Briquetagem de carvão subbetuminoso e biomassa torrificada utilizando bentonita como ligante inorgânico

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 8716 (2022) Citar este artigo

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O uso de ligante inorgânico para briquetagem de carvão subbetuminoso e biomassa torrificada 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 torrificada (TM) utilizando bentonita como ligante. Os briquetes foram produzidos utilizando 95% SubC e 5% TM. A bentonita foi variada em 2–10% do peso total de SubC e TM. Os briquetes foram produzidos com pressão constante (28 MPa) em prensa hidráulica. Os briquetes foram curados principalmente à temperatura ambiente e depois a 300 \(^\circ{\rm C}\) em um forno tubular sob condição inerte por 60 min. Foram avaliadas a densidade e a resistência à água (IRH) dos briquetes. Foram obtidos o índice de queda até a fratura (DF), índice de resistência ao impacto (IRI), resistência ao esmagamento a frio (CCS) e índice de resistência ao tombamento (TSI+3 mm). As análises do índice de reatividade (IR), dos valores centesimal, último e calorífico foram avaliadas com base em diferentes normas 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 aumento do teor de bentonita. O IRA diminuiu com o aumento da bentonita enquanto o mínimo (95,21%) foi obtido com 10% de teor de ligante. O DF e o IRI variam de 100 a 150 e 2.000 a 3.000, respectivamente. Os CCS ficaram na faixa de 19,71 a 40,23 MPa. O IR varia de 34 a 50%. O carbono fixo, os valores de 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 teor de 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 provenientes da mineração, manuseamento e transporte do carvão são sempre expressos em milhões de toneladas1. Os finos de carvão (<3 mm) são frequentemente referidos como resíduos e são inevitavelmente produzidos quando os pedaços de carvão são processados ​​ou manuseados2,3. Os resíduos das indústrias de processamento de madeira também foram reportados em milhões de toneladas, especialmente nos países em desenvolvimento4,5. Esses resíduos têm sido considerados úteis em diversas áreas de aplicação que incluem geração de energia6,7, reforço em compósitos com matriz metálica8,9,10, sistemas microeletromecânicos3 entre outros. Predominantemente, as nações em desenvolvimento têm problemas peculiares com baixo mix energético. Assim, investigadores de diversas áreas continuam a aproveitar estes resíduos (carvão e biomassa) como possíveis fontes de energia adicionais às existentes. Adeleke11 melhorou o conteúdo energético dos resíduos de biomassa através de pirólise suave e adicionou-o a resíduos de carvão de qualidade magra para produzir briquetes compostos. Os briquetes combustíveis produzidos foram recomendados para uso industrial e doméstico. Adeleke et al.12 produziram briquetes a partir de biomassa atualizada 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 fogão a lenha a partir de biomassa torrada e carvão. A matéria inorgânica influenciou menos a reatividade dos briquetes do que a composição orgânica das matérias-primas. A porosidade dos briquetes foi reduzida com o aumento da matéria inorgânica. A integridade físico-mecânica dos briquetes não foi relatada. Guo et al.14 otimizaram ligantes compósitos para briquetes de linhita. Os ligantes utilizados foram álcool polivinílico e humato de sódio. Humato de sódio (2% em peso) e álcool polivinílico (0,5% em peso) foram obtidos como o ligante compósito ideal para melhor resistência mecânica. Os briquetes de linhita foram recomendados para aplicações industriais. Na tentativa de produzir briquetes fortes a partir de resíduos de carvão, melaço e piche de alcatrão de carvão foram misturados como aglutinante por Zhong et al.15. Foi relatado que o melhor briquete produzido tinha uma resistência à compressão de 13,06 MPa com uma queda até a fratura de 56,6 vezes/2 m. Os briquetes foram produzidos principalmente para processos de fabricação de ferro COREX. Adeleke et al.2 produziram e caracterizaram briquetes compósitos a partir de finos de carvão e madeira utilizando aglutinante de breu. Os finos de madeira foram inicialmente torrados para melhorar o valor calorífico e reforçar suas propriedades de ligação. Os briquetes foram produzidos com 3 a 20% de biomassa torrada e 80 a 97% de finos de carvão. A resistência ótima ao esmagamento a frio de 4 MPa, queda até a fratura de 54 vezes/2 m e um índice de resistência ao impacto de 1350 foram registrados para os briquetes compósitos. Os briquetes foram recomendados para aplicação industrial. Adeleke et al.4 produziram ainda briquetes a partir de biomassa torrada e carvão, onde melaço e piche misturado foram usados ​​como ligantes. O índice de resistência ao tombamento (ETI+3 mm) e o índice de reatividade (IR) das amostras foram avaliados para possível utilização 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 diminuiu drasticamente para 57,4–77,4% para as amostras que foram expostas a 1200 \(^\circ{\rm C}\). O IR dos briquetes ficou entre 48 e 56%, e foi uma indicação 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. Isto levou a um interesse renovado na utilização de vários tipos de ligantes para produzir briquetes com melhor resistência mecânica sem comprometer o seu valor energético. Em última análise, isso poderia orientar pesquisadores e industriais para propriedades mecânicas e energéticas padronizadas e aceitáveis ​​​​de briquetes de combustível sólido. Assim, o presente estudo tem como foco a melhoria da integridade mecânica de briquetes produzidos a partir de carvão subbetuminoso e biomassa torrificada utilizando bentonita, que é um ligante inorgânico. A bentonita é um filossilicato de alumínio obtido frequentemente a partir da alteração de cinzas vulcânicas. Este ligante está disponível em milhões de toneladas na Nigéria16. A bentonita é um bom ligante com tendência a 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 da bentonita como ligante para briquetagem de carvão subbetuminoso e biomassa torrificada. Os briquetes são produzidos a partir de carvão subbetuminoso (95%) e biomassa torrada (5%) variando a bentonita com base no peso total dos briquetes de 2 a 10%. Análises físico-mecânicas e de conteúdo energético foram realizadas nos briquetes. Espera-se que o uso da bentonita como ligante inorgânico melhore as propriedades físico-mecânicas dos briquetes híbridos. Isto servirá como uma boa comparação para briquetes produzidos a partir de outros ligantes orgânicos e inorgânicos.