Briquetagem de carvão subbetuminoso e biomassa torrefada usando bentonita como ligante inorgânico

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8716 (2022) Citar este artigo

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O uso de ligante inorgânico para briquetagem de carvão subbetuminoso e biomassa torrefada para geração de energia é escasso. O presente estudo enfoca a durabilidade físico-mecânica e o conteúdo energético de briquetes produzidos a partir de carvão subbetuminoso (SubC) e biomassa torrefada (TM) utilizando bentonita como ligante. Briquetes foram produzidos usando 95% SubC e 5% TM. A bentonita variou de 2 a 10% do peso total de SubC e TM. Os briquetes foram produzidos com pressão constante (28 MPa) em prensa hidráulica. Os briquetes foram primeiramente curados à temperatura ambiente e depois a 300 \(^\circ{\rm C}\) em forno tubular sob condição inerte por 60 min. A densidade e resistência à água (WRI) dos briquetes foram avaliadas. Foram obtidos o índice de queda à fratura (DF), índice de resistência ao impacto (IRI), resistência ao esmagamento a frio (CCS) e índice de resistência ao tombamento (TSI+3 mm) do briquete. As análises de índice de reatividade (IR), valores aproximados, valores finais e caloríficos foram avaliadas com base em diferentes padrões ASTM. Estudos microestruturais e mapeamento elementar foram realizados utilizando microscópio eletrônico de varredura equipado com EDS e microanalisador de sonda eletrônica. A densidade aumentou com o incremento no teor de bentonita. O WRI diminuiu com o aumento da bentonita, enquanto o menor (95,21%) foi obtido com 10% de ligante. O DF e o IRI variam de 100 a 150 e 2.000 a 3.000, respectivamente. O CCS ficou na faixa de 19,71 a 40,23 MPa. O IR varia de 34 a 50%. Os valores de carbono fixo, carbono e calorífico foram prejudicados à medida que o teor de bentonita no briquete aumenta. Pontes de oxigênio e sílica com intertravamento mecânico foram observadas nas micrografias dos briquetes. Os briquetes produzidos com 2% de bentonita apresentam melhor durabilidade físico-mecânica com teor energético equivalente. É recomendado como matéria-prima para aplicações térmicas e metalúrgicas.

A geração de resíduos é parte integrante do homem. Alguns desses resíduos são boas matérias-primas para diversas aplicações industriais e domésticas. Os resíduos da mineração, manuseio e transporte de carvão são sempre em milhões de toneladas1. Os finos de carvão (< 3 mm) são muitas vezes referidos como resíduos e são inevitavelmente produzidos quando os pedaços de carvão são processados ​​ou manuseados2,3. Resíduos das indústrias de processamento de madeira também foram relatados em milhões de toneladas, especialmente em países em desenvolvimento4,5. Esses resíduos têm sido úteis em diversas áreas de aplicação, incluindo geração de energia6,7, reforço em compósitos de matriz metálica8,9,10, sistemas microeletromecânicos3 entre outros. Predominantemente, as nações em desenvolvimento têm problemas peculiares com baixo mix de energia. Assim, investigadores de várias áreas continuam a aproveitar estes resíduos (carvão e biomassa) como possíveis fontes de energia adicionais às existentes. Adeleke11 melhorou o conteúdo de energia dos resíduos de biomassa por meio de pirólise suave e o adicionou aos resíduos de carvão de grau enxuto para produzir briquetes compostos. Os briquetes combustíveis produzidos foram recomendados para uso industrial e doméstico. Adeleke et al.12 produziram briquetes de biomassa de atualização e finos de carvão como combustível sólido. Foi relatado que os briquetes eram mecanicamente estáveis ​​com boas características de combustão. Trubetskaya et al.13 caracterizaram briquetes de forno a lenha de biomassa e carvão torrado. A matéria inorgânica influenciou menos a reatividade dos briquetes do que a composição orgânica das matérias-primas. A porosidade dos briquetes diminuiu com o aumento da matéria inorgânica. As integridades físico-mecânicas dos briquetes não foram relatadas. Guo et al.14 otimizaram ligantes compostos para briquetes de lenhite. Os aglutinantes utilizados foram álcool polivinílico e humato de sódio. O humato de sódio (2% em peso) e o álcool polivinílico (0,5% em peso) foram obtidos como o aglutinante compósito ideal para melhor resistência mecânica. Os briquetes de lenhite foram recomendados para aplicações industriais. Em uma tentativa de produzir briquetes fortes a partir de resíduos de carvão, melaço e breu de alcatrão de hulha foram misturados como aglutinante por Zhong et al.15. O melhor briquete produzido apresentou uma resistência à compressão de 13,06 MPa com queda para fratura de 56,6 tempo/2 m. Os briquetes foram produzidos principalmente para os processos de fabricação de ferro COREX. Adeleke et al.2 produziram e caracterizaram briquetes compostos de carvão e finos de madeira usando fichário de piche. Os finos de madeira foram inicialmente torrificados para um valor calorífico melhorado e promulgação de suas propriedades de ligação. Os briquetes foram produzidos com 3 a 20% de biomassa torrificada e 80 a 97% de finos de carvão. A resistência ótima ao esmagamento a frio de 4 MPa, queda para fratura de 54 tempo/2 m e um índice de resistência ao impacto de 1350 foram registrados para os briquetes compostos. Os briquetes foram recomendados para aplicação industrial. Adeleke et al.4 produziram ainda briquetes de biomassa torrificada e carvão, onde melaço e piche misturado foram usados ​​como aglutinantes. O índice de resistência ao tombamento (TSI+3 mm) e o índice de reatividade (RI) das amostras foram avaliados para possível uso como matéria-prima em aplicações metalúrgicas. O TSI+3 mm foi obtido para as amostras curadas e expostas a 1200 \(^\circ{\rm C}\). O TSI+3 mm das amostras de briquetes curados estava entre 95,5 e 98,3%, que caiu drasticamente para 57,4–77,4% para as amostras expostas a 1200 \(^\circ{\rm C}\). O IR dos briquetes ficou entre 48 e 56%, sendo um indicativo de alta reatividade. Como resultado do TSI+3 mm e RI, os briquetes foram considerados apropriados como material carbonáceo, especialmente em forno rotativo na fabricação de ferro reduzido direto. Há uma discussão interminável sobre a estabilidade mecânica de vários briquetes produzidos como compostos de carvão e biomassa. Isso levou a um renovado interesse em usar vários tipos de ligantes para produzir briquetes com melhor resistência mecânica sem comprometer seu valor energético. Isso poderia, em última análise, guiar pesquisadores e industriais para padronizar propriedades mecânicas e energéticas aceitáveis ​​de briquetes de combustível sólido. Assim, o presente estudo tem como foco melhorar a integridade mecânica de briquetes produzidos a partir de carvão subbetuminoso e biomassa torrefada utilizando bentonita, que é um ligante inorgânico. A bentonita é um filossilicato de alumínio obtido frequentemente da alteração de cinzas vulcânicas. Este aglutinante está disponível em milhões de toneladas na Nigéria16. A bentonita é um bom aglutinante com tendência de melhorar a resistência dos briquetes sem adição de poluentes aos materiais compósitos17. O presente estudo é proposto com base em trabalhos de pesquisa limitados sobre o uso de bentonita como ligante para briquetagem de carvão subbetuminoso e biomassa torrefada. Os briquetes são produzidos a partir de carvão subbetuminoso (95%) e biomassa torrificada (5%), variando a bentonita com base no peso total dos briquetes de 2 a 10%. Análises físico-mecânicas e de teor de energia foram realizadas nos briquetes. Espera-se que o uso de bentonita como ligante inorgânico melhore as propriedades físico-mecânicas dos briquetes híbridos. Isso servirá como uma boa comparação para briquetes produzidos a partir de outros aglutinantes orgânicos e inorgânicos.