Fabricación de briquetas de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada utilizando bentonita como ligante inorgánico

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

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El uso de ligantes inorgánicos para briquetas de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada para la generación de energía es escaso. El presente estudio se centra en la durabilidad fisicomecánica y el contenido energético de briquetas producidas a partir de carbón subbituminoso (SubC) y biomasa torrefactada (TM) utilizando bentonita como ligante. Las briquetas se produjeron utilizando 95 % de SubC y 5 % de TM. La bentonita se varió al 2-10% del peso total de SubC y TM. Las briquetas se produjeron con una 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 evaluaron la densidad y la resistencia al agua (WRI) de las briquetas. Se obtuvieron la caída hasta la fractura (DF), el índice de resistencia al impacto (IRI), la resistencia al aplastamiento en frío (CCS) y el índice de resistencia al volteo (TSI+3 mm) de la briqueta. Los análisis de índice de reactividad (IR), próximo, último y poder 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 en el contenido de bentonita. El WRI disminuyó con el aumento de bentonita mientras que el mínimo (95,21 %) se obtuvo con un contenido de ligante del 10 %. El DF y el IRI oscilan entre 100 y 150 y entre 2000 y 3000, respectivamente. Los CCS estaban en el rango de 19,71 a 40,23 MPa. El RI varía de 34 a 50%. El carbono fijo, el carbono y los valores caloríficos se vieron afectados a medida que aumentaba el contenido de bentonita en las briquetas. Se observaron puentes de oxígeno y sílice con enclavamiento mecánico en las micrografías de las briquetas. Las briquetas producidas con 2% de contenido de bentonita tienen mejor durabilidad fisicomecánica con 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 desechos de la extracción, el manejo y el transporte del carbón están siempre en millones de toneladas1. Los finos de carbón (< 3 mm) a menudo se denominan desechos y se producen inevitablemente cuando se procesan o manipulan trozos de carbón2,3. También se ha informado que los desechos de las industrias de procesamiento de la madera ascienden a millones de toneladas, especialmente en los países en desarrollo4,5. Estos residuos se han encontrado útiles en varias áreas de aplicaciones que incluyen generación de energía6,7, refuerzo en compuestos de matriz metálica8,9,10, sistemas microelectromecánicos3, entre otros. Predominantemente, las naciones en desarrollo tienen problemas peculiares con la combinación de baja energía. Así, investigadores de diversos campos continúan aprovechando estos residuos (carbón y biomasa) como posibles fuentes de energía adicionales a las ya existentes. Adeleke11 mejoró el contenido energético de los residuos de biomasa a través de pirólisis suave y lo agregó a residuos de carbón de grado pobre para producir briquetas compuestas. Las briquetas de combustible producidas se recomendaron 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 con buenas características de combustión. Trubetskaya et al.13 caracterizaron briquetas para estufas de leña a partir de biomasa torrefactada 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 se redujo con el aumento de la materia inorgánica. No se informaron las integridades fisicomecánicas de las briquetas. Guo et al.14 aglutinantes compuestos optimizados 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 de producir briquetas resistentes 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 procesos de fabricación de hierro COREX. Adeleke et al.2 produjeron y caracterizaron briquetas compuestas a partir de finos de carbón y madera usando aglutinante de brea. Los finos de madera se torreficaron inicialmente para mejorar su poder calorífico y mejorar sus propiedades de unión. Las briquetas se produjeron a partir del 3 al 20 % de biomasa torrefactada y del 80 al 97 % de finos de carbón. Para las briquetas compuestas se registró una resistencia óptima a la trituración 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, en las que se usaron melaza y brea mezclada como aglutinantes. El índice de resistencia al volteo (TSI+3 mm) y el índice de reactividad (RI) de las muestras se evaluaron para su posible uso como materia prima en aplicaciones metalúrgicas. El TSI+3 mm se obtuvo para las muestras curadas y 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 \(^\circ{\rm C}\). Los IR de las briquetas estaban entre 48 y 56%, y era un indicador 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 en la fabricación de hierro de reducción directa. Existe un debate interminable sobre la estabilidad mecánica de varias briquetas producidas como compuesto de carbón y biomasa. Esto condujo a un renovado interés en el uso de varios tipos de aglomerantes para producir briquetas con mejor resistencia mecánica sin comprometer su valor energético. En última instancia, esto podría guiar a los investigadores e industriales a las propiedades mecánicas y energéticas aceptables estandarizadas de las briquetas de combustible sólido. Así, el presente estudio se centra en mejorar la integridad mecánica de las 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 aglutinante está disponible en millones de toneladas en Nigeria16. La bentonita es un buen aglomerante con tendencia a mejorar la resistencia de las briquetas sin añadir contaminantes a los materiales compuestos17. El presente estudio se propone en base a un trabajo de investigación limitado sobre el uso de bentonita como aglutinante para la fabricación de briquetas de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada. Las briquetas se producen a partir de carbón subbituminoso (95 %) y biomasa torrefactada (5 %), mientras que la bentonita varía según el peso total de las briquetas del 2 al 10 %. Se realizaron análisis fisicomecánicos y de contenido energético en las briquetas. Se espera que el uso de bentonita como aglutinante inorgánico mejore las propiedades fisicomecánicas de las briquetas híbridas. Esto servirá como una buena comparación para las briquetas producidas a partir de otros aglomerantes 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 aglomerante y se obtuvo de Jamshedpur, India. Estas materias primas se muestran en la Fig. 1.

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

Los finos de carbón subbituminoso se pulverizaron adicionalmente, 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 min para eliminar la humedad ilimitada como se describió previamente por Adeleke et al.1. El valor aproximado, último y calorífico (HHV) según lo informado por Adeleke et al.2 se muestran en la Tabla 1. Los detalles de la torrefacción de la melina también han sido informados por Odusote et al.7. La biomasa torrefactada utilizada fue inferior a 0,70 mm. La Tabla 1 muestra los valores caloríficos, último y próximo de la biomasa torrefactada. La bentonita se secó al sol y se tamizó hasta un tamaño de partícula por debajo de 0,70 mm. Esto fue para lograr la uniformidad en el tamaño de las partículas para todos los materiales compuestos y el aglutinante. La composición química (óxidos) de la bentonita se obtuvo mediante un 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 torrefactada (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 los materiales completos se mezclaron usando un agitador mecánico a 50 rpm durante cinco (5 min) para obtener homogeneidad. A continuación, la mezcla se dispensó en una boquilla 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 de la matriz y luego la muestra se expulsó del molde. Las briquetas verdes se dejaron secar a temperatura ambiente durante 36 h. Se realizó un curado adicional de las muestras 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 fueron removidas y colocadas en un desecador para ser enfriadas a temperatura ambiente. Las muestras se conservaron en una bolsa con cierre hermético antes de la evaluación de la integridad fisicomecánica y el contenido de energía.

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

La integridad mecánica de la briqueta es una medida de las propiedades mecánicas de las briquetas. Estos incluyen la resistencia al aplastamiento en frío (CCS), la caída hasta la fractura (DF), el índice de resistencia al impacto (IRI) y el índice de resistencia a la caída (TS1+3 mm). Para la obtención del CCS se utilizó una máquina universal de ensayos mecánicos (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 de trituración máxima (\({\mathrm{M}}_{\mathrm{f}}\)) que la briqueta puede soportar antes del agrietamiento y se realizó por triplicado para cada briqueta. Luego se utilizó el \({\mathrm{M}}_{\mathrm{f}}\) promedio para determinar el CCS basado en la ecuación. (4). En la ecuación. (4), D es el diámetro circular inferior de la briqueta. La DF se llevó a cabo dejando caer la muestra de briquetas desde una altura de 2 m hasta que se rompiera. Se anotaron los tiempos medios/2 m que tardó en romperse. Se utilizó el promedio de tres repeticiones para evaluar la resistencia a la caída. El IRI se obtuvo a partir de la prueba DF utilizando la ecuación. (5).

El índice de resistencia al volteo (TS1+3 mm) para las briquetas se obtuvo usando el método informado 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. Tres muestras de briquetas de peso identificado (\({\mathrm{W}}_{\mathrm{o}}\)) se colocaron en un tubo de acero (40 mm de diámetro interior, 200 mm de longitud) y se les permitió girar a una velocidad de 30 rpm durante 20 min. Después de voltear, las muestras se retiraron y luego se tamizaron en un tamaño de 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 Eq. (6).

donde \({W}_{+3mm}\) y \({W}_{o}\) son el peso de los tamaños de partículas de + 3 mm y las 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 proximales proyectan el contenido de humedad (CM), cenizas, materia volátil (MV) 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 el 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 dio 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 estaban en el rango de 1,48 a 1,64 g/cm3. Las densidades de las briquetas curadas estaban entre 1,24 y 1,44 g/cm3. La densidad de la briqueta aumentó con el aumento del contenido de bentonita. Esto implicaba que la bentonita es más densa y, por lo tanto, un aumento en la densidad. El proceso de curado condujo a una reducción de la densidad. Esto se espera como pérdida ilimitada de humedad, evolución de volátiles ligeros y secado reactivo a 300 \(^\circ{\rm C}\)24. La densidad de las briquetas producidas en este estudio es un poco más alta que en nuestros estudios previos1,2. 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 más fina por naturaleza que el aglutinante de brea. Más 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 los costos y prolonga el tiempo de combustión25. Sin embargo, las propiedades de combustión de las briquetas con una densidad muy alta se ven afectadas negativamente. Por lo tanto, una 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 con este requisito. Las briquetas producidas en este estudio son aptas para el transporte, manipulación y almacenamiento. El índice de resistencia al agua (WRI), que se muestra en la Fig. 2b, indica el grado en que las briquetas pueden resistir la degeneración en un ambiente húmedo. El WRI para las briquetas oscila entre 98,21 y 99,36%. Se pudo observar que el aumento de bentonita condujo a una reducción continua de 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 WRI para briquetas aceptables como 95%. Por implicación, todas las muestras de briquetas producidas superan el punto de referencia. Sin embargo, un mayor contenido de bentonita podría conducir a una mayor atracción de humedad. Esto puede conducir a la desintegración parcial o total de las briquetas cuando se exponen a condiciones de humedad o en contacto con el agua. Aunque el WRI para las briquetas compara bien las briquetas recomendadas para varias aplicaciones de energía, debe 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 my 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 gravitatorio. 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 que se recomendó para las briquetas de aplicaciones industriales18. El IRI de las briquetas que utilizan aglutinante de bentonita es más alto que el obtenido para las briquetas de carbón y biomasa que utilizan aglutinantes de brea y melaza (150–1175), según lo informado por Adeleke et al.2. El proceso de curado de las briquetas promulgó de manera interesante 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 muy buenas materias primas que pueden transportarse, manipularse y almacenarse según el DF y el IRI sin degeneración.

Caída a fractura e IRI para las briquetas de combustible.

La figura 4 muestra la resistencia al aplastamiento en frío (CCS) de las briquetas. El CCS representa la facilidad de rotura o desgaste durante el transporte, manipulación y almacenamiento de las briquetas. CCS es también una prueba de fuego de la durabilidad mecánica de las briquetas. El CCS de las briquetas producidas en este estudio estuvo en el rango de 19,72 a 40,12 MPa. El CCS aumentó con el incremento de bentonita en la briqueta. Como se indicó anteriormente, el presente estudio exploró los enlaces Si-O-Si informados como enlaces fuertes para la fabricación de geopolímeros a baja temperatura para mejorar el CCS de las briquetas4. Cuantos más enlaces Si-O-Si haya en las briquetas, mejor será el CCS. Comparativamente, la briqueta superó todos nuestros estudios previos sobre carbón y briquetas de biomasa torrefactadas 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. El DF, IRI y CCS de las briquetas fueron influenciados positivamente por el aumento de bentonita. Las propiedades fisicomecánicas 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 aglomerante inorgánico viable para briquetear carbón subbituminoso y biomasa torrefactada en combustible duradero.

CCS de las briquetas de combustible.

La Figura 5 muestra el índice de resistencia al volteo (TSI+3 mm) para todas las briquetas. La resistencia al volteo se denomina resistencia al desgaste y se mide a través de los valores TSI+3 mm. Para todas las briquetas, los índices de resistencia al volteo 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 briquetas producidas usando brea y melaza como aglomerante. 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). Los TSI+3 mm de las briquetas curadas fueron extremadamente atractivos (> 95 %) y esto implicó una menor generación de partículas pequeñas (finos) bajo las fuerzas de volteo o desgaste durante la manipulación, el transporte y la 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. Un 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 reduzca el TSI+3 mm de las expuestas a 1200 \(^\circ{\rm C}\). Por lo tanto, la lógica detrás de la TSI reducida+3 mm. El índice de resistencia al volteo en 1200 \(^\circ{\rm C}\) se requiere para las briquetas producidas con la intención de dos propósitos (materia prima energética en plantas térmicas y reductor metalúrgico). Por lo tanto, la resistencia al volteo de las presentes briquetas indica que tendrán resistencia a la degradación por volteo bajo un régimen de alta temperatura dentro de un horno rotatorio. Las briquetas son aptas para procesos metalúrgicos en hornos.

Índice de resistencia al volteo 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 estuvo en el rango de 34 a 50%. La menos reactiva fue la muestra producida con un 10%. Cuanto mayor sea el contenido de bentonita, menor será el IR. RI en su esencia 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 degradación. Sin embargo, no debe ser excesivo5. La disminución de RI de las briquetas debido al aumento de bentonita es una indicación de su reactividad extremadamente baja16. 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 hechas con aglutinante 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 negativamente34. 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 fisicomecánicas y bajo contenido de energía producen un combustible sólido deficiente. El contenido próximo se presenta en la Fig. 7. Un aumento en la bentonita condujo a una reducción en el carbono fijo (FC) y un aumento en la ceniza, mientras que la materia volátil y la humedad se mantuvieron constantes. La reducción del carbono fijo indica en gran medida una reducción de los valores caloríficos (valores caloríficos). Esto es cierto para estas briquetas ya que HHV se redujo de 24 a 17 MJ/kg para 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 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 usando ligantes orgánicos estuvo en el rango de 65.13 a 65.25%. El aumento en el 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) para las briquetas se presentan en la Tabla 2. En particular, el carbono se redujo con el aumento de la bentonita de 72,74 a 63,41%. Esto es de esperar ya que el FC tuvo un declive. El H, N, S eran casi constantes, mientras que el oxígeno también se redujo con el aumento del contenido de bentonita. Hay una mayor tendencia de más enlaces Si-O-Si con el oxígeno a medida que aumenta la bentonita. Por lo tanto, un aumento de oxígeno ligado por reacción química. De todas las indicaciones, el aumento de bentonita dentro de la briqueta perjudicó más el contenido de energía. Así, una bentonita al 2% que produce una durabilidad mecánica envidiable en las briquetas es suficiente para ligar el carbón subbituminoso y la biomasa torrefactada como combustible sólido.

Análisis proximal de muestras con diferentes contenidos de aglomerante.

Para comprender el mecanismo de unión, las muestras de briquetas se observaron bajo el 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. El efecto de carga fue informado por Zhong et al.15 para briquetas de carbón y aumenta con el aumento de bentonita dentro de las briquetas en el presente estudio. La Figura 8e muestra más de esta microestructura. Este fenómeno se ha aducido a ser puentes de oxígeno en estudios previos5. Sin embargo, con el uso de bentonita como aglutinante, esto puede ser puentes de oxígeno-sílice. Los puentes oxígeno-sílice se pronunciaron en la Fig. 8d,e. Junto con el enclavamiento 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 cantidad de 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 %). Esta es una adición a la explicación inicial de que la sílice juega un papel importante junto con los puentes de oxígeno para mejorar la resistencia de las briquetas. El mapeo elemental de la mejor briqueta en términos de contenido de energía (2% de bentonita) se presenta en la Fig. 10. 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 mayoritariamente dominados por el 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 tal 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 la formación de briquetas de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada. Se ha evaluado la durabilidad fisicomecánica y el contenido energético de las briquetas producidas. Bentonita redujo el índice de resistencia al agua de la briqueta. El incremento de bentonita dentro de la briqueta mejoró la caída hasta la fractura y la resistencia al impacto. Los mayores índices de resistencia a la caída a la fractura y al impacto para las briquetas fueron 150 veces/2 m y 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 de energía (17,68 MJ/kg) se obtuvo con 10% de bentonita. El carbono y otros elementos se distribuyeron uniformemente dentro de las briquetas. Con base en el equilibrio necesario entre la durabilidad fisicomecánica y el contenido de energía, se recomienda un 2 % de bentonita como contenido de aglomerante para la fabricación de briquetas de carbón subbituminoso y biomasa torrefactada. Las briquetas producidas con bentonitas de carbón al 2% son una buena materia prima para plantas térmicas y hornos rotatorios.

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

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Descargar referencias

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

Adeleke

Departamento de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales, 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, Nile University of Nigeria, Abuja, Nigeria

P. Nzerem

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AAA y OJK concibieron la idea de investigación. AAA e IPP proporcionaron los materiales para la investigación y prepararon las muestras. AAA llevó a cabo más experimentos de laboratorio en las muestras preparadas para obtener los datos requeridos. AAA y OAS 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 a PP Ikubanni.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

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

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Recibido: 08 marzo 2022

Aceptado: 13 de mayo de 2022

Publicado: 24 mayo 2022

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

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