Briquetado de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada utilizando bentonita como aglutinante inorgánico

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 8716 (2022) Citar este artículo

1520 Accesos

3 citas

Detalles de métricas

El uso de aglutinantes inorgánicos para la briquetación de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada para la generación de energía es escaso. El presente estudio se centra en la durabilidad físico-mecánica y el contenido energético de briquetas producidas a partir de carbón subbituminoso (SubC) y biomasa torrefactada (TM) utilizando bentonita como aglomerante. Las briquetas se produjeron utilizando 95 % de SubC y 5 % de TM. La bentonita se varió entre el 2% y el 10% del peso total de SubC y TM. Las briquetas se produjeron a presión constante (28 MPa) en una prensa hidráulica. Las briquetas se curaron principalmente a temperatura ambiente y luego a 300 \(^\circ{\rm C}\) en un horno tubular en condiciones inertes durante 60 min. Se evaluó la densidad y resistencia al agua (WRI) de las briquetas. Se obtuvieron la caída a la fractura (DF), el índice de resistencia al impacto (IRI), la resistencia al aplastamiento en frío (CCS) y el índice de resistencia a la caída (TSI+3 mm) de la briqueta. Los análisis del índice de reactividad (RI), del valor aproximado, último y calorífico se evaluaron con base en diferentes normas ASTM. Los estudios microestructurales y el mapeo elemental se llevaron a cabo utilizando un microscopio electrónico de barrido equipado con EDS y un microanalizador de sonda electrónica. La densidad aumentó con el incremento del contenido de bentonita. El WRI disminuyó con el aumento de bentonita, mientras que el menor (95,21%) se obtuvo con un contenido de aglutinante del 10%. El DF y el IRI oscilan entre 100 y 150 y entre 2000 y 3000, respectivamente. Los CCS estuvieron en el rango de 19,71 a 40,23 MPa. El RI varía del 34 al 50%. El carbono fijo, el carbono y los valores caloríficos se deterioraron a medida que aumenta el contenido de bentonita en la briqueta. En las micrografías de las briquetas se observaron puentes de oxígeno y sílice con enclavamiento mecánico. Las briquetas producidas con un contenido de bentonita del 2% tienen mejor durabilidad físico-mecánica con un contenido energético equivalente. Se recomienda como materia prima para aplicaciones térmicas y metalúrgicas.

La generación de residuos es una parte integral del hombre. Algunos de estos desechos son buenas materias primas para diversas aplicaciones industriales y domésticas. Los residuos de la minería, manipulación y transporte del carbón siempre se expresan en millones de toneladas1. Los finos de carbón (< 3 mm) a menudo se denominan desechos y se producen inevitablemente cuando se procesa o manipula carbón en trozos2,3. También se ha informado que los desechos de las industrias de procesamiento de madera ascienden a millones de toneladas, especialmente en los países en desarrollo4,5. Estos desechos han resultado útiles en diversas áreas de aplicaciones que incluyen generación de energía6,7, refuerzo en compuestos de matriz metálica8,9,10, sistemas microelectromecánicos3, entre otros. Predominantemente, los países en desarrollo tienen problemas peculiares con una combinación energética baja. Así, investigadores de diversos campos siguen aprovechando estos residuos (carbón y biomasa) como posibles fuentes de energía adicionales a las existentes. Adeleke11 mejoró el contenido energético de los residuos de biomasa mediante una pirólisis suave y lo añadió a residuos de carbón de calidad pobre para producir briquetas compuestas. Las briquetas de combustible producidas fueron recomendadas para uso industrial y doméstico. Adeleke et al.12 produjeron briquetas a partir de biomasa mejorada y finos de carbón como combustible sólido. Se informó que las briquetas eran mecánicamente estables y tenían buenas características de combustión. Trubetskaya et al.13 caracterizaron briquetas de estufas de leña a partir de biomasa torrefacta y carbón. La materia inorgánica influyó menos en la reactividad de las briquetas que la composición orgánica de las materias primas. La porosidad de las briquetas disminuyó con el aumento de la materia inorgánica. No se informaron las integridades físico-mecánicas de las briquetas. Guo et al.14 optimizaron aglutinantes compuestos para briquetas de lignito. Los aglutinantes utilizados fueron alcohol polivinílico y humato de sodio. Se obtuvieron humato de sodio (2% en peso) y alcohol polivinílico (0,5% en peso) como aglutinante compuesto óptimo para una mejor resistencia mecánica. Las briquetas de lignito se recomendaron para aplicaciones industriales. En un intento por producir briquetas fuertes a partir de desechos de carbón, Zhong et al.15 mezclaron melaza y brea de alquitrán de hulla como aglutinante. Se informó que la mejor briqueta producida tenía una resistencia a la compresión de 13,06 MPa con una caída hasta la fractura de 56,6 veces/2 m. Las briquetas se produjeron principalmente para los procesos de fabricación de hierro COREX. Adeleke et al.2 produjeron y caracterizaron briquetas compuestas a partir de finos de carbón y madera utilizando un aglutinante de brea. Los finos de madera se torreficaron inicialmente para mejorar el poder calorífico y mejorar sus propiedades adhesivas. Las briquetas se produjeron con entre un 3% y un 20% de biomasa torrefactada y entre un 80% y un 97% de finos de carbón. Para las briquetas compuestas se registraron una resistencia óptima al aplastamiento en frío de 4 MPa, una caída hasta la fractura de 54 veces/2 m y un índice de resistencia al impacto de 1350. Las briquetas fueron recomendadas para aplicaciones industriales. Adeleke et al.4 produjeron además briquetas a partir de biomasa torrefactada y carbón, utilizando melaza y brea mezclada como aglutinantes. Se evaluaron el índice de resistencia a la caída (TSI+3 mm) y el índice de reactividad (RI) de las muestras para su posible uso como materia prima en aplicaciones metalúrgicas. El TSI+3 mm se obtuvo para las muestras curadas y las muestras expuestas a 1200 \(^\circ{\rm C}\). El TSI+3 mm de las muestras de briquetas curadas estuvo entre 95,5 y 98,3%, lo que disminuyó drásticamente a 57,4–77,4% para las muestras expuestas a 1200 \(^\circ{\rm C}\). El RI de las briquetas estuvo entre 48 y 56%, y fue una indicación de alta reactividad. Como resultado de TSI+3 mm y RI, se informó que las briquetas eran apropiadas como material carbonoso, especialmente en hornos rotatorios para la fabricación de hierro de reducción directa. Existe un debate interminable sobre la estabilidad mecánica de diversas briquetas producidas como compuestos de carbón y biomasa. Esto llevó a un renovado interés en el uso de varios tipos de aglutinantes para producir briquetas con mejor resistencia mecánica sin comprometer su valor energético. En última instancia, esto podría guiar a investigadores e industriales hacia propiedades mecánicas y energéticas aceptables estandarizadas de las briquetas de combustible sólido. Así, el presente estudio se centra en mejorar la integridad mecánica de briquetas producidas a partir de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada utilizando bentonita, que es un aglomerante inorgánico. La bentonita es un filosilicato de aluminio que se obtiene frecuentemente de la alteración de cenizas volcánicas. Este aglomerante está disponible en millones de toneladas en Nigeria16. La bentonita es un buen aglutinante con tendencia a mejorar la resistencia de las briquetas sin añadir contaminantes a los materiales compuestos17. El presente estudio se propone basándose en un trabajo de investigación limitado sobre el uso de bentonita como aglutinante para la briquetación de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada. Las briquetas se producen a partir de carbón subbituminoso (95%) y biomasa torrefactada (5%), variando la bentonita en función del peso total de las briquetas del 2 al 10%. Se realizaron análisis físico-mecánicos y de contenido energético de las briquetas. Se espera que el uso de bentonita como aglutinante inorgánico mejore las propiedades físico-mecánicas de las briquetas híbridas. Esto servirá como buena comparación para las briquetas producidas a partir de otros aglutinantes orgánicos e inorgánicos.

Los materiales utilizados para la producción de briquetas en este estudio fueron finos de carbón subbituminoso (SubC), biomasa leñosa de melina (MWB) y bentonita. SubC se obtuvo de la mina Okaba, Nigeria, mientras que MWB se obtuvo de la ciudad de Benin, Nigeria. Se utilizó bentonita como aglutinante y se obtuvo de Jamshedpur, India. Estas materias primas se muestran en la Fig. 1.

Materias primas (a) carbón subbituminoso, (b) biomasa torrefacta, (c) bentonita.

Los finos de carbón subbituminoso se pulverizaron, se secaron al sol y se cribaron a menos de 0,70 mm. Se realizó un secado adicional en un horno a 105 \(^\circ{\rm C}\) durante 30 minutos para eliminar la humedad ilimitada como lo describieron previamente Adeleke et al.1. El valor aproximado, final y calorífico (HHV) según lo informado por Adeleke et al.2 se muestran en la Tabla 1. Odusote et al.7 también informaron los detalles de la torrefacción de la melina. La biomasa torrefactada utilizada fue inferior a 0,70 mm. La Tabla 1 mostró los valores aproximados, finales y caloríficos de la biomasa torrefactada. La bentonita se secó al sol y se tamizó hasta obtener un tamaño de partícula inferior a 0,70 mm. Esto tenía como objetivo lograr uniformidad en los tamaños de partículas para todos los materiales compuestos y aglutinantes. La composición química (óxidos) de la bentonita se obtuvo mediante espectrómetro de fluorescencia de rayos X (modelo Bruker 58 TIGER). Las composiciones se presentan en la Tabla 1.

Se mezclaron mecánicamente finos de carbón subbituminoso (95% de 25 g), biomasa torrefacta (5% de 25 g) y bentonita (2-10% del peso total de la briqueta). Se añadió agua como 10% del peso total de carbón y biomasa torrefactada, y todos los materiales se mezclaron usando un agitador mecánico a 50 rpm durante cinco (5 minutos) para obtener homogeneidad. A continuación se distribuyó la mezcla a través de una matriz cilíndrica de 25 mm de diámetro interno. Se usó una prensa hidráulica a una presión constante de 28 MPa para comprimir la mezcla en briquetas. La carga se retiró gradualmente del molde y luego la muestra se expulsó del molde. Las briquetas verdes se dejaron secar a temperatura ambiente durante 36 h. El curado adicional de las muestras se realizó introduciendo nitrógeno (50 ml/min) en un horno tubular para formar un ambiente inerte a una temperatura de 300 \(^\circ{\rm C}\) durante un tiempo de residencia de 60 min. Las muestras se retiraron y se colocaron en un desecador para enfriarlas a temperatura ambiente. Las muestras se conservaron en una bolsa con cierre hermético antes de la evaluación de la integridad físico-mecánica y del contenido energético.

La integridad física se juzga con propiedades físicas como la densidad y el índice de resistencia al agua (WRI). Las densidades de las briquetas se obtuvieron utilizando la Ec. (1), donde m es masa y v es volumen. La resistencia al agua se obtuvo utilizando el método de Richard modificado18. Se sumergió una briqueta con peso (\({\mathrm{W}}_{1}\)) en un vaso cilíndrico que contiene agua destilada de 200 ml de volumen a \(30\pm 2\mathrm{^\circ{\rm C} }\) durante 30 min. Luego se retiró la muestra de briquetas y se limpió para reducir el agua en su superficie. Posteriormente, la muestra se volvió a pesar como \({\mathrm{W}}_{2}\). Se determinó el cambio relativo en peso de la briqueta y se evaluó el porcentaje de absorción de agua utilizando la ecuación. (2) mientras que el WRI (%) se obtuvo utilizando la ecuación. (3).

La integridad mecánica de las briquetas es una medida de las propiedades mecánicas de las briquetas. Estos incluyen resistencia al aplastamiento en frío (CCS), caída hasta fractura (DF), índice de resistencia al impacto (IRI) e índice de resistencia a la caída (TS1+3 mm). Para obtener el CCS se utilizó una máquina de ensayo mecánica universal (aparato Hounsfield de 10 Kw). El modo de compresión de la máquina se utilizó según lo estipulado para coque y briquetas19. Se anotó la carga máxima de trituración (\({\mathrm{M}}_{\mathrm{f}}\)) que la briqueta puede soportar antes del agrietamiento y se hizo por triplicado para cada briqueta. Luego se utilizó el promedio \({\mathrm{M}}_{\mathrm{f}}\) para determinar la CCS según la ecuación. (4). En la ecuación. (4), D es el diámetro circular inferior de la briqueta. El DF se llevó a cabo dejando caer la muestra de briqueta desde una altura de 2 m hasta que se rompiera. Se anotó el tiempo medio/2 m que tarda en romperse. Se utilizó el promedio de tres réplicas para evaluar la resistencia a la caída. El IRI se obtuvo de la prueba DF utilizando la ecuación. (5).

El índice de resistencia a la caída (TS1+3 mm) de las briquetas se obtuvo utilizando el método reportado en el estudio de Adeleke et al.4. Algunas muestras se expusieron a 1200 \(^\circ{\rm C}\) en un horno y se mantuvieron durante 2 h. Los curados y los expuestos a 1200 \(^\circ{\rm C}\) fueron adoptados para la prueba de volteo. Se colocaron tres muestras de briquetas de peso identificado (\({\mathrm{W}}_{\mathrm{o}}\)) en un tubo de acero (40 mm de diámetro interior, 200 mm de longitud) y se les permitió girar a una velocidad velocidad de 30 rpm durante 20 min. Después de agitarlas, las muestras se retiraron y luego se tamizaron en un tamiz de 3,15 mm. Se pesaron las partículas de + 3 mm de la muestra. Los valores obtenidos se utilizaron para evaluar el TS1+3 mm de acuerdo con la Ec. (6).

donde \({W}_{+3mm}\) y \({W}_{o}\) son el peso de tamaños de partículas de + 3 mm y muestras iniciales, respectivamente.

La reactividad de las muestras de briquetas se realizó de acuerdo con la norma ASTM D5341M-1420. Los detalles de este método se informaron en nuestro estudio anterior2. El RI se obtuvo por duplicado para cada muestra. Los análisis de Proximate proyectan el contenido de humedad (MC), cenizas, materia volátil (VM) y carbono fijo (FC) de las muestras pulverizadas y se realizó siguiendo la norma IS: 1350-121. El análisis final (Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Azufre y Oxígeno) para la briqueta pulverizada se realizó con base en la norma ASTM D5373-1622 mientras que el poder calorífico se obtuvo de acuerdo con la norma ASTM D5865-0423 utilizando un calorímetro de bomba de oxígeno (Modelo A1290DDEE). .

Las microestructuras de las briquetas se observaron bajo un microscopio electrónico de barrido (Nova Nano SEM 430) equipado con EDS. La briqueta con 2% de bentonita se expuso a mapeo elemental bajo el microanalizador de sonda electrónica equipado con EDX (modelo JEOL 8230). Esto se debió a que proporcionaba el mejor valor energético. De ahí la necesidad de comprender la extensión y cobertura de cada elemento dentro de su formación.

La densidad es una propiedad física vital de las briquetas de combustible. Una mayor densidad implica una mayor relación energía/volumen. Las densidades de las briquetas verdes y curadas se muestran en la Fig. 2a. Las densidades de las muestras verdes estuvieron en el rango de 1,48 a 1,64 g/cm3. Las densidades de las briquetas curadas estuvieron entre 1,24 y 1,44 g/cm3. La densidad de la briqueta aumentó con el aumento del contenido de bentonita. Esto implicó que la bentonita es más densa y por tanto, un aumento de densidad. El proceso de curado condujo a una reducción de la densidad. Esto se espera ya que la pérdida ilimitada de humedad, la evolución de volátiles ligeros y el secado reactivo se producen a 300 \(^\circ{\rm C}\)24. La densidad de las briquetas producidas en este estudio es un poco mayor que en nuestros estudios anteriores1,2. Esto se debe a la adición de bentonita, que es más densa que los aglutinantes (melaza y brea) utilizados en esos estudios. Los materiales con partículas más finas poseen una gran superficie de unión. Esto también puede ser responsable de la mayor densidad, ya que la bentonita es por naturaleza más fina que el aglutinante de brea. Una mayor cantidad de bentonita en las briquetas podría hacerlas aún más densas. Si bien no existen valores estándar aceptables para las briquetas, una mayor densidad es buena para el transporte, ya que reduce el costo y prolonga el tiempo de combustión25. Sin embargo, las propiedades de combustión de las briquetas de muy alta densidad se ven afectadas negativamente. De ahí la necesidad de equilibrio. Richard18 es una referencia ampliamente aceptable para las propiedades de las briquetas. La densidad recomendada para briquetas aceptables de uso industrial y doméstico oscila entre 1,25 y 1,30 g/cm3. Las briquetas con 2 y 4% de bentonita cumplieron este requisito. Las briquetas producidas en este estudio son aptas para transporte, manipulación y almacenamiento. El índice de resistencia al agua (WRI), que se muestra en la figura 2b, indica el grado en que las briquetas pueden resistir la degeneración en un ambiente húmedo. El WRI de las briquetas oscila entre 98,21 y 99,36%. Se pudo observar que el aumento de bentonita condujo a una reducción continua del WRI. Esto indica que la bentonita es de naturaleza hidrófila. Un mayor contenido de bentonita implicaba que se absorbería y retendría más agua en la briqueta. El WRI de las presentes briquetas se compara bien con los trabajos de Mollah et al.26, Zhong et al.15 y Adeleke et al.4. Richard18 comparó el WRI con briquetas aceptables en un 95%. Por implicación, todas las muestras de briquetas producidas superan el punto de referencia. Sin embargo, un mayor contenido de bentonita podría provocar una mayor atracción de humedad. Esto puede provocar la desintegración parcial o total de las briquetas cuando se exponen a condiciones de humedad o en contacto con el agua. Aunque el WRI de las briquetas se compara bien con las briquetas recomendadas para diversas aplicaciones energéticas, deben almacenarse en un lugar con poca o ninguna exposición a la humedad.

Propiedades físicas de las briquetas de combustible (a) densidad, (b) WRI.

La respuesta de la briqueta al deterioro gravitacional es una indicación de su durabilidad mecánica27. La caída hasta la fractura (DF) y el índice de resistencia al impacto (IRI) son herramientas útiles para evaluar la durabilidad. El DF y el IRI para las briquetas en este estudio se muestran en la Fig. 3. El DF varía de 100 a 150 veces/2 m y el más alto se obtuvo con un contenido de bentonita del 10% dentro de la briqueta. La bentonita contiene un alto contenido de SiO2, lo que implica que la fuerza de unión a baja temperatura de los enlaces Si-O-Si podría haber fortalecido las briquetas contra el impacto gravitacional. Los valores de IRI para las briquetas varían de 2000 a 3000. Este rango de valores es extremadamente alto en comparación con el IRI de 50 recomendado para briquetas de aplicaciones industriales18. El IRI de las briquetas producidas utilizando aglutinantes de bentonita es mayor que el obtenido para briquetas de carbón y biomasa utilizando aglutinantes de brea y melaza (150-1175), según lo informado por Adeleke et al.2. Curiosamente, el proceso de curado de las briquetas representó la fuerza de unión de los enlaces Si-O-Si dentro de la bentonita a 300 \(^\circ{\rm C}\) para mejorar el DF y el IRI. Todas las briquetas son una muy buena materia prima que se puede transportar, manipular y almacenar según el DF y el IRI sin degeneración.

Caída para fracturar e IRI para las briquetas de combustible.

La Figura 4 muestra la resistencia al aplastamiento en frío (CCS) de las briquetas. El CCS describe la facilidad de rotura o desgaste durante el transporte, manipulación y almacenamiento de las briquetas. El CCS es también una prueba de fuego de la durabilidad mecánica de las briquetas. La CCS de las briquetas producidas en este estudio estuvo en el rango de 19,72 a 40,12 MPa. La CCS aumentó con el incremento de bentonita en la briqueta. Como se indicó anteriormente, el presente estudio exploró los enlaces Si-O-Si reportados como enlaces fuertes para la fabricación de geopolímeros a baja temperatura para mejorar la CCS de las briquetas4. Cuanto más enlaces Si-O-Si haya en las briquetas, mejor será el CCS. Comparativamente, la briqueta superó todos nuestros estudios anteriores sobre briquetas de carbón y biomasa torrefactada en términos de CCS2,28. La resistencia de las briquetas superó el mínimo de 1,0 MPa recomendado por Borowski y Hycnar29 para briquetas de aplicaciones industriales. La DF, IRI y CCS de las briquetas se vieron influenciadas positivamente por el aumento de bentonita. Las propiedades físico-mecánicas de las briquetas muestran que son esencialmente duraderas y aptas para las condiciones de transporte, manipulación y almacenamiento. Por lo tanto, la bentonita es un aglutinante inorgánico viable para briquetar carbón subbituminoso y biomasa torrefactada hasta obtener combustible duradero.

CCS de las briquetas de combustible.

La Figura 5 muestra el índice de resistencia a la caída (TSI+3 mm) de todas las briquetas. La resistencia a la caída se conoce como resistencia al desgaste y se mide mediante los valores TSI+3 mm. Para todas las briquetas, los índices de resistencia a la caída superaron el 95% recomendado por Richard18 y Thoms30 para briquetas duraderas. Las respuestas de las briquetas en este estudio a las fuerzas de desgaste son ligeramente similares a las de las briquetas producidas utilizando brea y melaza como aglutinante. Hay una mejora en TSI+3 mm para las briquetas en el presente estudio. Esto puede deberse a la fuerza de unión del contenido de bentonita (SiO2, MgO y CaO). El TSI+3 mm de las briquetas curadas fue extremadamente atractivo (>95%) y esto implicó una menor generación de partículas pequeñas (finos) bajo fuerzas de volteo o desgaste durante el manejo, transporte y utilización de la briqueta. El TSI+3 mm de las muestras expuestas a 1200 \(^\circ{\rm C}\) estuvo en el rango de 78,20 a 84,44%. El TSI+3 mm es una imitación de la resistencia del coque después de la reducción (CSR) para el coque. Una CSR del 65% es una indicación de baja reactividad, lo cual es bueno para el coque31,32. En comparación con las muestras de briquetas que solo se curaron antes de la prueba de volteo, se espera que una mayor desvolatilización y degradación del carbón subbituminoso y la biomasa torrefactada reduzcan el TSI+3 mm de aquellos expuestos a 1200 \(^\circ{\rm C}\). Ésta es la razón detrás de la reducción del TSI+3 mm. El índice de resistencia a la caída de 1200 \(^\circ{\rm C}\) se requiere para las briquetas producidas con la intención de un doble propósito (materia prima energética en plantas térmicas y reductor metalúrgico). Por tanto, la resistencia a la caída de las presentes briquetas indica que tendrán resistencia a la degradación por caída bajo un régimen de alta temperatura dentro de un horno rotatorio. Las briquetas son aptas para procesos metalúrgicos en hornos.

Índice de resistencia a la caída de las briquetas de combustible producidas.

Los índices de reactividad (RI) de las briquetas se presentan en la Fig. 6. El RI de las briquetas estaba en el rango de 34 a 50%. La menos reactiva fue la muestra producida con 10%. Cuanto mayor sea el contenido de bentonita, menor será el RI. En esencia, el RI indica la tasa de rendimiento reactivo y la tendencia a la pérdida de masa de las briquetas, especialmente en ambientes oxidantes. Se espera que, durante el uso, las briquetas experimenten pérdidas de peso y contenido debido a la desvolatilización y la degradación. Sin embargo, no debe ser excesivo5. La disminución del RI de las briquetas debido al aumento de la bentonita es un indicio de su extremadamente baja reactividad16. El RI de las muestras estuvo por encima del rango recomendado de 20 a 30 % para el coque normal utilizado en altos hornos como combustible y reductor33. La esencia de la prueba es comprender el comportamiento reactivo de las briquetas elaboradas con aglomerante de bentonita. La prueba ha demostrado que la briqueta reaccionará bien con otras materias primas en un escenario de reducción en un horno rotatorio a \(\le\) 1200 \(^\circ{\rm C}\).

Influencia de la variación del aglutinante en el índice de reactividad (RI) de las briquetas de combustible híbrido.

Se ha opinado que el aglutinante inorgánico utilizado para la producción de briquetas producidas en este estudio afecta drásticamente su contenido energético de forma negativa34. Por lo tanto, los valores aproximado, último y calorífico de la briqueta son la principal prueba de fuego de su contenido energético y utilidad. Chou et al.35 y Ajimotokan et al.36 enfatizaron que las briquetas con buenas propiedades físico-mecánicas y bajo contenido energético producen combustible sólido deficiente. El contenido aproximado se presenta en la Fig. 7. Un aumento en la bentonita condujo a una reducción del carbono fijo (FC), un aumento de las cenizas mientras que la materia volátil y la humedad se mantuvieron constantes. La reducción del carbono fijado indica en gran medida una reducción de los poderes caloríficos (poderes caloríficos). Esto es cierto para estas briquetas, ya que el HHV se redujo de 24 a 17 MJ/kg para las briquetas con 2% a 10% de bentonita, respectivamente. El carbono fijo es un indicador importante de cuán eficiente es el combustible sólido para aplicaciones energéticas y metalúrgicas37. La presencia de SiO2 y otros óxidos inorgánicos en la bentonita juega un papel importante en la disminución del contenido energético. Sin embargo, con un 2% de bentonita, las briquetas mostraron propiedades similares a las reportadas en nuestro estudio anterior2. La FC de las briquetas producidas a partir de carbón y biomasa utilizando aglutinantes orgánicos estuvo en el rango de 65,13 a 65,25%. El aumento del contenido de bentonita dañó el contenido energético de las briquetas y afectará su comportamiento de combustión en uso. Los contenidos de carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N), azufre (S) y oxígeno (O) de las briquetas se presentan en la Tabla 2. En particular, el carbono se redujo con el aumento de bentonita de 72,74 a 63,41%. Esto es de esperarse ya que el FC tuvo una caída. El H, N, S fueron casi constantes mientras que el oxígeno también se redujo con el aumento del contenido de bentonita. Hay una mayor tendencia a que haya más enlaces Si-O-Si con el oxígeno a medida que aumenta la bentonita. Por tanto, se produce un aumento del oxígeno ligado por reacción química. Según todos los indicios, el aumento de bentonita dentro de la briqueta perjudicó un mayor contenido de energía. Así, un 2% de bentonita, que produce una envidiable durabilidad mecánica en las briquetas, es suficiente para unir el carbón subbituminoso y la biomasa torrefactada como combustible sólido.

Análisis inmediatos de muestras con diferentes contenidos de aglutinantes.

Para comprender el mecanismo de unión, se observaron muestras de briquetas al microscopio y las imágenes SEM se presentan en la Fig. 8. Las imágenes (Fig. 8a-e) muestran una estructura granular e irregular con algunos efectos de carga. Zhong et al.15 informaron el efecto de carga para las briquetas de carbón y aumenta con el aumento de bentonita dentro de las briquetas en este presente estudio. La Figura 8e muestra más de esta microestructura. En estudios previos5 se ha aducido que este fenómeno son puentes de oxígeno. Sin embargo, cuando se utiliza bentonita como aglutinante, se pueden tratar de puentes oxígeno-sílice. Los puentes oxígeno-sílice se pronunciaron en la Fig. 8d, e. Junto con el entrelazado mecánico que se puede ver en la composición estructural de las briquetas, los puentes de oxígeno y el contenido de sílice pueden ser responsables de una mayor resistencia con mayor bentonita. En una evaluación crítica, la Fig. 9 proyecta el análisis elemental de cuatro puntos diferentes en la imagen SEM de la Fig. 8e. El oxígeno y el silicio dominaron el área donde los efectos de carga fueron pronunciados (1, 2 y 3), mientras que la mancha oscura (4) contenía más contenido de carbono (83,51%). Este es un complemento a la explicación inicial de que la sílice desempeña un papel importante junto con los puentes de oxígeno en la mejora de la resistencia de las briquetas. En la Fig. 10 se presenta el mapeo elemental de la mejor briqueta en términos de contenido energético (2% de bentonita). El mapeo muestra que el carbono es el elemento predominante en la briqueta. Esto se debe a que el carbón subbituminoso y la biomasa están dominados principalmente por carbono. La Figura 10 también muestra que junto con el carbono se seleccionaron oxígeno, magnesio, aluminio, silicio, azufre, potasio, calcio y hierro. La distribución uniforme de estos elementos es importante para una combustión completa cuando se utilizan briquetas2. Las distribuciones de estos elementos son uniformes en toda la superficie de la briqueta. Ningún elemento es dominante en una posición que pueda inhibir la combustión de la briqueta de combustible en dicha posición.

Imágenes SEM de las briquetas con diferentes contenidos de bentonita (a) 2%, (b) 4%, (c) 6%, (d) 8%, (e) 10%.

Análisis elemental puntual de muestra con 10% de bentonita.

Mapeo elemental de la briqueta con 2% de bentonita.

Se ha estudiado el uso de bentonita como aglutinante inorgánico para el briquetado de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada. Se ha evaluado la durabilidad físico-mecánica y el contenido energético de las briquetas producidas. La bentonita redujo el índice de resistencia al agua de la briqueta. El incremento de bentonita dentro de la briqueta mejoró la resistencia a la caída y a la fractura y al impacto. El índice más alto de caída a fractura y resistencia al impacto para las briquetas fue de 150 veces/2 my 3000, respectivamente. La mayor resistencia al aplastamiento en frío se obtuvo con un contenido de bentonita del 10%. La bentonita perjudicó el contenido energético de las briquetas. El menor contenido energético (17,68 MJ/kg) se obtuvo con un 10% de bentonita. El carbono y otros elementos se distribuyeron uniformemente dentro de las briquetas. Según el equilibrio necesario entre la durabilidad físico-mecánica y el contenido energético, se recomienda un 2% de bentonita como contenido de aglutinante para briquetar carbón subbituminoso y biomasa torrefacta. Las briquetas producidas con un 2% de bentonitas de carbón son una buena materia prima para plantas térmicas y hornos rotativos.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Adeleke, AA y cols. Densificación de finos de carbón y biomasa ligeramente torrefactada en combustible compuesto utilizando diferentes aglutinantes orgánicos. Helio 5, e02160. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e02160 (2019).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Adeleke, AA y cols. Características físicas y mecánicas de briquetas compuestas de carbón y finos de madera pretratada. En t. J. Ciencia del carbón. Tecnología. 8, 1088–1098. https://doi.org/10.1007/s40789-021-00438-0 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Adeleke, AA y cols. Sostenibilidad del uso multifacético de la biomasa: una revisión. Helio 7, e08025. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e08025 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Adeleke, AA y cols. Resistencia a la caída e índice de reactividad de briquetas de combustible híbrido de carbón y biomasa. Alex. Ing. J. 60, 4619–4625. https://doi.org/10.1016/j.aej.2021.03.069 (2021).

Artículo de Google Scholar

Florentino-Madiedo, L., Díaz-Faes, E. & Barriocanal, C. Reactividad de biomasa que contiene briquetas para la producción de coque metalúrgico. Proceso de combustible. Tecnología. 193, 212–220. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2019.05.017 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Adeleke, AA y cols. Conceptos básicos esenciales sobre torrefacción, densificación y utilización de biomasa. En t. J. Energía. Res. 45, 1375-1395. https://doi.org/10.1002/er.5884 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Odusote, JK, Adeleke, AA, Lasode, OA, Malathi, M. & Paswan, D. Propiedades térmicas y compositivas de Tectona grandis tratada. Conversión de biomasa. Biorref. 9, 511–519. https://doi.org/10.1007/s13399-019-00398-1 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Ikubanni, P., Oki, M., Adeleke, A., Adesina, O. y Omoniyi, P. Características físico-tribológicas y mecanismo de desgaste de compuestos de matriz híbrida reforzada al6063. Acta Metallur. Eslovaco. 27, 172-179. https://doi.org/10.36547/ams.27.4.1084 (2021)

Ikubanni, PP, Oki, M., Adeleke, AA & Agboola, OO Optimización de las propiedades tribológicas de compuestos híbridos de matriz de aluminio reforzado utilizando el análisis relacional de Taguchi y Grey. Ciencia. África. 12, e00839. https://doi.org/10.1016/j.sciaf.2021.e00839 (2019).

Artículo de Google Scholar

Ikubanni, PP, Oki, M., Adeleke, AA & Omoniyi, PO Síntesis, caracterización físico-mecánica y microestructural de compuestos reforzados híbridos Al6063/SiC/PKSA. Ciencia. Representante 11 (14845), 1-13. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94420-0 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Adeleke, AA Briquetas de combustible híbrido a partir de finos de carbón y biomasa leñosa torrefactada. Doctor. Tesis. Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Ilorin (2018).

Adeleke, AA y cols. Evaluación de las características de descomposición térmica y parámetros cinéticos de la madera de melina. Biocombustibles 13, 117-123. https://doi.org/10.1080/17597269.2019.1646541 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Trubetskaya, A. y col. Caracterización de briquetas para estufas de leña a partir de biomasa torrefactada y carbón. Energía 171, 853–865. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.064 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Guo, Z. et al. Optimización del aglomerante compuesto para briquetas de polvo de lignito. En t. J. Preparación de carbón. Utiliz. https://doi.org/10.1080/19392699.2021.1927001 (2021).

Artículo de Google Scholar

Zhong, Q., Yang, Y., Li, Q., Xu, B. & Jiang, T. Aglutinante mezclado de brea de alquitrán de hulla y melaza para la producción de briquetas de carbón formadas a partir de carbón altamente volátil. Proceso de combustible. Tecnología. 157, 12-19. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2016.11.005 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Abdullahi, SL & Audu, AA Análisis comparativo de la composición química de arcillas de bentonita obtenidas de los depósitos de Ashaka y Tango en el estado de Gombe, Nigeria. ChemSearch J. 8, 35–40 (2017).

Google Académico

Olugbade, T., Ojo, O. & Mohammed, T. Influencia de los aglutinantes en las propiedades de combustión de briquetas de biomasa: una revisión reciente. Bioenergía Res. 12, 241–259. https://doi.org/10.1007/s12155-019-09973-w (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Richard, SR Briquetado de turba y mezclas de turba y carbón. Proceso de combustible. Tecnología. 25, 175-190 (1990).

Artículo de Google Scholar

Zhong, Q., Yang, Y., Jiang, T., Li, Q. y Xu, B. Activación con xileno de las características de unión de brea de alquitrán de hulla para la producción de briquetas de calidad metalúrgica a partir de brisa de coque. Proceso de combustible. Tecnología. 148, 12-18. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2016.02.026 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Estándar americano de pruebas y materiales. ASTM D5341M-14, Método de prueba estándar para medir el índice de reactividad del coque (CRI) y la resistencia del coque después de la reacción (CSR). https://www.astm.org. (ASTM Internacional, 2014).

ES: 1350-1. Métodos de prueba estándar indios para carbón y coque, Parte 1: Análisis próximo PCD 7: Combustibles minerales sólidos, reafirmado en 2002, cuarta reimpresión, julio de 2006. (Oficina de Estándares Indios, 1984).

ASTM D5373-16. Métodos de prueba estándar para la determinación de carbono, hidrógeno y nitrógeno en muestras de análisis de carbón y carbono en muestras de análisis de carbón y coque. https://www.astm.org. (ASTM Internacional, 2016).

Norma ASTM D5865-04. Método de prueba estándar para el poder calorífico bruto del carbón y el coque. https://www.astm.org (ASTM Internacional, 2004).

Mollah, MM, Marshall, M., Jackson, WR y Chaffee, AL Intenta producir coque de alto horno a partir de lignito victoriano. 2. Briquetado en caliente, curado al aire y mayor temperatura de carbonización. Combustible 173, 268–276. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.01.053 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Kpalo, SY, Zainuddin, MF & Manaf, LA Producción y caracterización de briquetas híbridas a partir de mazorcas de maíz y corteza de tronco de palma aceitera bajo una técnica de densificación a baja presión. Sostenibilidad 12, 2468. https://doi.org/10.3390/su12062468 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Mollah, MM, Marshall, M., Sakurovs, R., Jackson, WR y Chaffee, AL Intenta producir coque de alto horno a partir de lignito victoriano. 3. Carbón deshidratado hidrotermalmente y lavado con ácido como precursor de coque de alto horno. Combustible 180, 597–605. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.04.075 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, G., Sun, Y. y Xu, Y. Revisión de aglutinantes de briquetas y mecanismo de briquetas. Renovar. Sostener. Energía Rev. 82, 477–487. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.072 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Adeleke, AA y cols. La inflamabilidad, la proporción de combustible y las temperaturas de fusión de las cenizas de la biomasa leñosa torrefactada. Helio 6, e03582. https://doi.org/10.1016/j.helion.2020.e03582 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Borowski, G. & Hycnar, JJ Utilización de residuos finos de carbón como briquetas de combustible. En t. J. Preparación de carbón. Utiliz. 33, 194–204. https://doi.org/10.1080/19392699.2013.787993 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Thoms, LJ, Snape, CE y Taylor, D. Características físicas de briquetas de brisa de antracita/coque curadas en frío preparadas a partir de una resina ácida de alquitrán de hulla. Combustible 78, 1691–1695. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(99)00116-7 (1999).

Artículo CAS Google Scholar

Holuszko, ME et al. Efectos de los líquidos orgánicos sobre las propiedades de coquización de un carbón del oeste de Canadá más inerte. Proceso de combustible. Tecnología. 155, 225–231. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2016.06.021 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Nieto-Delgado, C. et al. Briquetas de antracita aglomeradas como combustible alternativo al coque metalúrgico: rendimiento a escala real en hornos de cubilote. Combustible 121, 39–47. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.12.034 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Rodero, JI et al. Reactividad del coque metalúrgico y de alto horno y su determinación mediante análisis termogravimétrico. Hierro. Máquina de acero. 42, 618–623. https://doi.org/10.1179/1743281215Y.0000000016 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Altun, NE, Hicyilmaz, C. & Bagci, AS Características de combustión de briquetas de carbón. 1. Características térmicas. Combustibles energéticos 17, 1266–1276. https://doi.org/10.1021/ef0202891 (2003).

Artículo CAS Google Scholar

Chou, C.-S., Lin, S.-H. y Lu, W.-C. Preparación y caracterización de combustible de biomasa sólida elaborado a partir de paja de arroz y salvado de arroz. Proceso de combustible. Tecnología. 90, 980–987. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2009.04.012 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Ajimotokan, HA et al. Características de combustión de briquetas de combustible elaboradas a partir de partículas de carbón y aglomerados de aserrín. Ciencia. África. 6, e00202. https://doi.org/10.1016/j.sciaf.2019.e00202 (2019).

Artículo de Google Scholar

Abnisa, F., Arami-Niya, A., Daud, WMAW y Sahu, JN Caracterización de bioaceite y biocarbón procedente de la pirólisis de desechos de aceite de palma. Bioenergía Res. 6, 830–840. https://doi.org/10.1007/s12155-013-9313-8 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Descargar referencias

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad del Nilo de Nigeria, Abuja, Nigeria

AA Adeleke

Departamento de Materiales e Ingeniería Metalúrgica, Universidad de Ilorin, Ilorin, Nigeria

JK Odusote

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Landmark, Omu-Aran, Nigeria

PP Ikubanni

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad William Tubman, Harper, Liberia

AS Olabisi

Departamento de Ingeniería de Petróleo y Gas, Universidad del Nilo de Nigeria, Abuja, Nigeria

P.Nzerem

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

AAA y OJK concibieron la idea de la investigación. AAA e IPP proporcionaron los materiales para la investigación y prepararon las muestras. AAA llevó a cabo más experimentos de laboratorio con las muestras preparadas para obtener los datos requeridos. La AAA y la OEA hicieron los análisis de datos. AAA escribió el primer borrador del manuscrito. OJK, IPP, OAS y NP contribuyeron a la discusión científica del manuscrito.

Correspondencia al PP Ikubanni.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Adeleke, AA, Odusote, JK, Ikubanni, PP et al. Briquetado de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada utilizando bentonita como aglomerante inorgánico. Informe científico 12, 8716 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12685-5

Descargar cita

Recibido: 08 de marzo de 2022

Aceptado: 13 de mayo de 2022

Publicado: 24 de mayo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12685-5

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Conversión de biomasa y biorrefinería (2023)

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.