. Physical-chemical properties of coal slurries in aspect of their use on example of PKE S.A. selected object (Analiza własności fizykochemicznych i petrograficznych mułów węglowych w aspekcie ich wykorzystania jako paliwa na przykładzie wybranego obiektu PKE S.A.). Przegląd Górniczy Vol. 66, No.10, pp. 156–160 (in Polish).
 
19.
Jelonek et al. 2016 – Jelonek, I, Mirkowski, Z. and Jelonek, Z. 2016. The characteristics of floto-concentrate and coal slurries used in central heating stoves as well as the by-products of their combustion (Cechy flotokoncentratów oraz mułów węglowych stosowanych w piecach centralnego ogrzewania oraz charakterystyka produktów ubocznych powstałych w wyniku ich spalania). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN No. 96, pp. 91–104 (in Polish).
 
20.
Klojzy-Karczmarczyk, B. and Mazurek, J. 2017. Proposals to extend actions to the management of waste rock from hard coal mining (Propozycje rozszerzenia działań celem zagospodarowania materiałów odpadowych z górnictwa węgla kamiennego). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN No. 98, pp. 151–165 (in Polish).
 
21.
Klojzy-Karczmarczyk et al. 2016 – Klojzy-Karczmarczyk, B., Mazurek, J. and Paw, K. 2016. Possibilities of Utilization of Aggregates and Extractive Waste from Hard Coal Mining at Janina Mine in the Process of Reclamation of Open-pit Mines (Możliwości zagospodarowania kruszyw i odpadów wydobywczych górnictwa węgla kamiennego ZG Janina w procesach rekultywacji wyrobisk odkrywkowych). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management Vol. 32, Iss. 3, pp. 111–134 (in Polish).
 
22.
Kosa, B. and Kicińska, A. 2016. Coal from the waste disposal site of the Siersza mine (Trzebinia, Poland) and its properties as a possible alternative fuel, E3S Web of Conferences, SEED, 00039.
 
23.
Lorenz, U. and Ozga-Blaschke U. 2005. Hard coal – energetic product or waste (Muły węgla kamiennego – produkt energetyczny czy odpad). Conference materials of the VII National Scientific Conference Kompleksowe i Szczegółowe Problemy Inżynierii Środowiska (Complex and Detailed Problems of Environmental Engineering), Koszalin, pp. 681–682 (in Polish).
 
24.
Lutyński, A. and Szpyrka, J. 2010. Disposal of fine tailings from hard coal beneficiation (Zagospodarowanie drobnoziarnistych odpadów ze wzbogacania węgla kamiennego). AGH Journal of Mining and Geoengineering Vol. 34, Iss. 4/1, pp. 155–164 (in Polish).
 
25.
Lutyński, A. and Szpyrka, J. 2011. Quality assessment of hard coal slurries deposited in impoundments (Analiza jakości mułów węgla kamiennego zdeponowanych w osadnikach naziemnych). Mining and Geology Vol. 6 (2), pp. 121–129 (in Polish).
 
26.
Makowska et al. 2017 – Makowska, D., Wierońska, F., Dziok, T. and Strugała, A. 2017. Ecotoxic elements emission from the combustion of solid fuels due to legal regulations (Emisja pierwiastków ekotoksycznych z procesów spalania paliw stałych w świetle regulacji prawnych). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal Vol. 20, Iss. 4, pp. 89–102 (in Polish).
 
27.
Pawul, and Sobczyk, 2011. Ecological Education in Waste Management as a Tool for The Implementation of Sustainable Development (Edukacja ekologiczna w zakresie gospodarki odpadami jako narzędzie realizacji zrównoważonego rozwoju). Problems of sustainable development Vol. 6, No. 2, pp. 147–156 (in Polish).
 
28.
Regulation 2018 – Regulation of the Minister of the Environment of March 1, 2018 on emission standards for certain types of installations, fuel combustion sources and appliances for waste incineration or co-incineration, Journal of Laws, 2018, item 680.
 
29.
Sobko et al. 2011 – Sobko, W., Baic, I. and Blaschke, W. 2011. Deposits of coal sludge – inventory and quantitative identification (Depozyty mułów węglowych – inwentaryzacja i identyfikacja ilościowa). Rocznik Ochrony Środowiska (Annual Set The Environment Protection) Vol. 13, pp. 1405–1413 (in Polish).
 
30.
Stala-Szlugaj, K. 2018a. Anti-smog resolutions in Poland and their impact on hard coal consumption in households (Uchwały antysmogowe w Polsce a ich oddziaływanie na zużycie węgla kamiennego w gospodarstwach domowych). Inżynieria Mineralna – Journal of the Polish Mineral Engineering Society No. 2; in print (in Polish).
 
31.
Stala-Szlugaj, K. 2018b. Hard coal demand for households in Poland vs. anti-smog law. Archives of Mining Sciences Vol. 63, Iss. 3, pp. 701–711.
 
ISSN:1429-6675