Брикетирование полубитуминозного угля и торрефицированной биомассы с использованием бентонита в качестве неорганического связующего

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8716 (2022) Цитировать эту статью

1406 Доступов

2 цитаты

Подробности о метриках

Использование неорганического связующего для брикетирования полубитуминозного угля и торрефицированной биомассы для производства энергии встречается редко. В настоящем исследовании изучены физико-механическая прочность и энергоемкость брикетов, полученных из суббитуминозного угля (СубУ) и торрефицированной биомассы (ТМ) с использованием бентонита в качестве связующего. Брикеты были произведены с использованием 95% SubC и 5% TM. Бентонит варьировался в пределах 2–10% от общей массы СубС и ТМ. Брикеты изготавливались при постоянном давлении (28 МПа) на гидравлическом прессе. Брикеты сначала отверждались при комнатной температуре, а затем при 300°С в трубчатой ​​печи в инертном состоянии в течение 60 мин. Были оценены плотность и водостойкость (WRI) брикетов. Были получены индекс прочности при падении на излом (DF), индекс ударопрочности (IRI), прочность на холодное раздавливание (CCS) и индекс прочности при опрокидывании (TSI+3 мм) брикета. Анализы индекса реакционной способности (RI), ориентировочной, предельной и теплотворной способности оценивались на основе различных стандартов ASTM. Микроструктурные исследования и элементное картирование проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа, оснащенного ЭДС и электронно-зондовым микроанализатором. Плотность увеличивалась с увеличением содержания бентонита. WRI снижался с увеличением содержания бентонита, при этом наименьший (95,21%) был получен при содержании связующего 10%. DF и IRI составляют от 100 до 150 и 2000–3000 соответственно. ОКС находились в пределах от 19,71 до 40,23 МПа. RI варьируется от 34 до 50%. Фиксированный углерод, углерод и теплотворная способность ухудшались по мере увеличения содержания бентонита в брикете. На микрофотографиях брикетов наблюдались кислородные и кремнеземные мостики с механическим соединением. Брикеты, изготовленные с содержанием бентонита 2%, обладают большей физико-механической прочностью при эквивалентной энергоемкости. Рекомендуется в качестве сырья для термических и металлургических применений.

Образование отходов является неотъемлемой частью человека. Некоторые из этих отходов являются хорошим сырьем для различных промышленных и бытовых применений. Отходы добычи, обработки и транспортировки угля всегда исчисляются миллионами тонн1. Угольную мелочь (< 3 мм) часто называют отходами, и она неизбежно образуется при переработке или транспортировке кускового угля2,3. Сообщается также, что отходы деревообрабатывающей промышленности исчисляются миллионами тонн, особенно в развивающихся странах4,5. Эти отходы оказались полезными в различных областях применения, включая производство энергии6,7, армирование композитов с металлической матрицей8,9,10, микроэлектромеханические системы3 и другие. В основном развивающиеся страны сталкиваются с особыми проблемами, связанными с низким уровнем энергопотребления. Таким образом, исследователи из различных областей продолжают использовать эти отходы (уголь и биомассу) в качестве возможных дополнительных источников энергии к уже существующим. Аделеке11 улучшил энергетическую ценность отходов биомассы за счет мягкого пиролиза и добавил ее к тощим угольным отходам для производства композитных брикетов. Выпускаемые топливные брикеты рекомендованы для промышленного и бытового использования. Аделеке и др.12 производили брикеты из обогащенной биомассы и угольной мелочи в качестве твердого топлива. Сообщалось, что брикеты были механически стабильными и имели хорошие характеристики сгорания. Трубецкая и др.13 охарактеризовали дровяные брикеты из выжженной биомассы и угля. Неорганические вещества в меньшей степени влияли на реакционную способность брикетов, чем органический состав сырья. Пористость брикетов снижалась с увеличением содержания неорганических веществ. Физико-механическая целостность брикетов не указана. Гуо и др.14 оптимизировали композитные связующие для буроугольных брикетов. В качестве связующих использовали поливиниловый спирт и гумат натрия. В качестве оптимального композиционного связующего для повышения механической прочности были получены гумат натрия (2 мас. %) и поливиниловый спирт (0,5 мас. %). Буроугольные брикеты рекомендованы для промышленного применения. В попытке произвести прочные брикеты из угольных отходов Чжун и др.15 в качестве связующего смешали патоку и каменноугольный пек. Сообщалось, что лучший из произведенных брикетов имел прочность на сжатие 13,06 МПа и сопротивление разрушению 56,6 раз/2 м. Брикеты в основном производились для процессов производства чугуна COREX. Аделеке и др.2 произвели и охарактеризовали композитные брикеты из угольной и древесной мелочи с использованием связующего пека. Древесную мелочь первоначально подвергали обжигу для повышения теплотворной способности и проявления ее связующих свойств. Брикеты получали от 3 до 20 % торрефицированной биомассы и 80–97 % угольной мелочи. Для композитных брикетов зафиксированы оптимальная прочность на холодное раздавливание 4 МПа, падение на излом 54 раз/2 м и индекс ударной прочности 1350. Брикеты рекомендованы для промышленного применения. Аделеке и др.4 далее производили брикеты из выжженной биомассы и угля, где в качестве связующих веществ использовались патока и смешанный пек. Показатель прочности при переворачивании (TSI+3 мм) и индекс реакционной способности (RI) образцов были оценены на предмет возможного использования в качестве сырья в металлургии. TSI+3 мм было получено для отвержденных образцов и образцов, подвергнутых воздействию 1200 \(^\circ{\rm C}\). TSI+3 мм отвержденных образцов брикетов составлял от 95,5 до 98,3%, что резко снижалось до 57,4–77,4% для образцов, подвергавшихся воздействию 1200 \(^\circ{\rm C}\). RI брикетов составлял от 48 до 56%, что свидетельствовало о высокой реакционной способности. Сообщалось, что благодаря TSI+3 мм и RI брикеты пригодны в качестве углеродсодержащего материала, особенно во вращающихся печах при производстве железа прямого восстановления. Существует бесконечный спор о механической стабильности различных брикетов, изготовленных из смеси угля и биомассы. Это привело к возобновлению интереса к использованию различных типов связующих для производства брикетов с большей механической прочностью без ущерба для их энергетической ценности. В конечном итоге это может помочь исследователям и промышленникам стандартизировать приемлемые механические и энергетические свойства твердотопливных брикетов. Таким образом, настоящее исследование направлено на повышение механической целостности брикетов, полученных из полубитуминозного угля и торрефицированной биомассы с использованием бентонита – неорганического связующего. Бентонит представляет собой слоистый силикат алюминия, который часто получается в результате изменения вулканического пепла. Это связующее доступно в Нигерии в миллионах тонн16. Бентонит является хорошим связующим, имеющим тенденцию к повышению прочности брикетов без добавления загрязняющих веществ в композиционные материалы17. Настоящее исследование предложено на основе ограниченных исследований по использованию бентонита в качестве связующего для брикетирования полубитуминозного угля и торрефицированной биомассы. Брикеты производят из полубитуминозного угля (95 %) и торрефицированной биомассы (5 %) с варьированием бентонита в зависимости от общей массы брикетов от 2 до 10 %. На брикетах проведен физико-механический и энергоемкий анализ. Ожидается, что использование бентонита в качестве неорганического связующего улучшит физико-механические свойства гибридных брикетов. Это послужит хорошим сравнением для брикетов, изготовленных из других органических и неорганических связующих.