Bricchettatura di carbone subbituminoso e biomassa torrefatta utilizzando bentonite come legante inorganico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8716 (2022) Citare questo articolo

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L’uso di leganti inorganici per la bricchettatura del carbone subbituminoso e della biomassa torrefatta per la produzione di energia è scarso. Il presente studio si concentra sulla durabilità fisico-meccanica e sul contenuto energetico delle bricchette prodotte da carbone subbituminoso (SubC) e biomassa torrefatta (TM) utilizzando la bentonite come legante. Le bricchette sono state prodotte utilizzando il 95% di SubC e il 5% di TM. La bentonite è stata variata al 2-10% del peso totale di SubC e TM. Le bricchette sono state prodotte con una pressione costante (28 MPa) in una pressa idraulica. Le bricchette sono state indurite principalmente a temperatura ambiente e poi a 300 \(^\circ{\rm C}\) in un forno tubolare in condizione inerte per 60 minuti. Sono state valutate la densità e la resistenza all'acqua (WRI) delle bricchette. Sono stati ottenuti la caduta alla frattura (DF), l'indice di resistenza all'urto (IRI), la resistenza alla frantumazione a freddo (CCS) e l'indice di resistenza alla barilatura (TSI+3 mm) della bricchetta. L'indice di reattività (RI), le analisi dei valori approssimato, finale e calorifico sono state valutate sulla base di diversi standard ASTM. Gli studi microstrutturali e la mappatura degli elementi sono stati effettuati utilizzando un microscopio elettronico a scansione dotato di EDS e microanalizzatore a sonda elettronica. La densità aumentava con l'incremento del contenuto di bentonite. Il WRI è diminuito con l'aumento della bentonite mentre il minimo (95,21%) è stato ottenuto con un contenuto di legante del 10%. Il DF e l'IRI vanno rispettivamente da 100 a 150 e da 2000 a 3000. I CCS erano compresi tra 19,71 e 40,23 MPa. L'IR varia dal 34 al 50%. Il carbonio fisso, il carbonio e il potere calorifico risultavano compromessi all'aumentare del contenuto di bentonite nella bricchetta. Sulle micrografie delle bricchette sono stati osservati ponti di ossigeno e silice con incastro meccanico. I bricchetti prodotti con il 2% di bentonite hanno una migliore durabilità fisico-meccanica a parità di contenuto energetico. È consigliato come materia prima per applicazioni termiche e metallurgiche.

La generazione dei rifiuti è parte integrante dell’uomo. Alcuni di questi rifiuti sono buone materie prime per varie applicazioni industriali e domestiche. I rifiuti derivanti dall'estrazione, dalla movimentazione e dal trasporto del carbone sono sempre espressi in milioni di tonnellate1. Le particelle fini di carbone (< 3 mm) sono spesso definite rifiuti e vengono inevitabilmente prodotte durante la lavorazione o la manipolazione del carbone in pezzi2,3. È stato riferito che anche i rifiuti delle industrie di lavorazione del legno ammontano a milioni di tonnellate, soprattutto nei paesi in via di sviluppo4,5. Questi rifiuti si sono rivelati utili in vari ambiti di applicazione, tra cui la generazione di energia6,7, il rinforzo di compositi a matrice metallica8,9,10 e sistemi microelettromeccanici3 tra gli altri. Prevalentemente, i paesi in via di sviluppo hanno problemi peculiari con un basso mix energetico. Pertanto, ricercatori di vari settori continuano a sfruttare questi rifiuti (carbone e biomassa) come possibili fonti energetiche aggiuntive a quelle esistenti. Adeleke11 ha migliorato il contenuto energetico dei rifiuti di biomassa attraverso una pirolisi delicata e lo ha aggiunto ai rifiuti di carbone di qualità magra per produrre bricchette composite. Le bricchette combustibili prodotte erano consigliate per l'uso industriale e domestico. Adeleke et al.12 hanno prodotto bricchette da biomassa di aggiornamento e parti fini di carbone come combustibile solido. È stato riferito che le bricchette erano meccanicamente stabili con buone caratteristiche di combustione. Trubetskaya et al.13 hanno caratterizzato le bricchette per stufe a legna da biomassa torrefatta e carbone. La sostanza inorganica ha influenzato la reattività delle bricchette meno della composizione organica delle materie prime. La porosità delle bricchette si abbassava con l'aumento della materia inorganica. L'integrità fisico-meccanica delle bricchette non è stata riportata. Guo et al.14 hanno ottimizzato leganti compositi per bricchette di lignite. I leganti utilizzati erano alcool polivinilico e umato di sodio. Umato di sodio (2% in peso) e alcol polivinilico (0,5% in peso) sono stati ottenuti come legante composito ottimale per una migliore resistenza meccanica. Le bricchette di lignite erano consigliate per applicazioni industriali. Nel tentativo di produrre bricchette resistenti dai rifiuti di carbone, Zhong et al.15 hanno miscelato melassa e pece di catrame di carbone come legante. È stato riportato che la migliore bricchetta prodotta ha una resistenza alla compressione di 13,06 MPa con una caduta alla frattura di 56,6 volte/2 m. Le bricchette venivano prodotte principalmente per i processi di produzione del ferro COREX. Adeleke et al.2 hanno prodotto e caratterizzato bricchette composite di carbone e legno utilizzando un legante di pece. I materiali fini del legno venivano inizialmente torrefatti per migliorarne il potere calorifico e potenziare le sue proprietà leganti. Le bricchette sono state prodotte dal 3 al 20% di biomassa torrefatta e dall'80-97% di carbone fine. Per i bricchetti compositi sono stati registrati la resistenza ottimale alla frantumazione a freddo di 4 MPa, una caduta alla frattura di 54 volte/2 me un indice di resistenza all'urto di 1350. Le bricchette erano consigliate per applicazioni industriali. Adeleke et al.4 hanno inoltre prodotto bricchette da biomassa torrefatta e carbone dove melassa e pece miscelata sono state utilizzate come leganti. L'indice di resistenza alla barilatura (TSI+3 mm) e l'indice di reattività (RI) dei campioni sono stati valutati per un possibile utilizzo come materia prima in applicazioni metallurgiche. La TSI+3 mm è stata ottenuta per i campioni polimerizzati e per i campioni esposti a 1200 \(^\circ{\rm C}\). La TSI+3 mm dei campioni di bricchette polimerizzate era compresa tra il 95,5 e il 98,3%, che è scesa drasticamente al 57,4–77,4% per i campioni esposti a 1200 \(^\circ{\rm C}\). L'RI delle bricchette era compreso tra 48 e 56%, ed era un'indicazione di elevata reattività. Come risultato della TSI+3 mm e dell'RI, le bricchette sono risultate adatte come materiale carbonioso, specialmente nei forni rotanti per la produzione di ferro a riduzione diretta. Esiste una discussione senza fine sulla stabilità meccanica delle varie bricchette prodotte come composti di carbone e biomassa. Ciò ha portato ad un rinnovato interesse nell'utilizzo di vari tipi di leganti per produrre bricchette con migliore resistenza meccanica senza comprometterne il valore energetico. Ciò potrebbe infine guidare ricercatori e industriali verso proprietà meccaniche ed energetiche accettabili e standardizzate delle bricchette di combustibile solido. Pertanto, il presente studio si concentra sul miglioramento dell’integrità meccanica delle bricchette prodotte da carbone subbituminoso e biomassa torrefatta utilizzando bentonite, che è un legante inorganico. La bentonite è un fillosilicato di alluminio che si ottiene frequentemente dall'alterazione delle ceneri vulcaniche. Questo legante è disponibile in milioni di tonnellate in Nigeria16. La bentonite è un buon legante con tendenza a migliorare la resistenza delle bricchette senza aggiunta di sostanze inquinanti ai materiali compositi17. Il presente studio è proposto sulla base di un lavoro di ricerca limitato sull'uso della bentonite come legante per la bricchettatura del carbone subbituminoso e della biomassa torrefatta. I bricchetti vengono prodotti da carbone subbituminoso (95%) e biomassa torrefatta (5%) variando la bentonite in base al peso totale dei bricchetti dal 2 al 10%. Sulle bricchette sono state effettuate analisi fisico-meccaniche e di contenuto energetico. Si prevede che l'uso della bentonite come legante inorganico migliorerà le proprietà fisico-meccaniche delle bricchette ibride. Ciò servirà come buon confronto per le bricchette prodotte da altri leganti organici e inorganici.