Brikettierung von subbituminöser Kohle und torrefizierter Biomasse unter Verwendung von Bentonit als anorganischem Bindemittel

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8716 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Verwendung anorganischer Bindemittel zur Brikettierung von subbituminöser Kohle und torrefizierter Biomasse zur Energieerzeugung ist selten. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf die physikalisch-mechanische Haltbarkeit und den Energiegehalt von Briketts, die aus subbituminöser Kohle (SubC) und torrefizierter Biomasse (TM) unter Verwendung von Bentonit als Bindemittel hergestellt werden. Briketts wurden mit 95 % SubC und 5 % TM hergestellt. Bentonit wurde mit 2–10 % des gesamten SubC- und TM-Gewichts variiert. Die Briketts wurden mit einem konstanten Druck (28 MPa) in einer hydraulischen Presse hergestellt. Die Briketts wurden zunächst bei Raumtemperatur und dann bei 300 \(^\circ{\rm C}\) in einem Rohrofen unter inerten Bedingungen für 60 Minuten ausgehärtet. Die Dichte und Wasserbeständigkeit (WRI) der Briketts wurden bewertet. Es wurden Bruchfall (DF), Schlagfestigkeitsindex (IRI), Kaltdruckfestigkeit (CCS) und Taumelfestigkeitsindex (TSI+3 mm) des Briketts ermittelt. Der Reaktivitätsindex (RI), die Näherungs-, End- und Brennwertanalyse wurden auf der Grundlage verschiedener ASTM-Standards bewertet. Mikrostrukturstudien und Elementkartierung wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt, das mit EDS und einem Elektronensonden-Mikroanalysator ausgestattet war. Die Dichte nahm mit zunehmendem Bentonitgehalt zu. Der WRI nahm mit zunehmendem Bentonitgehalt ab, während der geringste Wert (95,21 %) bei einem Bindemittelgehalt von 10 % erreicht wurde. Der DF und der IRI liegen zwischen 100 und 150 bzw. 2000 und 3000. Die CCS lagen im Bereich von 19,71 bis 40,23 MPa. Der RI variiert zwischen 34 und 50 %. Mit zunehmendem Bentonitgehalt im Brikett verschlechterten sich Festkohlenstoff, Kohlenstoff- und Heizwerte. Auf den Mikroaufnahmen der Briketts wurden Sauerstoff- und Silikatbrücken mit mechanischer Verzahnung beobachtet. Die mit 2 % Bentonitanteil hergestellten Briketts weisen bei gleichem Energiegehalt eine bessere physikalisch-mechanische Haltbarkeit auf. Es wird als Ausgangsmaterial für thermische und metallurgische Anwendungen empfohlen.

Die Abfallerzeugung ist ein integraler Bestandteil des Menschen. Einige dieser Abfälle sind gute Rohstoffe für verschiedene industrielle und häusliche Anwendungen. Abfälle aus Kohlebergbau, -umschlag und -transport werden immer in Millionen Tonnen angegeben1. Feinkohle (< 3 mm) wird oft als Abfall bezeichnet und entsteht zwangsläufig, wenn Stückkohle verarbeitet oder gehandhabt wird2,3. Berichten zufolge fallen auch Abfälle aus der Holzverarbeitungsindustrie in Millionen Tonnen an, insbesondere in Entwicklungsländern4,5. Diese Abfälle haben sich in verschiedenen Anwendungsbereichen als nützlich erwiesen, darunter Energieerzeugung6,7, Verstärkung in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen8,9,10 und mikroelektromechanische Systeme3. Vor allem Entwicklungsländer haben besondere Probleme mit einem niedrigen Energiemix. Daher nutzen Forscher aus verschiedenen Bereichen diese Abfälle (Kohle und Biomasse) weiterhin als mögliche zusätzliche Energiequellen zu den bestehenden. Adeleke11 verbesserte den Energiegehalt von Biomasseabfällen durch milde Pyrolyse und fügte ihn mageren Kohleabfällen hinzu, um Verbundbriketts herzustellen. Die hergestellten Brennstoffbriketts wurden für den industriellen und häuslichen Gebrauch empfohlen. Adeleke et al.12 stellten Briketts aus veredelter Biomasse und Feinkohle als Festbrennstoff her. Es wurde berichtet, dass die Briketts mechanisch stabil seien und gute Verbrennungseigenschaften aufwiesen. Trubetskaya et al.13 charakterisierten Holzofenbriketts aus torrefizierter Biomasse und Kohle. Anorganische Stoffe beeinflussten die Reaktivität der Briketts weniger als die organische Zusammensetzung der Rohstoffe. Die Porosität der Briketts nahm mit zunehmender anorganischer Substanz ab. Über die physikalisch-mechanische Integrität der Briketts wurde nicht berichtet. Guo et al.14 optimierten Verbundbindemittel für Braunkohlebriketts. Als Bindemittel wurden Polyvinylalkohol und Natriumhumat verwendet. Als optimale Verbundbindemittel für eine bessere mechanische Festigkeit wurden Natriumhumat (2 Gew.-%) und Polyvinylalkohol (0,5 Gew.-%) erhalten. Die Braunkohlebriketts wurden für industrielle Anwendungen empfohlen. Bei dem Versuch, starke Briketts aus Kohleabfällen herzustellen, mischten Zhong et al. Melasse und Kohlenteerpech als Bindemittel.15 Das beste hergestellte Brikett hatte Berichten zufolge eine Druckfestigkeit von 13,06 MPa und eine Fallzeit bis zum Bruch von 56,6 Zeiten/2 m. Die Briketts wurden hauptsächlich für COREX-Eisenherstellungsprozesse hergestellt. Adeleke et al.2 produzierten und charakterisierten Verbundbriketts aus Kohle und Holzfeinstoffen unter Verwendung von Pechbindemittel. Um den Brennwert zu verbessern und seine Bindungseigenschaften zu entfalten, wurden die Holzspäne zunächst torrefiziert. Die Briketts wurden aus 3 bis 20 % torrefizierter Biomasse und 80–97 % Feinkohle hergestellt. Für die Verbundbriketts wurde eine optimale Kaltdruckfestigkeit von 4 MPa, eine Fallzeit bis zum Bruch von 54 Mal/2 m und ein Schlagfestigkeitsindex von 1350 aufgezeichnet. Die Briketts wurden für den industriellen Einsatz empfohlen. Adeleke et al.4 stellten außerdem Briketts aus torrefizierter Biomasse und Kohle her, wobei Melasse und gemischtes Pech als Bindemittel verwendet wurden. Der Taumelfestigkeitsindex (TSI+3 mm) und der Reaktivitätsindex (RI) der Proben wurden im Hinblick auf eine mögliche Verwendung als Ausgangsmaterial in metallurgischen Anwendungen bewertet. Der TSI+3 mm wurde für die ausgehärteten Proben und Proben, die 1200 \(^\circ{\rm C}\) ausgesetzt waren, erhalten. Der TSI+3 mm der ausgehärteten Brikettproben lag zwischen 95,5 und 98,3 %, was drastisch auf 57,4–77,4 % sank, wenn die Proben 1200 \(^\circ{\rm C}\) ausgesetzt wurden. Der RI der Briketts lag zwischen 48 und 56 % und war ein Hinweis auf eine hohe Reaktivität. Aufgrund des TSI+3 mm und des RI wurde berichtet, dass die Briketts als kohlenstoffhaltiges Material geeignet sind, insbesondere in Drehrohröfen bei der Herstellung von direkt reduziertem Eisen. Über die mechanische Stabilität verschiedener Briketts, die aus Kohle und Biomasse hergestellt werden, wird immer wieder gestritten. Dies führte zu einem erneuten Interesse an der Verwendung verschiedener Arten von Bindemitteln zur Herstellung von Briketts mit besserer mechanischer Festigkeit, ohne den energetischen Wert zu beeinträchtigen. Dies könnte Forschern und Industriellen letztlich zu standardisierten akzeptablen mechanischen und energetischen Eigenschaften von Festbrennstoffbriketts verhelfen. Daher konzentriert sich die vorliegende Studie auf die Verbesserung der mechanischen Integrität von Briketts, die aus subbituminöser Kohle und torrefizierter Biomasse unter Verwendung von Bentonit, einem anorganischen Bindemittel, hergestellt werden. Bentonit ist ein Aluminiumschichtsilikat, das häufig aus der Umwandlung vulkanischer Asche gewonnen wird. Dieses Bindemittel ist in Millionen Tonnen in Nigeria erhältlich16. Bentonit ist ein gutes Bindemittel mit der Tendenz, die Festigkeit von Briketts zu verbessern, ohne den Verbundmaterialien Schadstoffe hinzuzufügen17. Die vorliegende Studie wird auf der Grundlage begrenzter Forschungsarbeiten zur Verwendung von Bentonit als Bindemittel für die Brikettierung von subbituminöser Kohle und torrefizierter Biomasse vorgeschlagen. Briketts werden aus subbituminöser Kohle (95 %) und torrefizierter Biomasse (5 %) hergestellt, wobei der Bentonitanteil je nach Gesamtgewicht der Briketts zwischen 2 und 10 % variiert. An den Briketts wurden physikalisch-mechanische und Energieinhaltsanalysen durchgeführt. Durch den Einsatz von Bentonit als anorganisches Bindemittel wird eine Verbesserung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Hybridbriketts erwartet. Dies dient als guter Vergleich für Briketts, die aus anderen organischen und anorganischen Bindemitteln hergestellt werden.

Die in dieser Studie für die Herstellung von Briketts verwendeten Materialien waren Feinkohle aus subbituminöser Kohle (SubC), Melina Woody Biomass (MWB) und Bentonit. SubC wurde aus der Okaba-Mine in Nigeria bezogen, während MWB aus Benin City in Nigeria bezogen wurde. Als Bindemittel wurde Bentonit verwendet, der aus Jamshedpur, Indien, bezogen wurde. Diese Rohstoffe sind in Abb. 1 dargestellt.

Rohstoffe (a) subbituminöse Kohle, (b) torrefizierte Biomasse, (c) Bentonit.

Subbituminöse Kohlefeine wurden weiter pulverisiert, sonnengetrocknet und auf weniger als 0,70 mm gesiebt. Die weitere Trocknung erfolgte in einem Ofen bei 105 \(^\circ{\rm C}\) für 30 Minuten, um unbegrenzte Feuchtigkeit zu entfernen, wie zuvor von Adeleke et al.1 beschrieben. Der von Adeleke et al.2 berichtete Näherungs-, End- und Brennwert (HHV) ist in Tabelle 1 aufgeführt. Die Einzelheiten der Torrefizierung von Melina wurden auch von Odusote et al.7 berichtet. Die verwendete torrefizierte Biomasse lag unter 0,70 mm. Tabelle 1 zeigt die Näherungs-, End- und Heizwerte der torrefizierten Biomasse. Der Bentonit wurde sonnengetrocknet und auf eine Partikelgröße unter 0,70 mm gesiebt. Dadurch sollte eine einheitliche Partikelgröße aller Verbundmaterialien und Bindemittel erreicht werden. Die chemische Zusammensetzung (Oxide) des Bentonits wurde mit einem Röntgenfluoreszenzspektrometer (Modell Bruker 58 TIGER) ermittelt. Die Zusammensetzungen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Subbituminöse Feinkohle (95 % von 25 g), torrefizierte Biomasse (5 % von 25 g) und Bentonit (2–10 % des Gesamtbrikettgewichts) wurden mechanisch gemischt. Wasser wurde in einer Menge von 10 % des Gesamtgewichts der Kohle und der torrefizierten Biomasse hinzugefügt und die gesamten Materialien wurden unter Verwendung eines mechanischen Rührers bei 50 U/min fünf Minuten lang miteinander vermischt, um Homogenität zu erreichen. Die Mischung wurde dann durch eine zylindrische Düse mit einem Innendurchmesser von 25 mm abgegeben. Eine hydraulische Presse mit einem konstanten Druck von 28 MPa wurde verwendet, um die Mischung zu Briketts zu verdichten. Die Last wurde nach und nach von der Form entfernt und dann wurde die Probe aus der Form ausgeworfen. Die grünen Briketts wurden 36 Stunden lang bei Raumtemperatur trocknen gelassen. Eine weitere Aushärtung der Proben erfolgte durch Einleiten von Stickstoff (50 ml/min) in einen Rohrofen, um eine inerte Umgebung bei einer Temperatur von 300 \(^\circ{\rm C}\) für eine Verweilzeit von 60 Minuten zu bilden. Die Proben wurden entnommen und in einen Exsikkator gegeben, um auf Raumtemperatur abzukühlen. Die Proben wurden vor der physikalisch-mechanischen Integrität und der Bewertung des Energiegehalts in einem Zip-Lock-Beutel aufbewahrt.

Die körperliche Unversehrtheit wird anhand der physikalischen Eigenschaften wie Dichte und Wasserbeständigkeitsindex (WRI) beurteilt. Die Dichte der Briketts wurde mit Gl. ermittelt. (1), wobei m die Masse und v das Volumen ist. Die Wasserbeständigkeit wurde mit der modifizierten Richard-Methode18 ermittelt. Ein Brikett mit dem Gewicht (\({\mathrm{W}}_{1}\)) wurde in ein zylindrisches Glas getaucht, das destilliertes Wasser mit einem Volumen von 200 ml bei \(30\pm 2\mathrm{^\circ{\rm) enthält C} }\) für 30 Min. Anschließend wurde die Brikettprobe entnommen und gereinigt, um das Wasser auf der Oberfläche zu reduzieren. Die Probe wurde später erneut gewogen als \({\mathrm{W}}_{2}\). Die relative Gewichtsänderung des Briketts wurde bestimmt und die prozentuale Wasserabsorption wurde unter Verwendung von Gleichung (1) ausgewertet. (2) während WRI (%) unter Verwendung von Gleichung erhalten wurde. (3).

Die mechanische Integrität von Briketts ist ein Maß für die mechanischen Eigenschaften der Briketts. Dazu gehören Kaltdruckfestigkeit (CCS), Bruchfestigkeit (DF), Schlagfestigkeitsindex (IRI) und Taumelfestigkeitsindex (TS1+3 mm). Zum Erhalten des CCS wurde eine universelle mechanische Prüfmaschine (10-kW-Hounsfield-Gerät) verwendet. Der Kompressionsmodus der Maschine wurde wie für Koks und Briketts vorgeschrieben19 genutzt. Die maximale Bruchlast (\({\mathrm{M}}_{\mathrm{f}}\)), die das Brikett vor dem Reißen aushalten kann, wurde notiert und für jedes Brikett dreifach ermittelt. Der Mittelwert \({\mathrm{M}}_{\mathrm{f}}\) wurde dann verwendet, um den CCS basierend auf Gl. zu bestimmen. (4). In Gl. (4) D ist der untere Kreisdurchmesser des Briketts. Die DF wurde durchgeführt, indem eine Brikettprobe aus einer Höhe von 2 m fallen gelassen wurde, bis sie zerbrach. Es wurden die durchschnittlichen Bruchzeiten pro 2 m notiert. Zur Bewertung der Fallfestigkeit wurde der Durchschnitt aus drei Wiederholungen herangezogen. IRI wurde aus dem DF-Test unter Verwendung von Gleichung erhalten. (5).

Der Taumelfestigkeitsindex (TS1+3 mm) für die Briketts wurde mithilfe der Methode ermittelt, die in der Studie von Adeleke et al.4 beschrieben wurde. Einige Proben wurden in einem Ofen 1200 \(^\circ{\rm C}\) ausgesetzt und 2 Stunden lang gehalten. Die ausgehärteten und denen, die 1200 \(^\circ{\rm C}\) ausgesetzt waren, wurden für den Taumeltest verwendet. Drei Brikettproben mit identifiziertem Gewicht (\({\mathrm{W}}_{\mathrm{o}}\)) wurden in ein Stahlrohr (40 mm Innendurchmesser, 200 mm Länge) gegeben und mit a rotieren gelassen Drehzahl 30 U/min für 20 Min. Nach dem Taumeln wurden die Proben entnommen und anschließend auf einem 3,15 mm Sieb gesiebt. Die + 3 mm großen Partikel der Probe wurden gewogen. Die erhaltenen Werte wurden zur Bewertung des TS1+3 mm gemäß Gl. (6).

wobei \({W}_{+3mm}\) und \({W}_{o}\) das Gewicht von + 3 mm Partikelgrößen bzw. Anfangsproben sind.

Die Reaktivität der Brikettproben wurde gemäß der Norm ASTM D5341M-1420 durchgeführt. Die Einzelheiten dieser Methode wurden in unserer vorherigen Studie2 beschrieben. Der RI wurde für jede Probe doppelt ermittelt. Nähere Analysen ermitteln den Feuchtigkeitsgehalt (MC), die Asche, die flüchtigen Stoffe (VM) und den Gehalt an festem Kohlenstoff (FC) der pulverisierten Proben und wurden gemäß der Norm IS: 1350-121 durchgeführt. Die endgültige Analyse (Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff) für das pulverisierte Brikett wurde auf der Grundlage der Norm ASTM D5373-1622 durchgeführt, während der Heizwert gemäß der Norm ASTM D5865-0423 mit einem Sauerstoffbombenkalorimeter (Modell A1290DDEE) ermittelt wurde. .

Die Mikrostrukturen der Briketts wurden unter einem mit EDS ausgestatteten Rasterelektronenmikroskop (Nova Nano SEM 430) beobachtet. Das Brikett mit 2 % Bentonit wurde einer Elementkartierung unter dem mit EDX ausgestatteten Elektronensonden-Mikroanalysator (Modell JEOL 8230) ausgesetzt. Dies lag daran, dass es den besten Energiewert lieferte. Daher besteht die Notwendigkeit, die Verbreitung und Abdeckung jedes Elements innerhalb seiner Formation zu verstehen.

Die Dichte ist eine wichtige physikalische Eigenschaft von Brennstoffbriketts. Eine höhere Dichte bedeutet ein höheres Energie-Volumen-Verhältnis. Die Dichten der grünen und ausgehärteten Briketts sind in Abb. 2a dargestellt. Die Dichten grüner Proben lagen im Bereich von 1,48 bis 1,64 g/cm3. Die Dichten der ausgehärteten Briketts lagen zwischen 1,24 und 1,44 g/cm3. Die Dichte des Briketts nahm mit zunehmendem Bentonitgehalt zu. Dies impliziert, dass Bentonit dichter ist und somit die Dichte zunimmt. Der Aushärtungsprozess führte zu einer Verringerung der Dichte. Dies ist zu erwarten, da ein unbegrenzter Feuchtigkeitsverlust, die Entwicklung leichter flüchtiger Stoffe und eine reaktive Trocknung bei 300 \(^\circ{\rm C}\)24 stattfinden. Die Dichte der in dieser Studie hergestellten Briketts ist etwas höher als in unseren vorherigen Studien1,2. Dies liegt an der Zugabe von Bentonit, das dichter ist als die in diesen Studien verwendeten Bindemittel (Melasse und Pech). Materialien mit feineren Partikeln verfügen über eine große Oberfläche zum Kleben. Dies könnte auch für die höhere Dichte verantwortlich sein, da Bentonit von Natur aus feiner ist als Pechbindemittel. Mehr Bentonit in Briketts könnte die Briketts noch dichter machen. Während es für Briketts keine akzeptablen Standardwerte gibt, ist eine höhere Dichte gut für den Transport, da sie die Kosten senkt und die Brenndauer verlängert25. Allerdings werden die Verbrennungseigenschaften von Briketts mit sehr hoher Dichte negativ beeinflusst. Daher besteht ein Bedürfnis nach Ausgewogenheit. Richard18 ist eine allgemein anerkannte Referenz für die Eigenschaften von Briketts. Die empfohlene Dichte für akzeptable Briketts für den industriellen und häuslichen Gebrauch liegt zwischen 1,25 und 1,30 g/cm3. Briketts mit 2 und 4 % Bentonit erfüllten diese Anforderung. Die in dieser Studie hergestellten Briketts sind für Transport, Handhabung und Lagerung geeignet. Der in Abb. 2b dargestellte Wasserbeständigkeitsindex (WRI) gibt den Grad an, bei dem Briketts einer Degeneration in feuchter Umgebung standhalten können. Der WRI für die Briketts liegt zwischen 98,21 und 99,36 %. Es konnte beobachtet werden, dass der Anstieg des Bentonits zu einer kontinuierlichen Verringerung des WRI führte. Dies weist darauf hin, dass Bentonit von Natur aus hydrophil ist. Ein höherer Bentonitgehalt bedeutete, dass mehr Wasser absorbiert und im Brikett zurückgehalten wurde. Der WRI der vorliegenden Briketts lässt sich gut mit den Arbeiten von Mollah et al.26, Zhong et al.15 und Adeleke et al.4 vergleichen. Richard18 hat den WRI für akzeptable Briketts mit 95 % bewertet. Im Umkehrschluss übertreffen alle produzierten Brikettproben die Benchmark. Höhere Bentonitgehalte könnten jedoch zu einer höheren Feuchtigkeitsanziehung führen. Dies kann zu einem teilweisen oder vollständigen Zerfall der Briketts führen, wenn sie feuchten Bedingungen oder Kontakt mit Wasser ausgesetzt werden. Obwohl der WRI für Briketts im Vergleich zu Briketts, die für verschiedene Energieanwendungen empfohlen werden, gut abschneidet, sollten sie an einem Ort gelagert werden, an dem sie kaum oder keiner Feuchtigkeit ausgesetzt sind.

Physikalische Eigenschaften der Brennstoffbriketts (a) Dichte, (b) WRI.

Die Reaktion von Briketts auf den durch die Schwerkraft verursachten Zerfall ist ein Hinweis auf seine mechanische Haltbarkeit27. Bruchfestigkeit (DF) und Schlagfestigkeitsindex (IRI) sind nützliche Instrumente zur Bewertung der Haltbarkeit. Der DF und der IRI für Briketts in dieser Studie sind in Abb. 3 dargestellt. Der DF variiert zwischen 100 und 150 Mal/2 m und der höchste Wert wurde bei 10 % Bentonitgehalt im Brikett erreicht. Bentonit enthält viel SiO2, was darauf hindeutet, dass die Bindungsstärke der Si-O-Si-Bindungen bei niedrigen Temperaturen die Briketts gegen den Einfluss der Schwerkraft gestärkt haben könnte. Die IRI-Werte für die Briketts variieren zwischen 2000 und 3000. Dieser Wertebereich ist extrem hoch im Vergleich zum IRI von 50, der für Briketts für industrielle Anwendungen empfohlen wurde18. Der IRI der Brikettprodukte unter Verwendung von Bentonit-Bindemitteln ist höher als der Wert, der für Briketts aus Kohle und Biomasse unter Verwendung von Pech- und Melasse-Bindemitteln erhalten wurde (150–1175), wie von Adeleke et al.2 berichtet. Durch den Aushärtungsprozess der Briketts wurde interessanterweise die Bindungsstärke der Si-O-Si-Bindungen innerhalb des Bentonits auf 300 \(^\circ{\rm C}\) erhöht, um DF und IRI zu verbessern. Alle Briketts sind sehr gute Ausgangsstoffe, die basierend auf DF und IRI ohne Degeneration transportiert, gehandhabt und gelagert werden können.

Drop to Fracture und IRI für die Brennstoffbriketts.

Abbildung 4 zeigt die Kaltdruckfestigkeit (CCS) für die Briketts. Das CCS zeigt die Leichtigkeit von Bruch oder Verschleiß während des Transports, der Handhabung und der Lagerung der Briketts. CCS ist auch ein Lackmustest für die mechanische Haltbarkeit der Briketts. Der CCS der in dieser Studie hergestellten Briketts lag im Bereich von 19,72 bis 40,12 MPa. Der CCS stieg mit der Bentonitzunahme im Brikett. Wie bereits erwähnt, untersuchte die vorliegende Studie die Si-O-Si-Bindungen, die als starke Bindung für die Geopolymerherstellung bei niedrigen Temperaturen gelten, um den CCS der Briketts zu verbessern4. Je mehr Si-O-Si-Bindungen in den Briketts vorhanden sind, desto besser ist das CCS. Im Vergleich dazu übertraf das Brikett alle unsere bisherigen Studien zu Kohle- und torrefizierten Biomassebriketts in Bezug auf CCS2,28. Die Brikettfestigkeit übertraf den von Borowski und Hycnar29 für Briketts für industrielle Anwendungen empfohlenen Mindestwert von 1,0 MPa. Der DF, IRI und CCS der Briketts wurden durch den Anstieg des Bentonits positiv beeinflusst. Die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Briketts zeigen, dass sie im Wesentlichen langlebig und für Transport-, Handhabungs- und Lagerbedingungen geeignet sind. Somit ist Bentonit ein brauchbares anorganisches Bindemittel für die Brikettierung von subbituminöser Kohle und torrefizierter Biomasse zu langlebigem Brennstoff.

CCS der Brennstoffbriketts.

Abbildung 5 zeigt den Taumelfestigkeitsindex (TSI+3 mm) für alle Briketts. Die Taumelfestigkeit wird als Abriebfestigkeit bezeichnet und anhand der TSI+3-mm-Werte gemessen. Bei allen Briketts übertrafen die Taumelfestigkeitsindizes die von Richard18 und Thoms30 für langlebige Briketts empfohlenen 95 %. Die Reaktionen der Briketts in dieser Studie auf Abriebkräfte ähneln in gewisser Weise denen der Briketts, die unter Verwendung von Pech und Melasse als Bindemittel hergestellt wurden. In der vorliegenden Studie gibt es eine Verbesserung des TSI+3 mm für die Briketts. Dies kann auf die Bindungsstärke des Bentonitgehalts (SiO2, MgO und CaO) zurückzuführen sein. Der TSI+3 mm der ausgehärteten Briketts war äußerst attraktiv (> 95 %), was bedeutete, dass bei der Handhabung, dem Transport und der Verwendung des Briketts weniger kleine Partikel (Feinteile) unter Taumelkräften oder Abrieb erzeugt wurden. Der TSI+3 mm der Proben, die 1200 \(^\circ{\rm C}\) ausgesetzt waren, lag im Bereich von 78,20 bis 84,44 %. Der TSI+3 mm ist eine Nachahmung der Koksfestigkeit nach Reduktion (CSR) für Koks. Ein CSR von 65 % ist ein Hinweis auf eine geringe Reaktivität, was für Koks gut ist31,32. Im Vergleich zu Brikettproben, die nur vor dem Taumeltest ausgehärtet wurden, wird erwartet, dass eine weitere Entgasung und Zersetzung von subbituminöser Kohle und torrefizierter Biomasse den TSI+3 mm der Proben, die 1200 \(^\circ{\rm C}\) ausgesetzt waren, verringert. Daher die Begründung für den reduzierten TSI+3 mm. Der Taumelfestigkeitsindex von 1200 \(^\circ{\rm C}\) ist für Briketts erforderlich, die für einen doppelten Zweck hergestellt werden (Energierohstoff in thermischen Anlagen und metallurgisches Reduktionsmittel). Somit weist die Taumelfestigkeit der vorliegenden Briketts darauf hin, dass sie einer Zersetzung durch Taumeln unter Hochtemperaturbedingungen in einem Drehrohrofen standhalten. Die Briketts sind für den metallurgischen Prozess in Öfen geeignet.

Taumelfestigkeitsindex der hergestellten Brennstoffbriketts.

Die Reaktivitätsindizes (RI) der Briketts sind in Abb. 6 dargestellt. Der RI der Briketts lag im Bereich von 34 bis 50 %. Am wenigsten reaktiv war die mit 10 % hergestellte Probe. Je höher der Bentonitgehalt, desto niedriger ist der RI. RI gibt im Wesentlichen die Geschwindigkeit der reaktiven Leistung und die Tendenz zum Massenverlust der Briketts an, insbesondere in oxidierenden Umgebungen. Es ist zu erwarten, dass Briketts im Gebrauch durch Entgasung und Zersetzung Gewicht und Inhalt verlieren. Es darf jedoch nicht zu hoch sein5. Die Abnahme des RI der Briketts aufgrund der Zunahme des Bentonits ist ein Hinweis auf dessen extrem geringe Reaktivität16. Der RI der Proben lag über dem empfohlenen Bereich von 20–30 % für normalen Koks, der im Hochofen als Brennstoff und Reduktionsmittel verwendet wird33. Der Kern des Tests besteht darin, das Reaktionsverhalten von Briketts zu verstehen, die mit Bentonit-Bindemittel hergestellt wurden. Der Test hat gezeigt, dass das Brikett in einem Reduktionsszenario in einem Drehrohrofen bei \(\le\) 1200 \(^\circ{\rm C}\) gut mit anderen Rohstoffen reagiert.

Einfluss der Bindemittelvariation auf den Reaktivitätsindex (RI) der Hybridbrennstoffbriketts.

Es wurde angenommen, dass das anorganische Bindemittel, das für die Herstellung der in dieser Studie hergestellten Briketts verwendet wurde, seinen Energiegehalt drastisch negativ beeinflusst34. Daher sind die Näherungs-, End- und Brennwerte des Briketts der wichtigste Lackmus für seinen Energiegehalt und seine Nützlichkeit. Chou et al.35 und Ajimotokan et al.36 betonten, dass Briketts mit guten physikalisch-mechanischen Eigenschaften und geringem Energiegehalt schlechte Festbrennstoffe darstellen. Der ungefähre Gehalt ist in Abb. 7 dargestellt. Eine Zunahme des Bentonits führte zu einer Verringerung des festen Kohlenstoffs (FC) und einer Zunahme der Asche, während flüchtige Bestandteile und Feuchtigkeit konstant blieben. Die Reduzierung des gebundenen Kohlenstoffs deutet größtenteils auf eine Reduzierung der Heizwerte (Heizwerte) hin. Dies gilt für diese Briketts, da der HHV für Briketts mit 2 % bzw. 10 % Bentonit von 24 auf 17 MJ/kg gesenkt wurde. Fester Kohlenstoff ist ein wichtiger Indikator dafür, wie effizient feste Brennstoffe für Energie- und Metallurgieanwendungen sind37. Das Vorhandensein von SiO2 und anderen anorganischen Oxiden im Bentonit spielt eine wesentliche Rolle für den verringerten Energiegehalt. Mit 2 % Bentonit zeigten die Briketts jedoch ähnliche Eigenschaften wie in unserer vorherigen Studie2. Der FC der aus Kohle und Biomasse unter Verwendung organischer Bindemittel hergestellten Briketts lag im Bereich von 65,13 bis 65,25 %. Ein erhöhter Bentonitgehalt beeinträchtigt den Energiegehalt der Briketts und beeinträchtigt deren Verbrennungsverhalten im Gebrauch. Die Gehalte an Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Stickstoff (N), Schwefel (S) und Sauerstoff (O) für die Briketts sind in Tabelle 2 dargestellt. Bemerkenswerterweise verringerte sich der Kohlenstoff mit der Zunahme des Bentonits von 72,74 auf 63,41 %. Dies ist zu erwarten, da der FC einen Rückgang verzeichnete. Die H-, N- und S-Werte blieben nahezu konstant, während der Sauerstoffgehalt mit zunehmendem Bentonitgehalt ebenfalls abnahm. Mit zunehmendem Bentonit besteht eine stärkere Tendenz zu einer stärkeren Si-O-Si-Bindung mit Sauerstoff. Somit entsteht durch chemische Reaktion ein erhöhter gebundener Sauerstoff. Allen Anzeichen zufolge beeinträchtigte der erhöhte Bentonitgehalt im Brikett den Energiegehalt. Somit reichen 2 % Bentonit, das den Briketts eine beneidenswerte mechanische Haltbarkeit verleiht, aus, um die subbituminöse Kohle und die torrefizierte Biomasse als Festbrennstoff zu binden.

Näherungsanalysen von Proben mit unterschiedlichen Bindemittelgehalten.

Um den Bindungsmechanismus zu verstehen, wurden Brikettproben unter dem Mikroskop beobachtet. Die REM-Bilder sind in Abb. 8 dargestellt. Die Bilder (Abb. 8a–e) zeigen eine körnige und unregelmäßige Struktur mit einigen Aufladungseffekten. Der Aufladungseffekt wurde von Zhong et al.15 für Kohlebriketts berichtet und nimmt in dieser Studie mit zunehmendem Bentonit in den Briketts zu. Abbildung 8e zeigt mehr von dieser Mikrostruktur. Dieses Phänomen wurde in früheren Studien auf Sauerstoffbrücken zurückgeführt5. Bei der Verwendung von Bentonit als Bindemittel kann es jedoch zu Sauerstoff-Kieselsäure-Brücken kommen. Die Sauerstoff-Siliciumdioxid-Brücken waren in Abb. 8d,e deutlich zu erkennen. In Verbindung mit der mechanischen Verzahnung, die im strukturellen Aufbau der Briketts erkennbar ist, könnten die Sauerstoffbrücken und der Silikatgehalt für eine verbesserte Festigkeit bei erhöhtem Bentonit verantwortlich sein. In einer kritischen Auswertung projiziert Abb. 9 die Elementaranalyse von vier verschiedenen Punkten auf das REM-Bild von Abb. 8e. Sauerstoff und Silizium dominierten den Bereich, in dem die Aufladungseffekte ausgeprägt waren (1, 2 und 3), während der dunkle Fleck (4) einen höheren Kohlenstoffgehalt enthielt (83,51 %). Dies ist eine Ergänzung zur ersten Erklärung, dass Kieselsäure zusammen mit Sauerstoffbrücken eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Festigkeit der Briketts spielt. Die Elementkartierung des hinsichtlich des Energiegehalts besten Briketts (2 % Bentonit) ist in Abb. 10 dargestellt. Die Kartierung zeigt, dass Kohlenstoff das vorherrschende Element im Brikett ist. Dies liegt daran, dass subbituminöse Kohle und Biomasse überwiegend aus Kohlenstoff bestehen. Abbildung 10 zeigt auch, dass neben Kohlenstoff auch Sauerstoff, Magnesium, Aluminium, Silizium, Schwefel, Kalium, Kalzium und Eisen aufgenommen wurden. Die gleichmäßige Verteilung dieser Elemente ist für eine vollständige Verbrennung beim Einsatz von Briketts wichtig2. Die Verteilung dieser Elemente ist gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Briketts. An einer Position ist kein Element dominant, das die Verbrennung des Brennstoffbriketts an dieser Position verhindern kann.

REM-Bilder der Briketts mit unterschiedlichen Bentonitgehalten (a) 2 %, (b) 4 %, (c) 6 %, (d) 8 %, (e) 10 %.

Punktelementaranalysen einer Probe mit 10 % Bentonit.

Elementkartierung des Briketts mit 2 % Bentonit.

Die Verwendung von Bentonit als anorganisches Bindemittel zur Brikettierung von subbituminöser Kohle und torrefizierter Biomasse wurde untersucht. Die physikalisch-mechanische Haltbarkeit und der Energiegehalt der hergestellten Briketts wurden bewertet. Bentonit verringerte den Wasserbeständigkeitsindex des Briketts. Der Zuwachs an Bentonit im Brikett verbesserte die Bruchfestigkeit und Schlagfestigkeit. Der höchste Fall-zu-Bruch- und Schlagfestigkeitsindex für die Briketts betrug 150-mal/2 m bzw. 3000. Die höchste Kaltdruckfestigkeit wurde bei einem Bentonitgehalt von 10 % erreicht. Bentonit beeinträchtigte den Energiegehalt der Briketts. Der geringste Energiegehalt (17,68 MJ/kg) wurde bei 10 % Bentonit erreicht. Kohlenstoff und andere Elemente waren gleichmäßig in den Briketts verteilt. Basierend auf dem erforderlichen Gleichgewicht zwischen physikalisch-mechanischer Haltbarkeit und Energiegehalt werden 2 % Bentonit als Bindemittelgehalt für die Brikettierung von subbituminöser Kohle und torrefizierter Biomasse empfohlen. Die mit 2 % Kohlebentoniten hergestellten Briketts sind ein gutes Ausgangsmaterial für Wärmekraftwerke und Drehrohröfen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Fakultät für Maschinenbau, Nile University of Nigeria, Abuja, Nigeria

AA Adeleke

Abteilung für Material- und Metallurgietechnik, Universität Ilorin, Ilorin, Nigeria

JK Odusote

Fakultät für Maschinenbau, Landmark University, Omu-Aran, Nigeria

PP Ikubanni

Fakultät für Maschinenbau, William Tubman University, Harper, Liberia

AS Olabisi

Abteilung für Erdöl- und Gastechnik, Nile University of Nigeria, Abuja, Nigeria

P. Nzerem

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AAA und OJK haben die Forschungsidee konzipiert. AAA und IPP stellten die Materialien für die Forschung zur Verfügung und bereiteten die Proben vor. AAA führte die weiteren Laborexperimente an den vorbereiteten Proben durch, um die erforderlichen Daten zu erhalten. AAA und OAS führten die Datenanalysen durch. AAA hat den ersten Entwurf des Manuskripts geschrieben. OJK, IPP, OAS und NP trugen zur wissenschaftlichen Diskussion des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit PP Ikubanni.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Adeleke, AA, Odusote, JK, Ikubanni, PP et al. Brikettierung von subbituminöser Kohle und torrefizierter Biomasse unter Verwendung von Bentonit als anorganischem Bindemittel. Sci Rep 12, 8716 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12685-5

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Eingegangen: 08. März 2022

Angenommen: 13. Mai 2022

Veröffentlicht: 24. Mai 2022

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

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Brikettierung von subbituminöser Kohle und torrefizierter Biomasse unter Verwendung von Bentonit als anorganischem Bindemittel