Lavage du charbon et chlorure de zinc: Une combinaison cruciale

Lavage du charbon et chlorure de zinc : une combinaison cruciale

Le charbon extrait n’est pas un matériau digne de la combustion moderne, en raison de sa grande quantité de composés soufrés, entre autres. Lorsqu’ils sont brûlés, ils libèrent des gaz toxiques. Le lavage du charbon réduit la quantité de ces gaz libérés lors de la combustion - en aidant à les éliminer du charbon. L’ajout de chlorure de zinc à un procédé d’enrichissement du charbon peut conduire à la production de produits à charbon actif.

Une introduction au lavage du charbon

Le lavage du charbon - également connu sous le nom d’enrichissement du charbon - est un processus par lequel le charbon extrait est traité avec de l’eau pour éliminer le soufre et d’autres impuretés avant d’être brûlé comme combustible. Le lavage du charbon fait partie de la préparation du charbon, qui comprend d’autres étapes telles que le concassage et le calibrage. Les impuretés peuvent inclure le sol et d’autres roches, en plus des composés soufrés. Une fois lavé, le
charbon
aura une teneur globale en cendres plus faible, ce qui signifie qu’il est plus facile à transporter et qu’il s’agit d’un combustible de meilleure qualité(1). La teneur en cendres peut être réduite d’environ 40 à 45% à aussi bas que 30%. Dans le cadre du processus, le charbon doit être déshydraté, ce qui est généralement réalisé par centrifugation, criblage des boues ou filtration conventionnelle, selon le type de charbon.

Les carburants à forte teneur en soufre sont peu performants sur le plan environnemental - libérant des oxydes de soufre dans l’atmosphère, ce qui entraîne une pollution atmosphérique et des pluies acides.

L’une des préoccupations liées au lavage au charbon est la quantité d’eau utilisée. Les valeurs d’environ 45 mètres cubes par tonne de charbon sont monnaie courante. C’est-à-dire qu’il faut 45 tonnes d’eau pour laver une tonne de charbon. Le lavage du charbon fait référence à l’ensemble des processus d’amélioration du charbon.

Lavabilité

La lavabilité fait référence à l’essai d’une substance particulière afin de déterminer les conditions idéales pour éliminer les impuretés, qui est calculée sur une base de densité. Les méthodes standard actuelles pour calculer cela, dans le cas du charbon, comprennent la chute d’un échantillon dans un liquide de densité connue et la mesure du temps nécessaire pour couler. C’est ce qu’on appelle les essais de flottaison et de descente. Le charbon a une densité d’environ 1 300 kg m-3, tandis que les matières minérales (c’est-à-dire les impuretés présentes, « cendres ») ont souvent des densités supérieures à 2 000 kg ^m-3(2). On peut donc en déduire qu’un échantillon de charbon de densité plus élevée contiendra une proportion plus élevée de cendres - parce que les cendres sont plus denses que le charbon(3). La norme pour les liquides de densité connue a tendance à être de nature organique - perchloroéthylène, bromoforme et tétrabromoéthane. L’inconvénient est qu’ils sont tous toxiques et qu’ils sont tous volatils par rapport à l’eau. Les solutions concentrées ou saturées de chlorure de zinc dans l’eau deviennent des solutions de rechange populaires aux solvants organiques pour les essais de lavabilité(4). La différence de teneur en humidité est bien connue et prise en compte, les effets de surface tels que la solubilité du côté du charbon étant minimes(5). Les solutions de chlorure de zinc ont tendance à être utilisées pour les essais en flottaison et en puits dans le régime de 1 200 à 1 800 kg ^m-3 (6).

Eau propre versant après filtrage par le milieu de filtre en verre

Séparation lourde des milieux

Basée sur les principes établis dans les essais de lavabilité, la séparation des milieux lourds est une méthode utilisée pour éliminer certains composés d’un mélange. Elle repose sur la gravité spécifique d’un matériau supérieure ou inférieure à celle du liquide dans lequel il a été placé. La modulation de ce principe peut entraîner l’ajout d’un échantillon à un liquide, avec un matériau à haute densité qui s’enfonce et un matériau à faible densité qui flotte(7). Une extension simple du processus même utilisé pour déterminer la lavabilité est le processus utilisé pour séparer les fluides lourds dans le lavage du charbon. Le principal minéral contenant du soufre dans le charbon est la pyrite, qui, dans la séparation des milieux lourds, coule.

Souvent, une combinaison de solution saturée de chlorure de zinc avec un autre solvant est utilisée pour assurer une certaine densité, et donc un comportement de séparation spécifique. C’est le cas, par exemple, de la séparation de charbon hautement bitumineux d’une mine en Turquie, où une solution d’alcool isopropylique, de tétrachlorure de carbone et de chlorure de zinc d’une densité de 1 400 kg ^m-3 a été utilisée(8). Le charbon - bien que de qualité relativement médiocre - flottait et était complètement séparé des cendres et autres minéraux, qui ont coulé.

L’utilisation d’une gamme de solutions de chlorure de zinc à des densités allant de 1 100 à 1 750 kg ^m-3 a été utilisée pour sonder les effets du processus de flottaison de la mousse sur le lignite de lavage. Le processus de moussage est un développement du procédé conventionnel de séparation des milieux lourds, utilisant du kérosène pour améliorer la collecte de la matière organique souhaitée - qui flotte. Plus de 90 % des composés soufrés du lignite ont été éliminés, mais avec peu d’effet en raison de la densité du chlorure de zinc en solution(9). La quantité de ZnCl₂ présente dans cette étude ne semblait pas avoir beaucoup d’importance.

Fondamentalement, ces deux exemples montrent le potentiel d’amélioration des charbons de qualité inférieure comme le lignite. Ceci est important car plus de 50% des gisements de charbon restants dans le monde sont des exemples de charbons de qualité inférieure(10).

Chlorure de zinc et carbone : réactivité

Pour ne pas être en reste avec des propriétés et des utilisations basées uniquement sur les techniques de séparation physico-chimique, le charbon et le chlorure de zinc sont réactifs l’un avec l’autre. La déshydrogénation spécifique du charbon exposé au chlorure de zinc représente environ 12 % de l’hydrogène contenu dans le charbon lui-même(11). Ceci est particulièrement intéressant car une telle déshydrogénation peut se produire à des températures inférieures à celles auxquelles la pyrolyse se produirait normalement(12). C’est ce comportement réactif qui conduit, en partie, à la production de composés de charbon actif à partir du charbon. Il convient de noter que lors de la pyrolyse de charbons ayant une teneur en soufre supérieure à la moyenne, du sulfure de zinc peut se former, ce qui réduit efficacement la désulfuration(13).

Production de composés de charbon actif

Le
charbon actif (également connu sous le nom de charbon actif) est une forme de charbon qui a été traitée de telle sorte qu’elle a de nombreux pores petits et de faible volume. La présence de tels pores crée une surface massive - qui est alors disponible pour des réactions chimiques ou des processus d’adsorption. Il est généralement dérivé du charbon de bois, mais il existe des méthodes pour le fabriquer à partir de sources de carbone de qualité inférieure, telles que le charbon bitumineux, en utilisant des composés tels que l’oxyde de zinc.

Le chlorure de zinc est essentiel à l’activation du charbon, où il se comporte principalement comme un agent déshydratant post-carbonisation (chauffage à température relativement basse). L’évolution du volume des pores augmente avec une plus grande quantité d’activation du chlorure de zinc, ce qui rend le produit final plus actif(14). Le procédé consiste à mélanger du charbon broyé ou bitumineux avec une solution concentrée de chlorure de zinc avant de laisser sécher la boue obtenue à 110 °C pendant 14 heures - cette méthode étant particulièrement appréciée en raison de la déshydratation uniforme(15). Le carbone produit avait une porosité bien développée et - cruciale - uniforme tout au long. La teneur en soufre a été considérablement réduite - la solution de chlorure de zinc fournissant un effet lavant.

Pour les charbons actifs, une augmentation de la taille des particules du précurseur du charbon entraîne une réduction de la porosité du matériau carboné résultant(16), même lorsqu’il est produit à des températures de forçage incroyables. Il est donc impératif qu’un lavage suffisant ait lieu au préalable.

Dans la préparation de charbons actifs à partir d’acides humiques à base de charbon (c’est-à-dire ceux provenant du sol), il a été démontré qu’un rapport de 2:1 de chlorure de zinc à acide humique est le plus efficace pour produire des charbons actifs enrichis en oxygène(17), à une température de 500 °C, pour être utilisés comme électrodes. Le traitement au chlorure de zinc du charbon s’est avéré crucial pour assurer la porosité requise. Les utilisations de composés de charbon actif produits avec du chlorure de zinc indiquent l’élimination du mercure élémentaire des gaz de combustion, où la surface élevée du carbone a éliminé 91,4 % du mercure du flux gazeux - le chlorure de zinc étant responsable d’assurer une adsorption efficace(18).

le principal tambour de l'usine de traitement des minéraux

Après le lavage du charbon

Comme mentionné, le lavage du charbon utilise de grandes quantités d’eau - et le processus ne garantit pas qu’aucun « bon » matériau de charbon n’est lessivé dans les eaux usées. Le lavage des eaux usées du charbon, comme de nombreux autres flux de déchets industriels, peut présenter une occasion d’accroître l’efficacité globale de l’usine grâce à un processus de traitement. La majeure partie de la composition en suspension ou dissoute des eaux usées est constituée de cendres volantes. Des coagulants à base de cendres volantes et de sels de calcium non toxiques(19) ont été mis au point pour éliminer plus de 99 % des solides en suspension et des ions métalliques résiduels des eaux usées de lavage du charbon. Les cendres volantes récupérées du charbon peuvent être utilisées pour améliorer les procédés de digestion anaérobie(20). Le traitement des eaux usées permet de les rejeter dans les égouts conventionnels.

Résumé

Le lavage du charbon est le processus global de traitement du charbon pour éliminer les impuretés et ajouter de la valeur
Le soufre, souvent sous forme de pyrite, est le contaminant le plus important à éliminer car sa combustion entraîne une grave pollution atmosphérique.
Les solutions de chlorure de zinc sont utilisées pour les essais de lavabilité, afin de déterminer la meilleure façon de séparer les matériaux charbonniers les uns des autres, et remplacent les solvants toxiques et/ou organiques
La séparation lourde des milieux est la méthode prédominante pour séparer les teneurs en charbon, en fonction de la densité. La solution de chlorure de zinc est utilisée comme milieu
Le chlorure de zinc et le charbon sont réactifs dans certaines conditions et le ZnCl₂ est largement utilisé dans la production de charbons actifs, même à partir de charbons de mauvaise qualité tels que le lignite.

Références

1 A. Bahrami et al., Int. J. Charbon Sci. Tech., 2018, 5, 374

2 K. P. Gavin, Int. J. Préparation du charbon. Utilisation, 2006, 4, 209

3 G. H. Luttrell et coll., Optimum Cut Points for Heavy Medium Separations, dans : R. Q. Honaker et W. R. Forrest, éd., Advances in Gravity Concentration, SME, Colorado, 2003

4 B. van Emden et al., ACARP Report, 1999, C7047

5 J. A. Luppens et A. P. Hoeft, J. Coal Quality, 1991, 10, 133

6 S. Pradhan et S. Mohanta, IOPSci Notes, 2020, 1, 24403
7 E. Karami et al., Séparation Sci. Tech., 2020, 55, 386

8 Z. Aktaś et al., Processus de carburant. Tech., 1998, 55, 235

9 K. Ceylan et M. Z. Küçük, Energ. Conserver. Gestion, 2004, 45, 1407

10 W. Xia et coll., Powder Tech., 2015, 277, 206

11 B. Xing et al., Curr. Nanosci., 2015, 11, 439

12 G. Ghosh et coll., Energy Fuels, 1988, 2, 224.

13 A. Linares-Solano et coll., Energy Fuels, 1996, 10, 1108

14 J. M. Palacios et coll., Fuel, 1991, 70, 727

15 A. Ahmadpour et D. D. Do, Carbon, 1996, 34, 471

16 M. M. Dubinin et coll., Carbon, 1989, 27, 457