Sadržaj............................................................................................................................................2

1. Ugalj kao konvencialni izvor energije..............................................................................3

1.1. Šta je ugalj................................................................................................................3

1.2. Osnovne karakteristike uglja....................................................................................3

1.3. Klasifikacija uglja....................................................................................................4

1.4. Proces nastajanja uglja.............................................................................................4

1.5. Rezerve uglja...........................................................................................................5

1.6. Potrošnja..................................................................................................................6

2. Gasifikacija uglja...............................................................................................................7

2.1. Istorijat gasifikacija uglja.........................................................................................7

2.2. Proces gasifikacije uglja...........................................................................................8

2.3. Vrste gasifikacije uglja...........................................................................................10

2.4. Podzemna gasifikacija uglja...................................................................................13

3. Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja....................................................................14

3.1. OdreĎivanje parametara.........................................................................................15

3.2. Otpadna voda iz gasifikacionih postrojenja...........................................................15

3.3. Otpadne vode iz Lurgi fiksirane gasifikacije........................................................ 16

3.4. Produkcija i predtretman otpadnih voda................................................................16

3.5. Eksperimentalne procedure u rashladnim tornjevima............................................18

Zaključak......................................................................................................................................20

Literatura......................................................................................................................................21

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

2

1. Ugalj kao konvencialni izvor energije

1.1. Šta je ugalj

Ugalj je crna ili crno-smeĎa sedimentna stena organskog porekla koja ima sposobnost

gorenja, pa se koristi kao fosilno gorivo koje se vadi iz zemlje rudarskim metodama. Sastoji se

primarno od ugljenika i ugljovodonika, ali i drugih supstanci. Veoma je važno gorivo i izvor

električne energije. Na primer, u SAD sagorevanjem uglja se dobija polovina potrebne električne

energije, dok u Srbiji učestvuje u ukupnoj potrošnji preko 50%, dok u proizvodnji struje

energetski učestvuje sa preko 85% (u termoelektranama). U finalnoj potrošnji ugalj (uz koks i

sušeni lignit) učestvuje sa 14%. Proizvodnja uglja boljih kvaliteta u Srbiji je niska i sa trendom

daljeg opadanja.

1.2. Osnovne karakteristike uglja

a) Hemijski sastav (maseni): c+h+o+n+s+p+ca+mg+fe+w+a=1 (c-ugljenik, h-vodonik,

o-kiseonik, n-azot, s-sumpor, p-fosfor, ca-kalcijum, mg-magnezijum, fe-gvožĎe, w-vlaga, a-

pepeo)

b) Gornja toplotna moć, [MJ/kg, kJ/kg] Količina toplote koja se oslobodi pri potpunom

sagorevanju jednog kg uglja, pri čemu su produkti sagorevanja ohlaĎeni na temperaturu na kojoj

su pre početka sagorevanja bili ugalj i vazduh pri čemu je vodena para kondenzovala i nalazi se

u tečnom stanju.

c) Donja toplotna moć, [MJ/kg, kJ/kg] Količina toplote koja se oslobodi pri potpunom

sagorevanju jednog kilograma uglja pri čemu su produkti sagorevanja ohlaĎeni do temperature

koju na kojoj su bili gorivo i vazduh pre početka sagorevanja pri čemu je vodena para u parnom

stanju. Manja je od gornje toplotne moći za toplotu kondenzacije vode.

d) Količina isparljivih materija

e) Sadržaj pepela

f) Sadržaj ugljenika u suvoj materiji

g) Sadržaj vlage u radnoj materiji

1.3. Klasifikacija uglja

Postoje razne metode za klasifikaciju prema poreklu, nameni, starosti, toplotnoj moći i

drugim osobinama uglja. Prema klasifikaciji Ekonomske komisije OUN za Evropu postoji samo

podela na kameni i mrki ugalj. Kameni ugalj ima gornja toplotnu moć, bez pepela, od 23,87

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

3

MJ/kg i više. Ispod te granice su vrste mrkog uglja, gde se lignit takoĎe računa u tu grupu.

MeĎutim u nekim prikazima se odvojeno prikazuje i lignit gde se granica toplotne moći uglja

vrednuje da je 12,5 MJ/kg.

Lignit se odlikuje očuvanom drvenastom strukturom, bledo su mrke ili prljavo žute boje.

Sadržaj ugljenika je 60 do 65%, izuzetno do 70%, vodonika do 5,5% u suvoj materiji, kiseonika

25 do 30%, pepela 7 do 14% i vlage 40 do 50%. Toplotna vrednost iznosi od 6 do 12,5 MJ/kg, uz

izvestan sadržaj sumpora.

Mrki ugalj se odlikuje slabije održanom drvenastom strukturom, mrke je do crne boje.

Sadržaj ugljenika je 65 do 80%, vodonika 3 do 5%, kiseonika 18 do 25%, pepela do 25%,

isparljivih materija od 45 do 54%. Toplotna vrednost iznosi od 12,6 do 23,8 MJ/kg. Od kamenog

uglja se razlikuje, što pored humusnih supstanci sadrži i izvesnu količinu humusnih kiselina.

Kameni ugalj se deli na više podgrupa. Kriterijum za klasifikaciju je količina isparljivih

supstanci. Antracit ima 4 do 7% isparljivih supstanci, poluantracit 8 do 12%, mršavi kameni

ugalj 12 do 18%, masni kameni ugalj 18 do 35%, gasni kameni ugalj 33 do 38% i gasnoplameni

kameni ugalj sa 37 do 45% isparljivih supstanci. Sadrže ugljenika 80 do 98%, pepela 0,5 do

40%, kiseonika oko 5%, vodonika oko 5%, a toplotna moć se kreće od 25 do 36 MJ/kg.

1.4. Proces nastajanja uglja

Proces nastanka uglja nije u potpunosti objašnjen. Konvencionalna teorija proces nastanka

deli na dve faze:

pripremna faza ili faza humifikacije

U ovoj fazi se vrši akumulacija, izmena i transformacija organske supstance u treset,

odnosno sapropel. Ovo se ostvaruje na površini zemlje u vodenoj sredini, pod dejstvom

mikrobiotičkog faktora i u anaerobnim uslovima. Faza traje desetinama hiljada godina.

faza ugljenifikacije (karbonizacije)

Ova faza obuhvata procese u kojima se treset, odnosno sapropel, putem dijageneze

(litifikaciji, okamenjavanju) i metamorfizma pretvaraju u lignit, mrki ugalj, kameni ugalj

i antracit. Ova faza se odvija u delovima zemljine kore gde postoje anaerobni uslovi i

adekvatan pritisak i temperatura. U ovom procesu se ostvaruje povećanje procenta

ugljenika u organskoj supstanci, uz smanjivanje procenta kiseonika, vodonika i azota.

Nova istraživanja su pokazala da za nastanak uglja nisu potrebni milioni godina delovanja

toplote i pritiska, kao što se pretpostavljalo. Poslednjih godina, nekoliko laboratorija je otkrilo

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

4

način kako da se ugalj ili ugljevite supstance napravi brzo, za sat ili najviše nekoliko dana.

Ovakvi procesi čak ne zahtevaju veliki pritisak, ali je visoka temperatura neophodna (u idealnom

slučaju, veoma topla voda). Tada se zagrevanje mora izvršiti tako, da se organski materijal

izoluje od kiseonika, kako se ne bi zapalio. Proces zahteva toplotu da bi bio započet, ali kada se

jedanput startuje, proces proizvodi sopstvenu toplotu i pritisak.

Ovakvoj hemijskoj reakciji potreban je katalizator, koji je potreban da bi se reakcija brzo

odvijala. Taj katalizator je izvesni tip gline, obično dobijen od vulkanskog pepela. Interesantno je

da skoro sva ležišta uglja imaju ispod sebe takav sloj gline. Tanki vulkanski slojevi gline, koje

neki nazivaju "razdeljci", su takoĎe pronaĎeni u uglju, i često materijal vulkanskog porekla sam

izlazi iz organskog materijala, i formira "zamke" u kojima je ugalj formiran.

Ovi glineni razdeljci su sami po sebi vrlo interesantni. Mnogo puta ovi tanki, ravni slojevi

prekrivaju hiljade kvadratnih kilometara površina. Nasuprot ovim, slični prostrani tanki slojevi

ne postoje u modernim tresetnim močvarama, gde su površine sasvim talasaste, sa mnogim

kosim kanalima i mestima lokalnih uzvišenja. Ne postoji tako nešto u tresetnim močvarama kao

što je ravna površina. Izgleda da bi se treset pre morao akumulirati rapidno pod odgovarajućim

uslovima, a takvi odgovarajući uslovi se ne javljaju u tresetnim močvarama.

18. maja 1980. eksplozija planine Sveta Helena opustošila je 400 km2 šume, severno od

ove planine. Za kratko vreme, preko milion stabala je plivalo u jezeru Spirit, opkoljeno velikom

količinom organskog materijala i vulkanskog pepela. Za samo nekoliko godina, organski talog,

sačinjen uglavnom od kore drveća i raspadnutog materijala drveća, zajedno sa vulkanskim

pepelom, akumulirao se na dnu jezera. Ovaj "treset" je imao u mnogome isti sastav i geometriju

kao ugalj. Mnogi delovi kore su se nagomilavali jedni preko drugih meĎusobnim tarenjem

plivajućih stabala i tonjenjem na dno. Od tada se zna da je tvrdi, crni pojas u uglju ustvari

"mumificirana kora", i treset u Spirit jezeru izgleda kao veoma pogodan za nastanak uglja. Ono

što je još interesantnije jeste, da je mnogo plivajućih stabala tonulo u vodu, i kada su padali na

dno, koren kao krajnji deo stabla se prvi ukopavao u organski mulj i raspadnutu koru drveća na

dnu jezera. Kako se nastavljala akumulacija organskog materijala, i kako su se odvijali vulkanski

i erozioni procesi, nagomilavali su se vulkanski pepeo i ostali sedimenti u jezero. Ako bi se

sedimentacija nastavila, ne samo da ovaj treset liči na savremene slojeve uglja po osobinama i

geometriji, nego je i glina vulkanskog porekla obilno prisutna. Ako bi došlo do ponovne erupcije

iz ove planine, sloj vrelog materijala, koji bi se nataložio preko slojeva treseta, učinio bi da brzo

doĎe do pretvaranja u ugalj, koji bi ličio na slojeve bituminoznog uglja kojeg nalazimo danas.

1.5. Rezerve uglja

Najveće rezerve uglja su na severnoj hemisferi prvenstveno izmeĎu 35 i 50 stepeni severne

geografske širine. Rezerve uglja su dobro istražene, pogotovo u razvijenim zemljama. Sa

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

5

trenutnom godišnjom potrošnjom od oko 3,7 milijardi tona godišnje (kamenog i mrkog uglja) i

0,9 milijardi tona lignita ima dovoljno uglja za nekoliko stotina godina eksploatacije.

Tabela 1. Dokazane rezerve uglja

Dokazane rezerve uglja

Vrsta uglja Milijardi tona

Kameni ugalj 510

Mrki ugalj 279

Lignit 196

Ukupno 985

Raspodela rezervi ovog energenta je neravnomerna. Svega 6 zemalja raspolaže sa 75% svih

svetskih rezervi. U poslednjih nekoliko godina su dodatna istraživanja još uvećala iznose rezervi.

Tabela 2. Zemlje sa najvećim rezervama uglja

1.6. Potrošnja

Prema postojećim podacima je poslednjih godina od ukupne količine iskopanog uglja 76%

iskorišćeno za proizvodnju električne energije.

U strukturi ukupne potrošnje energije ugalj je sa 24.9% u 1973. godini varirao na 23.5% u

1999. godini. U proizvodnji električne energije ugalj učestvuje sa oko 40%. Ovaj odnos se nije

značajnije menjao poslednjih 30 godina i sada iznosi oko 4800 TWh godišnje.

Lista zemalja sa najvećim

rezervama uglja

Zemlja %

SAD 25

Rusija 16

Kina 12

Australija 9

Indija 7,5

Nemačka 6

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

6

2. Gasifikacija uglja

2.1 Istorijat gasifikacija uglja

Gasifikacija uglja, kao hemijska konverzija uglja u gasovito stanje , je prvi put upotrebljen

za proizvodnju gasa za osvetljenje i grejanje u SAD i Velikoj Britaniji u ranom 19. veku. Pre

otkrića “prirodnog” gasa bio je izbor goriva za osvetljenj e gradova širom SAD-a i Evrope. U

vreme kada je otkriven prirodni gas, proces gasifikacije uglja postaje bezpotreban i brzo

napušten u kasnom 19. veku. Na Sliku 1. pokazan kratak istorijat tokom 20. veka.

Slika 1. Istorijat gasifikacije uglja tokom 20. Veka

Energetska kriza u sedamdesetih godina 20. veka je dovela do oživljavanja interesa za

gasifikaciju uglja kao energetsku alternativu. Počeli su veliki napori da komercijalizuje

tehnologija za velikih razmera, za čistu energiju, kao i za hemijsku sirovinu za proizvodnju. U

zemljama sa bogatim rezervama uglja kao što su Sjedinjene Američke Države, Kina itd.

gasifikacija uglja predstavlja izazov za inženjere - kako da iskoriste rezerve ovog fosilnog goriva

na način koji nije uzrok takvih ekoloških šteta kao što je tradicionalna metoda sagorevanja uglja.

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

7

2.2. Proces gasifikacije uglja

Gasifikacija uglja predstavlja tehnologiju kojom se ugalj pretvara u gas. Proces

transformacije energije se odvija putem nepotpunog i potpunog sagorevanja uglja i vodeno-

gasnog procesuiranja zažarenog koksa putem vazduha, kiseonika vodene pare ili njihovom

mešavinom. Dobijeni gas iz gasifikacije uglja može se koristiti kao energetsko gorivo, u

termoelektranama za proizvodnju električne energije, za proizvodnju tople vode u kotlarnicama,

za sušenje u pećima i u hemijskoj industriji.

Opisana predložena tehnologija za proizvodnju električne energije sa smanjenom emisijom

SOx i NOx, kombinovanom primenom gasifikacije i sagorevanja ugljenog praha. Gasifikacija

uglja bila bi primenjena kao hemijska metoda za uklanjanje organskog sumpora iz uglja.

Smanjenje emisije NOx ostvarilo bi se organizacijom procesa sagorevanja proizvedenog gasa i

gasifikovanih čestica ugljenog praha u ložištu parnog kotla. Eksperimentalnim putem ispitana je

efikasnost uklanjanja sumpora iz lignita „Kolubara” u sprašenom stanju. Eksperiment

gasifikacije uglja izvršen je pri masenom protoku ugljenog praha 4,3 kg/h, i pri masenom odnosu

H2O/ugalj = 0,426 kg/kg. Za vrednosti koeficijenta viška kiseonika l = 0,54, 0,69 i 0,86

ostvarene su efikasnosti uklanjanja organskog sumpora od 49,15–69,38%, a sulfatni sumpor je

pokazivao tendenciju porasta. Stepen konverzije ugljenika iznosio je od 41,58–70,96%.

Ovaj proces se izvodi dejstvom kiseonika i vodene pare na ugalj u reaktoru na visokoj

temperaturi, iznad 1000 oC. Zrnasti ugalj se fluidizuje pomoću smese kiseonika i vodene pare

(stavi se u živo kretanje, tako da podseća na tečnost koja ključa). Pri tome se odvijaju sledeće

reakcije:

3 C + O2 + 2 H2O → CO2 + 2 CO + 2 H2; ΔH = - 159 kJ

3,5 C + O2 + 2 H2O → 0,5 CO2 + 3 CO + 2 H2, ΔH = - 75,4 kJ

Obe reakcije su egzotermne i teku kontinualno. Teorijski sastav gasova prema prvoj

reakciji je 20 % CO2, 40 % CO i 40% H2, a prema drugoj 9 % CO2, 54,6 % CO i 36,4 % H2.

Pepeo se izbacuje na dnu reaktora pomoću mešalica. Gasovi se po izlasku iz reaktora delimično

hlade, a toplota iskorišćava za proizvodnju pare. U sledećoj fazi dobijeni vodeni gas se

konvertuje vodenom parom na isti način kao i u procesu reforminga metana. Pre konverzije,

dobijena smesa gasova se čisti od prašine, i podvrgava desulfurizaciji kako ne bi došlo do

trovanja katalzatora. Posle konverzije, CO2 i tragovi CO se uklanjaju metodama koje su opisane

u procesu reforminga metana vodenom parom. Na Slici 2. pokazan opšti koncept gasifikacije

uglja.

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

8

Slika 2. Šema procesa gasifikacije uglja

U procesu gasifikacije uglja umesto kiseonika se može upotrebiti vazduh.

U ovom slučaju ugalj se u reaktoru najpre sagoreva pomoću vazduha pri čemu se pošto su

reakcije oksidacije ugljenika u ugljen-dioksid i ugljen monoksid izrazito egzotermne zagreva do

crvenog usijanja (1200 – 1400 oC):

C + O2 → CO2; ΔH = - 406,1 kJ

2 C + O2 → 2 CO; ΔH = - 110 kJ

Pored, toga na ovako visokim temperaturama postali CO2 u endotermnom procesu reaguje

sa ugljenikom gradeći CO.

CO2 + C → 2 CO; ΔH = 160,8 kJ

Posle odreĎenog vremena, kada se postigne neophodna temeperatura, prekida se dovod

vazduha i umesto njega u reaktor uvodi vodena para. Toplota osloboĎena u reakcijama sa

kiseonikom iz vazduha, koristi se za reakciju sa vodenom parom, pri čemu u endotermnom

procesu postaje vodeni gas koji se „hvata odvojeno“ od smeše gasova dobijene sagorevanjem:

C + H2O → CO + H2; ΔH = 118,5 kJ

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

9

U reaktor se naizmenično uvode vazduh i vodena para, da bi se oksidaciojom obezbedila

toplota za proizvodnju vodenog gasa. Dalje se vodeni gas tretira na isti način kao što je opisano u

postupku reforminga metana vodenom parom.

Produkti gasifikacije:

Visokokalorični prirodni gas 33-37MJ/m3

Srednjekalorični prirodni gas 15-19MJ/m3

Niskokalorični gas 5-10MJ/kg

2.3. Vrste gasifikacije uglja

Lurgi Process - Fixed bed coal gasifikacioni proces

Nekatalitička disocijacija ugljovodonika vrši se na temperaturama od 1200°C - 1450°C i

pritisku izmeĎu 30 i 75 bara. Termin parcijalna oksidacija se korisiti da se opiše efekat raznih

egzotermnih i endotermnih reakcija, koje uključuje potpuno sagorevanje delova goriva do CO2 i

H2O, koji su uključeni u reakcije pare i razvijanja velike temperature procesa kao i druge

sekundarne jednačine. Jednačina reakcije se može napisati kao:

2 CHn + O2 ↔ 2 CO + n H2

Ulazna materija tih procesa se unosi u vatrostalni reaktor, preko specijalno dizajniranog

gorionika. Kiseonik se meša sa parom pre nego što se pusti u gorionik.

U zavisnosti od ulaznih komponenti, oksidacionog sredstva i stvarne temperature

gasifikacije, sirov sintetisan gas (H2, CO) sadrži H2O, CO2, CH4, H2S, N2, NH3, HCN i vazduh u

različitim koncetracijama. Pored toga, mala količina nekonvertovanog ugljenika je prisutna, na

primer, oko 0,5 % (maseni udeo) od sirovina (ulaznih materija) prilikom obrade tečnih

ugljovodonika kao i u pepelu metala dobijenog prilikom prerade sirovina. Višak vode se

preusmerava na tretman otpadnih voda.

ČaĎ i metalni pepeo se uklanjaju iz sirovo sintezovanog gasa putem ispiranja vodom.

Dobijeni talog i čaĎ se preusmeravaju na dalji tretman. Posle separacije pepela i čaĎi, većina

količine ove vode se reciklira u vidu vraćene vode u postrojenja za pranje i ispiranje.

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

10

Slika 3. Lurgi proces

Winkler Process - Fluidised bed gasifikacioni proces

U gasifikaciju u fluidizovanom sloju veličina lignita od 15 mm su ubačeni u fluidizovani

sloj preko malih otvora na dnu gasifikatora. Vodena para i kiseonik se ubrizgava isto na dnu

fluidizovanog sloja. Gasifikacija u fluidizovanom sloju je u suštini izotermni proces (10000°C),

samim tim nema katrana i drugih tečnih ugljovodonika i gas sadrži uglavnom H2 i CO i CH4

manje od 1%. Vreli gas se hladi u kotlovima za otpadnu toplotu i tokom hlaĎenja se uklanja

pepela, a zatim prečišćava na isti način kao kod Lurgi procesa.

ČaĎ i metalni pepeo se uklanjaju iz sirovo sintezovanog gasa putem ispiranja vodom.

Dobijeni talog i čaĎ se preusmeravaju na dalji tretman. Posle separacije pepela i čaĎi, većina

količine ove vode se reciklira u vidu vraćene vode u postrojenja za pranje i ispiranje.

Vinkler gasifikator radi sa nižim - pritiscima (1-3 atm). Može da radi sa skoro svim

vrstama uglja (lignit, mrklji ugalj, kameni ugalj). Mana ovog procesada ima visoku cenu.

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

11

Slika 4. Winkler proces

(Feeding system-sistem za napajanje, Crude Gas Cooler-sistem za hladjenje sirovog gasa, Ash

Discharge system-sistem za praznjenje pepela, Residual waste- otpad koji ostaje, feed bin-

napojni bunker, Charge Bin-bunker za punjenje, Gravity pipe-gravitaciona cev, Fluidized bed-

fluidizovan sloj, Feed Screw-napajanje ugljem, Cooling Screw-rashladni sistem, Cyclone-ciklon,

Free Board-slobodna povrsina, Gasification agent-gasifikacioni agensi, Collection Bin-

sakupljacki bunker, Discharge bin-bunker za praznjenje)

Koppers-Totzek System - Entrained bed gasifikacioni proces

Većina post rojenja na bazi uglja (amonijaka biljke) koriste danas KT proces. U KT

procesu, ugalj je suvo i fino mleven za oko 75%, preko 200 mreža. Prah uglja sa protokom

kiseonika oduvava se u gasifikacinoj komori kroz dva gorionika okrenuti jedan prema drugom.

Para ulazi kroz prstenaste otvore oko gorionika. Gasifikacija je završena u jednoj desetini

sekunde u temperaturnom opsegu od 1000 - 12000°C. Deo pepela je spaljen i uklonjen iz dna

gasifikatora. Izlazni gas obično sadrži 56% CO, 31% H2, 11% CO2 i manje od 0,1% CH4.

Posle hlaĎenja otpadne toplote u kotlovima, pepeo se uklanja vlažnim ribanjem i

elektrostatičkim padavinama. Ostatak amonijaka tokom pipreme sinteze gasa je slična parcijalnoj

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

12

oksidaciji. Mane procesa su potrebe za fino mlevenje uglja, rad pri niskim pritiscima (1-3 atm) i

veća potrošnje kiseonika od drugih procesa gasifikacije.

Slika 5. Koppers-Totzek process

(Coal-ugalj, Steam-para, Oxygen-kiseonik, Fresh input water-ulaz sveze vode, Wastewater from

slag quenching- otpadna voda iz procesa gasenja sljake, quenching slag- ugasena sljaka,

Conveyor- konvejer, Boiler feed water- napajajuca voda iz bojlera, raw product gas to waste heat

boiler- sirovi proizvedeni gas, Low pressure steam, para niskog pritiska.)

2.4. Podzemna gasifikacija uglja

Imajući u vidu kvantitet i kvalitet energetskih resursa kojima raspolažemo, a posebno sve

izraženije potrebe za što racionalnijim korišćenjem primarnih energetskih resursa, našli smo se u

situaciji da osvajamo tehnologiju eksploatacije vanbilansnih rezervi, kao i otkopnih gubitaka

bilansnih rezervi. Kao jedna od takvih metoda pokazala se podzemna gasifikacija uglja. Pri

opredeljenju za aktivnosti na tom planu najvažniji je pristup što savesnijem izboru optimalne

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

13

lokacije za podzemnu gasifikaciju uglja. Pri tome je neophodno sagledati količine uglja koje će

se moći izgasifikovati, a time i odrediti količina ukupno proizvedenog gasa iz podzemne

gasifikacije uglja. Tretman kapitalnih ulaganja i tehničkih troškova proizvodnje zauzima pri

tome vrlo značajno mesto, pa mu je i zbog toga posvećena posebna pažnja.

Podzemna gasifikacija uglja predstavlja tehnologiju kojom se ugalj pretvara u gas

neposredno u ležištu. Proces transformacije energije se odvija putem nepotpunog i potpunog

sagorevanja uglja i vodeno-gasnog procesuiranja zažarenog koksa na samom mestu zaleganja

uglja putem vazduha, kiseonika vodene pare ili njihovom mešavinom. Dobijeni gas iz podzemne

gasifikacije uglja može se koristiti kao energetsko gorivo, u termoelektranama za proizvodnju

električne energije, za proizvodnju tople vode u kotlarnicama, za sušenje u pećima i u hemijskoj

industriji.

Za razliku od konvencionalnih tehnologija dobijanja uglja (površinske i podzemne)

primenom ove tehnologije ne vrši se degradacija zemljišta, ne transportuje se ugalj i otkrivka

nepotrebna je priprema uglja, kod sagorevanja u termoelektranama nema pepela šljake i značajno

se smanjuje emisija oksida ugljenika, sumpora i azota. Pored ekoloških prednosti ova tehnologija

ima znatno manja ulaganja i niske troškove proizvodnje u odnosu na konvencionalne

tehnologije.

3. Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja

Sa aspekta životne sredine prečišćavanje otpadnih voda koje sadrže organske supstance

postaje sve važnije i važnije. Poznato je da konvencionalne metode, pogotovo biološke tehnike

prečišćavanja nisu u mogućnosti da uklone sve organske komponente iz otpadnih voda. Ova

otporna jedinjenja sprečavaju biološke procese prečišćavanja pogotovo ako su otrovna, tako da

se akumuliraju u otpadnoj vodi izazivajući zagaĎivanje reka, jezera i mora.

U poslednje vreme razmatrane su različite metode za rešavanje ovog problema,

reverzibilna osmoza, taloženje pomoću specijalnih agenasa i spaljivanje tog uztaloženog otpada i

adsorpcija pomoću odgovarajućih adsorbenata.

U okviru industrijskih otpadnih voda, fenol iz gasifikacije uglja kao i iz drugih postrojenja

koje koriste ugalj je najnepoželjniji. Osim fenola, sadrže i komponente u tako velikim

koncentracijama koje su posebno štetne. U zavisnosti od vrste tretmana u sistemima za

gasifikaciju uglja postoje tri vrste otpadnih voda: kondenzati, otpadna voda sa velikom

koncentracijom amonijaka i procedna otpadna voda. Sada ćemo razmatrati prva dva slučaja

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

14

otpadnih voda. Voda koja dolazi iz procesa separacije katrana se zove kondenzat, i otpadne vode

sa velikom koncentracijom amonijaka.

Glavne metode za prečišćavanje ovih otpadnih voda su:

Izdvajanje pomoću benzene ili izopropiletra

Biološki tretman

Adsorpcija aktivnim ugljem

3.1. Određivanje parametara

Korišćenje aktivnog uglja pri prečišćavanju industrijih voda zavisi od specijalnih

karakteristika uglja i procesa adsorpcije i reaktivacije. Ugalj mora imati veliku specifičnu

površinu po jedinici zapremine i specijalni adsorpcioni afinitet prema komponentama otpadnih

voda, pored toga, sa ekonomske tačke gledišta, ekstremna tvrdoća i niska reaktivnost su važne za

procese ponovne upotrebe i reaktivacije. Karakteristike adsorpcije moraju da budu takve da

omoguće što bolji adsorpcioni kapacitet uglja kako bi minimizovali korišćenje uglja u procesu.

Reaktivacija iskorišćenog uglja obavlja se u pažljivo kontrolisanim uslovima tako da se

adsorpcioni kapacitet maksimalno povrati a gubici uglja svedu na minimum. Bergbau-Forschung

su razvili proces prečišćavanja otpadnih voda pomoću aktivnog uglja kombinovanjem

predhodnih zahteva. Da bi odredili parametre jednog takvog adsorpciono-reaktivacionog

postrojenja koristimo niz testova o kojima će biti sada reč.

3.2. Otpadna voda iz gasifikacionih postrojenja

Zbog rastuće potražnje energije, gasifikacija ugljem postala jedna od glavnih metoda za

dobijanje energije iz uglja. TakoĎe istraživanjem su razvijene nove tehnologije gasifikacije.

Karbonizacijom kao prvim korakom gasifikacionog procesa postaje očigledno da su komponente

sadržane u otpadnim vodama slične onima sadržanim u otpadnim vodama u postrojenjima koja

koriste ugalj. Laboratorijski testovi otpadnih voda iz polutehničkih gasifikacionih postrojenja

koja rade na pritisku od 40 atmosfera, približno 40 bara i temperaturi oko 900ºC, 5kg uglja na

sta sa parom u fluidizovanom obliku su pokazali da je uklanjanje organskih materija adsorpcijom

aktivnim ugljem moguće. Korišćenjem TOC sadržaja od 700 mg/l postiže se adsorbovanje na

uglju AW2-450 veće nego korišćenjem istog uglja u procesima prečišćavanja procesnih voda.

Izračunate vrednosti širine i brzine prenosa materije kroz odreĎenu zonu su iste kao veličine

dobijene iz procesa prečišćavanja procednih voda. Da bismo dobili parameter za projektovanje

postrojenja napravili su pilot projekat gasifikacionog postrojenja koji je u izgradnji i koji će imati

protok od 200 kg uglja po satu, odnosno prečišćavanje otpadnih voda od oko 0,5 m3/h.

PoreĎeno sa konvencionalnim sistemima za tretman otpadnih voda treba istaći sledeće

prednosti adsorpciono-reaktivacionog sistema:

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

15

1. Svodjenje količinu organskih zagaĎivača na minimum u otpadnim vodama

2. Nema stvaranja problema oko dodatnih odlaganja ili zagaĎivanja

3. Sposobnost da se promeni kvalitet i količina otpadnih voda u širokom opsegu u

zavisnosti od količine uglja koji se koristi u tim procesima.

4. Regeneracija iskorištenog uglja omogućava ponovno korišćenje u više puta.

5. Potrebne veoma male radne površine

Ove prednosti su činjenice da je proces adsorpcije aktivnim ugljem pogodan za proces

prečišćavanja koncentrisanih industrijskih otpadnih voda.

3.3. Otpadne vode iz Lurgi fiksirane gasifikacije

Otpadne vode iz gasifikacija uglja, koje sadrže veliku koncentraciju organskih i

neorganskih materija, ponovna upotreba i recikliranje se praktikuju u postrojenjima za

gasifikaciju otpadnih voda ugljem u dve svrhe: da se smanji ispuštanje otpadnih voda ida se

zaštiti životna sredina. Rashladni sistemi su glavni potrošači u mnogim gasifiaksionim

postrojenjima pomoću uglja. Dakle, ponovna upotreba upotrebljenog uglja otpadne vode se

mogu koristiti kao rashlaĎivači u rashladnim tornjevima pri čemu bi doprinele značajnoj uštedi

sveže vode i očuvanju životne sredine. Moguće je naći izvodljiv pristup za ponovnu upotrebu

otpadnih voda koja se ispušta u ogromnim količinama i visokom koncentracijom zagaĎujućih

materija. OdreĎeni testovi korišćenih otpadnih voda u svrhe hlaĎenja su već uraĎeni. MeĎutim,

ponovna upotrba otpadnih voda u rashladne svrhe prestavljaju neke probleme životne sredine

posebno zbog biološkog narušavanja okoline i emisije organskih materija. Osnovni ciljevi

istraživačkih projekata su da se razvije napredsan proces za tretman i ponovnu upotrebu

otpadnih voda. Drugi ciljevi su da se testiraju alternativne metode tretiranja koje mogu biti

potrebne za što veće smanjenje ispuštanja otpadnih voda iz procesa gasifikacije.

3.4.Produkcija i predtretman otpadnih voda

Otpadne vode koje su testirane u ovim studijama su iz Lurgi fiksirane gasifikacije i

postrojenja koja koriste ugalj kao gorivo. Sirova gasifikacija kao predtretman uklanjanja katrana,

fenolnih komponenti i amonijaka je izvedena u pilot postrojenjima. Flotacione ćelije su se

koristile za uklanjanje zaostalog suspendovanog katrana. Fenoli i amonijak u otpadnim vodama

se smanjuje poboljšanjima procesa kao što je sistem ekstrakcionih rastvarača pomoću pare.

U tom procesu, diizopropil etar se koristio kao rastvarač. 98% (gasifikaciona postrojenja) i

95% (elektrane na ugalj) je uspešnost uklanjanja fenola i manje od 100 mg/l fenola ostane u

otpadnoj vodi gde je razmera rastvarača i fenola 10:1. Posle ekstrakcije, otpadna voda se

direktno pumpa u sistem za tretman parom. Frakciono destilaciojom postiže se uklanjanje 98%

amonijaka i 99% efikasnosti oporavka pomoću rastvarača rastvorenih u otpadnoj vodi.

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

16

Sledeći korak predtretmana otpadnih voda obuhvata biološku oksidaciju i filtraciju kako bi

se uklonili organski zagaĎivači i suspendovane čestice.

Tabela 1 i 2 pokazuju prosečan sastav otpadnih voda iz postrojenja za gasifikaciju i

postrojenja koja koriste ugalj kao gorivo pre i posle uraĎenih predtretmana. Kako je prikazano u

tabelama 1 i 2, posle ovih predtretmana, karakterisitike ovih otpadnih voda nisu ispunile

nacionalne kriterijume. Kao što je kasnije prikazano, ova otpadna voda se može ponovo

iskoristiti kao rashladni medijum.

Tabela 3.

AVERAGE WASTEWATER CHARACTERISTICS

FOLLOWING EACH PRETREATMENT STEP (FIX-BED

GASIFICATION)

Con

stitu

ent

Raw

Wastew

a

ter

Solv

ent

extractio

n

Steam

srippin

g

Activ

ate

d slu

dge

and

filtration

COD 38500 20800 2900 670

BOD5 15600 0 1518 40

Phenol 2450 49 3 0.42

Ammonia 1300 1250 210 163

Sulfide 48 38.4 18.4 14.4

Cyanide 3.5 0.27 0.04 0.013

pH 8.17 9.18 8.7 7.6

Oil 8326 273 40 23

Fatty acid 65 43.7 1.5 0.067

All concetrations in mg/l exept pH

(Constitunet- sadrzani deo, Raw wastewater-sirova otpadna voda, Solvent extraction-

ekstrakcioni rastvaraci, Activated sludge and filtration-tretman aktivnim muljem i filtracija.)

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

17

Tabela 4.

AVERAGE WASTEWATER CHARACTERISTICS

FOLLOWING EACH PRETREATMENT STEP (FIX-BED

GASIFICATION)

Con

stitu

ent

Raw

Wastew

a

ter

Solv

ent

extractio

n

Steam

srippin

g

Activ

ate

d slu

dge

and

filtration

COD 25000 13500 2783 510

BOD5 2970 0 1025 36

Phenol 1285 70 45 0.51

Ammonia 1520 1515 180 185

Sulfide 23 14.8 4.87 4.4

Cyanide 9.86 9.36 9.6 6.48

pH 8.08 9.1 8.4 7.18

Oil 300 170 110 14.1

Fatty acid 81.6 38.9 0.21 0.11

All 17oncentrations in mg/l exept pH

(Constitunet- sadrzani deo, Raw wastewater-sirova otpadna voda, Solvent extraction-

ekstrakcioni rastvaraci, Activated sludge and filtration-tretman aktivnim muljem i filtracija.)

3.5. Eksperimentalne procedure u rashladnim tornjevima

Dve serije (faza 1 i 2) su sprovedene korišćenjem otpadnih voda iz postrojenja za

gasifikaciju i to je prikazano u tabeli 5. Treća serija (faza 3) je sprovedena korišćenjem otpadnih

voda iz postrojenja koja koriste ugalj kao gorivo i prikazana je u tabeli 5. Najuočljivija razlika 2,

3 i faze 1 je dodavanje biocida koji su korišćeni za za kontrolisanje biološkog obraštaja (rasta).

Druga razlika izmeĎu 2, 3 i faze 1 je korišćenje filtracije za smanjivanje suspendovanih čestica u

rashladnim vodama. Šematski prikaz testa u rashladnom tornju prikazan je na slici 6. Parametri

rashladnog tornja su bili sledeći, razmera tečnost-gas 1:830 m3/m

3 , protok po jedinici površine

11,8 m3/m

2, rashladni opseg od 10°C do 15ºC i 10 ponavljanja u kome su se održavali

parametri u sve tri faze. 300 l/h rashladne vode cirkuliše od toga 6 l/h otpadne vode na kojoj je

izvršen predtretman. Pored svakodnevne hidrauličke kontrole svih faza testiranja, vršen je

monitoring kvaliteta vode pomoću jona natrijuma. Sva tri testa su uraĎena za 350 sati.

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

18

Slika 6. Šema rashladnog tornja

(Bagin-rezervoar, Steam- para, Evaporator-isparivac, Biocide-biocid, Cooling tower-rashladna

kula, Makeup-sadrzaj, Test heat exchanger-razmenjivac toplote, Bypass filtration-zaobilazna

filtracija)

Kao što je prikazano na slici 6, voda iz donjeg rezervoara se pumpa u evaporator

(isparivač), u kome se voda tretirala 10 puta nakon čega je dobijen kondenzat (para) koji se

vraća u rezervoar. Dakle, samo oko 1% se ispušta van sistema. Rshladna voda iz smeštena u

tornju se pumpa kroz razmenjivač toplote pomoću kojeg se može vršiti merenje korozije čelika,

biološkog obraštaja kao i procesa prenosa toplote. Razmenjivač toplote je opremljen karbonsko-

čeličnom kadom (malim rezervoarom), gde je brzina protoka fluida 1.0 m/s.

U toku faza 2 i 3, dodani su biocidi (ClO2) raĎena je filtracija. Biocidi su dodavani svakih

6 sati u dozi od 20 mg/l. Brzina filtracije je bila 8 l/h.

Karakterizacija vode. Prosečan sastav rashladne vode faze 1, 2, 3 je dat u tabeli 5.

Značajna razlika izmeĎu faze 1 i faza 2 i 3 je bila u koncentraciji suspendovanih čestica.

Suspendovane čestice u fazi 2 i 3 su značajno smanjene poredeći sa fazom 1. To je verovatno

zbog dodavanja biocida koji su smanjili bakterijsku populaciju. U fazi 1, bez biocida, populacija

bakterija u rashladnoj vodi je bila 8.2x107 . u fazama 2 i 3 u kojima je korišćen ClO2 kao

biocid, populacija bakterija je bila manja od 1.5x104. Pokazano je u navedenom da je ClO2

veoma efektan biocid za upotrebu u rashladnim tornjevima kao jedan od delova predtretmana

otpadnih voda.

Tabela 5.

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

19

Može se doneti nekoliko zaključaka donešenih prilikom praćenja sve tri faze predtretmana

otpadnih voda u rashladnim tornjevima. Korišćenje otpadne vode direktno u rashladnim

tornjevima dovela je do visokog stepena biološke aktivnosti, koje su uticale na biološki obraštaj

i procese prenosa toplote kao i opremu u procesima testiranja. Korozija čelika u ovim procesima

nije bila visoka što može biti prihvatljivo.

Faza 2 i 3 pokazuju da je ponovna upoteba otpadne vode rezultirala potrebom da se doda

biocid.

Proučavanje je pokazalo da je ponovna upotreba ove otpadne vode korisna i za očuvanje

vodenih resursa kao i za smanjenje zagaĎenja životne sredine preko smanjenja ispuštanja

otpadne vode.

Zaključak

U cilju povećanja stepena delovanja energetskih postrojenja na ugalj, kao i smanjenja

zagaĎenja okoline, počeo je razvoj postrojenja sa gasifikacijom uglja. U ovim postrojenjima,

ugalj se, nakon mlevenja (zajedno sa sorbentom za redukciju sumpornih oksida) vodi u

gasifikator, gde se vrši gasifikacija uglja pod pritiskom u struji vazduha i kiseonika (95%

kiseonika i 5% vazduh) i/ili njihove mešavine sa vodenom parom. Gasifikacija se odvija pod

visokim pritiskom 25-28 bar i pri temperaturama 1000-1500°C. Produkat gasifikacije je

niskokalorični gas, čiji su osnovni sastojci ugljenmonoksid i vodonik. Ovaj gas se, nakon

hlaĎenja i proizvodnje pare u generatorima pare prečišćavanja i dodatno odsumporava uz proces

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja 2010

20

izdvajanja supmpora. Na ovaj način dobijen je čisti sintetski gas koji se može koristiti u razne

svrhe.

Otpadne vode iz procesa gasifikacije uglja prečišćavaju se biološkim postupcima. Jedan

deo otpadnih voda se može ponovo iskoristiti kao rashladni medijum. Ostatak od prerade vode je

biološki mulj koji se ne može odlagati na deponije. Sušenjem mulja u sušari sa fluidizovanim

slojem dobija se granulat prečnika 4 – 7 mm koji se koristi u reaktoru za gasifikaciju uglja.

Temperatura dimnih gasova na ulazu u sušaru je 200-220°C. Usitnjeni kameni ugalj ima prečnik

do 4 mm i ima funkciju inicijalnih centara granulacije. Ovim postupkom ublažava se problem

deponovanja mulja, tj. dispozicije otpadnih voda. Dodatna ušteda je korišćenje granulata.

U raspoloživoj literaturi postoji niz metodologija za procenu i izbor procesa bez ili sa malo

otpadnih materijala (otpadnih voda) i energije.