Briquettage de charbon sous-bitumineux et de biomasse torréfiée utilisant la bentonite comme liant inorganique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8716 (2022) Citer cet article

1520 Accès

3 citations

Détails des métriques

L’utilisation de liants inorganiques pour le briquetage du charbon sous-bitumineux et de la biomasse torréfiée pour la production d’énergie est rare. La présente étude se concentre sur la durabilité physicomécanique et le contenu énergétique des briquettes produites à partir de charbon sous-bitumineux (SubC) et de biomasse torréfiée (TM) en utilisant la bentonite comme liant. Les briquettes ont été produites en utilisant 95 % de SubC et 5 % de TM. La bentonite variait entre 2 et 10 % du poids total de SubC et de TM. Les briquettes ont été produites sous une pression constante (28 MPa) dans une presse hydraulique. Les briquettes ont été principalement durcies à température ambiante, puis à 300 \(^\circ{\rm C}\) dans un four tubulaire dans des conditions inertes pendant 60 min. La densité et la résistance à l'eau (WRI) des briquettes ont été évaluées. La chute jusqu'à la rupture (DF), l'indice de résistance aux chocs (IRI), la résistance à l'écrasement à froid (CCS) et l'indice de résistance au culbutage (TSI+3 mm) de la briquette ont été obtenus. Les analyses de l'indice de réactivité (RI), des valeurs immédiates, ultimes et calorifiques ont été évaluées sur la base de différentes normes ASTM. Des études microstructurales et une cartographie élémentaire ont été réalisées à l'aide d'un microscope électronique à balayage équipé d'un EDS et d'un microanalyseur à sonde électronique. La densité augmente avec l'augmentation de la teneur en bentonite. Le WRI diminuait avec l'augmentation de la bentonite tandis que le minimum (95,21 %) était obtenu à une teneur en liant de 10 %. Le DF et l'IRI varient respectivement de 100 à 150 et de 2 000 à 3 000. Les CCS étaient compris entre 19,71 et 40,23 MPa. L'IR varie de 34 à 50 %. Le carbone fixe, le carbone et les valeurs calorifiques étaient altérés à mesure que la teneur en bentonite dans la briquette augmentait. Des ponts d'oxygène et de silice avec emboîtement mécanique ont été observés sur les micrographies des briquettes. Les briquettes produites avec 2% de bentonite ont une meilleure durabilité physico-mécanique à contenu énergétique équivalent. Il est recommandé comme matière première pour les applications thermiques et métallurgiques.

La production de déchets fait partie intégrante de l’homme. Certains de ces déchets constituent de bonnes matières premières pour diverses applications industrielles et domestiques. Les déchets issus de l’extraction, de la manutention et du transport du charbon sont toujours exprimés en millions de tonnes1. Les fines de charbon (< 3 mm) sont souvent qualifiées de déchets et sont inévitablement produites lors du traitement ou de la manipulation de charbons en morceaux2,3. Les déchets des industries de transformation du bois se chiffreraient également en millions de tonnes, en particulier dans les pays en développement4,5. Ces déchets se sont révélés utiles dans divers domaines d'application, notamment la production d'énergie6,7, le renforcement des composites à matrice métallique8,9,10, les systèmes microélectromécaniques3, entre autres. Les pays en développement sont principalement confrontés à des problèmes particuliers liés à un faible mix énergétique. Ainsi, les chercheurs de divers domaines continuent d'exploiter ces déchets (charbon et biomasse) comme sources d'énergie supplémentaires possibles aux sources existantes. Adeleke11 a amélioré le contenu énergétique des déchets de biomasse grâce à une pyrolyse douce et l'a ajouté aux déchets de charbon pauvre pour produire des briquettes composites. Les briquettes combustibles produites étaient recommandées pour un usage industriel et domestique. Adeleke et al.12 ont produit des briquettes à partir de biomasse valorisée et de fines de charbon comme combustible solide. Il a été rapporté que les briquettes étaient mécaniquement stables et présentaient de bonnes caractéristiques de combustion. Trubetskaya et al.13 ont caractérisé les briquettes pour poêles à bois à partir de biomasse torréfiée et de charbon. Les matières inorganiques ont moins influencé la réactivité des briquettes que la composition organique des matières premières. La porosité des briquettes diminue avec l'augmentation de la matière inorganique. L'intégrité physico-mécanique des briquettes n'a pas été rapportée. Guo et al.14 liants composites optimisés pour les briquettes de lignite. Les liants utilisés étaient l'alcool polyvinylique et l'humate de sodium. L'humate de sodium (2 % en poids) et l'alcool polyvinylique (0,5 % en poids) ont été obtenus comme liant composite optimal pour une meilleure résistance mécanique. Les briquettes de lignite ont été recommandées pour les applications industrielles. Dans une tentative de produire des briquettes résistantes à partir de déchets de charbon, de la mélasse et du brai de goudron de houille ont été mélangés comme liant par Zhong et al.15. La meilleure briquette produite aurait une résistance à la compression de 13,06 MPa avec une chute à la rupture de 56,6 fois/2 m. Les briquettes étaient principalement produites pour les procédés de fabrication du fer COREX. Adeleke et al.2 ont produit et caractérisé des briquettes composites à partir de fines de charbon et de bois en utilisant un liant de brai. Les fines de bois ont été initialement torréfiées pour améliorer leur pouvoir calorifique et renforcer leurs propriétés de liaison. Les briquettes étaient produites à partir de 3 à 20 % de biomasse torréfiée et de 80 à 97 % de fines de charbon. La résistance optimale à l'écrasement à froid de 4 MPa, la chute à la rupture de 54 fois/2 m et un indice de résistance aux chocs de 1 350 ont été enregistrés pour les briquettes composites. Les briquettes ont été recommandées pour une application industrielle. Adeleke et al.4 ont également produit des briquettes à partir de biomasse torréfiée et de charbon, où de la mélasse et du brai mélangé étaient utilisés comme liants. L'indice de résistance au culbutage (TSI+3 mm) et l'indice de réactivité (RI) des échantillons ont été évalués pour une éventuelle utilisation comme matière première dans des applications métallurgiques. Le TSI+3 mm a été obtenu pour les échantillons durcis et les échantillons exposés à 1200 \(^\circ{\rm C}\). Le TSI+3 mm des échantillons de briquettes durcies se situait entre 95,5 et 98,3 %, qui a considérablement diminué jusqu'à 57,4-77,4 % car les échantillons ont été exposés à 1 200 \(^\circ{\rm C}\). Le RI des briquettes était compris entre 48 et 56 %, ce qui indiquait une réactivité élevée. Grâce au TSI+3 mm et au RI, les briquettes se sont avérées appropriées comme matériau carboné, en particulier dans les fours rotatifs pour la fabrication de fer de réduction directe. Il existe un débat sans fin sur la stabilité mécanique des diverses briquettes produites à partir de charbon et de biomasse. Cela a conduit à un regain d'intérêt pour l'utilisation de différents types de liants pour produire des briquettes ayant une meilleure résistance mécanique sans compromettre leur valeur énergétique. Cela pourrait à terme guider les chercheurs et les industriels vers des propriétés mécaniques et énergétiques standardisées et acceptables des briquettes de combustible solide. Ainsi, la présente étude se concentre sur l’amélioration de l’intégrité mécanique des briquettes produites à partir de charbon sous-bitumineux et de biomasse torréfiée à l’aide de bentonite, qui est un liant inorganique. La bentonite est un phyllosilicate d'aluminium qui est fréquemment obtenu à partir de l'altération des cendres volcaniques. Ce liant est disponible en millions de tonnes au Nigeria16. La bentonite est un bon liant ayant tendance à améliorer la résistance des briquettes sans ajout de polluant aux matériaux composites17. La présente étude est proposée sur la base de travaux de recherche limités sur l'utilisation de la bentonite comme liant pour le briquetage du charbon sous-bitumineux et de la biomasse torréfiée. Les briquettes sont produites à partir de charbon sous-bitumineux (95 %) et de biomasse torréfiée (5 %) en faisant varier la bentonite en fonction du poids total des briquettes de 2 à 10 %. Des analyses physico-mécaniques et énergétiques ont été réalisées sur les briquettes. L'utilisation de bentonite comme liant inorganique devrait améliorer les propriétés physico-mécaniques des briquettes hybrides. Cela servira de bonne comparaison pour les briquettes produites à partir d’autres liants organiques et inorganiques.