Briquetage de charbon subbitumineux et de biomasse torréfiée utilisant la bentonite comme liant inorganique

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

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L'utilisation de liant inorganique pour le briquetage du charbon sous-bitumineux et de la biomasse torréfiée pour la production d'énergie est rare. La présente étude porte sur la durabilité physico-mécanique et le contenu énergétique des briquettes produites à partir de charbon subbitumineux (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 TM. Les briquettes ont été produites à 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 sous une condition inerte pendant 60 min. La densité et la résistance à l'eau (WRI) des briquettes ont été évaluées. La chute 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 tumbling (TSI + 3 mm) de la briquette ont été obtenus. Les analyses de l'indice de réactivité (RI), des valeurs proches, ultimes et calorifiques ont été évaluées en fonction de différentes normes ASTM. Les études microstructurales et la 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 a augmenté avec l'augmentation de la teneur en bentonite. Le WRI a diminué avec l'augmentation de la bentonite tandis que le moins (95,21%) a été obtenu à 10% de teneur en liant. Le DF et l'IRI vont de 100 à 150 et de 2000 à 3000, respectivement. Les CCS étaient compris entre 19,71 et 40,23 MPa. L'IR varie de 34 à 50 %. Les valeurs fixes de carbone, de carbone et calorifiques étaient altérées 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 une teneur en bentonite de 2% 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 sont de bonnes matières premières pour diverses applications industrielles et domestiques. Les déchets provenant 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 ont également été signalés en millions de tonnes, en particulier dans les pays en développement4,5. Ces déchets se sont avérés utiles dans divers domaines d'applications, notamment la génération d'énergie6,7, le renforcement des composites à matrice métallique8,9,10, les systèmes microélectromécaniques3, entre autres. Principalement, les pays en développement ont des problèmes particuliers avec un faible mix énergétique. Ainsi, des chercheurs de divers domaines continuent d'exploiter ces déchets (charbon et biomasse) comme d'éventuelles sources d'énergie supplémentaires à celles existantes. Adeleke11 a amélioré le contenu énergétique des déchets de biomasse grâce à une pyrolyse douce et l'a ajouté aux déchets de charbon de qualité maigre 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 avec de bonnes caractéristiques de combustion. Trubetskaya et al.13 ont caractérisé des briquettes de poêle à bois à partir de biomasse torréfiée et de charbon. La matière inorganique a moins influencé la réactivité des briquettes que la composition organique des matières premières. La porosité des briquettes a diminué avec l'augmentation de la matière inorganique. Les intégrités physico-mécaniques des briquettes n'ont pas été rapportées. 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 étaient recommandées pour les applications industrielles. Dans une tentative de produire des briquettes solides 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 ont été principalement produites pour les processus de fabrication de fer COREX. Adeleke et al.2 ont produit et caractérisé des briquettes composites à partir de charbon et de fines de bois en utilisant un liant de brai. Les fines de bois ont d'abord été torréfiées pour une valeur calorifique améliorée et la mise en œuvre de ses propriétés de liaison. Les briquettes ont été 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, une chute à la rupture de 54 fois/2 m et un indice de résistance aux chocs de 1350 ont été enregistrés pour les briquettes composites. Les briquettes ont été recommandées pour une application industrielle. Adeleke et al.4 ont en outre produit des briquettes à partir de biomasse torréfiée et de charbon où la mélasse et le brai mélangé ont été utilisés comme liants. L'indice de résistance au tumbling (TSI + 3 mm) et l'indice de réactivité (RI) des échantillons ont été évalués pour une utilisation possible 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 était compris entre 95,5 et 98,3 %, ce qui a considérablement diminué à 57,4–77,4 % pour les échantillons exposés à 1 200 \(^\circ{\rm C}\). Le RI des briquettes était compris entre 48 et 56 %, et c'était une indication de réactivité élevée. À la suite de la TSI + 3 mm et de l'IR, les briquettes se sont révélées appropriées comme matériau carboné, en particulier dans les fours rotatifs pour la fabrication de fer à réduction directe. Il y a un débat sans fin sur la stabilité mécanique de diverses briquettes produites en tant que composite de charbon et de biomasse. Cela a conduit à un regain d'intérêt pour l'utilisation de divers types de liants pour produire des briquettes avec une meilleure résistance mécanique sans compromettre sa valeur énergétique. Cela pourrait finalement guider les chercheurs et les industriels vers des propriétés mécaniques et énergétiques acceptables standardisées des briquettes de combustible solide. Ainsi, la présente étude porte sur l'amélioration de l'intégrité mécanique des briquettes produites à partir de charbon subbitumineux 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 qui a 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%) tout 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 la bentonite comme liant inorganique devrait améliorer les propriétés physicomécaniques des briquettes hybrides. Cela servira de bonne comparaison pour les briquettes produites à partir d'autres liants organiques et inorganiques.

Les matériaux utilisés pour la production de briquettes dans cette étude étaient les fines de charbon sous-bitumineux (SubC), la biomasse ligneuse de melina (MWB) et la bentonite. Le SubC a été obtenu de la mine d'Okaba, au Nigeria, tandis que le MWB a été obtenu de Benin City, au Nigeria. La bentonite a été utilisée comme liant et elle a été obtenue à Jamshedpur, en Inde. Ces matières premières sont présentées à la Fig. 1.

Matières premières (a) charbon subbitumineux, (b) biomasse torréfiée, (c) bentonite.

Les fines de charbon sous-bitumineux ont ensuite été pulvérisées, séchées au soleil et tamisées à moins de 0,70 mm. Un séchage supplémentaire a été effectué dans un four à 105 \(^\circ{\rm C}\) pendant 30 min pour éliminer l'humidité non liée, comme décrit précédemment par Adeleke et al.1. Les valeurs immédiate, ultime et calorifique (PCS) telles que rapportées par Adeleke et al.2 sont présentées dans le tableau 1. Les détails de la torréfaction de la méline ont également été rapportés par Odusote et al.7. La biomasse torréfiée utilisée était inférieure à 0,70 mm. Le tableau 1 montre les valeurs immédiate, ultime et calorifique de la biomasse torréfiée. La bentonite a été séchée au soleil et tamisée à une taille de particules inférieure à 0,70 mm. Il s'agissait d'obtenir une uniformité des tailles de particules pour tous les matériaux composites et le liant. La composition chimique (oxydes) de la bentonite a été obtenue à l'aide d'un spectromètre à fluorescence X (modèle Bruker 58 TIGER). Les compositions sont présentées dans le tableau 1.

Les fines de charbon sous-bitumineux (95 % de 25 g), la biomasse torréfiée (5 % de 25 g) et la bentonite (2 à 10 % du poids total de la briquette) ont été mélangées mécaniquement. De l'eau a été ajoutée à raison de 10% du poids total de charbon et de biomasse torréfiée, et l'ensemble des matériaux a été mélangé à l'aide d'un agitateur mécanique à 50 tr/min pendant cinq (5 min) afin d'obtenir une homogénéité. Le mélange a ensuite été distribué dans une filière cylindrique de 25 mm de diamètre interne. Une presse hydraulique à une pression constante de 28 MPa a été utilisée pour comprimer le mélange en briquettes. La charge a été retirée progressivement de la matrice puis l'échantillon a été éjecté du moule. Les briquettes vertes ont été laissées sécher à température ambiante pendant 36 h. Un durcissement supplémentaire des échantillons a été effectué en introduisant de l'azote (50 ml/min) dans un four tubulaire pour former un environnement inerte à une température de 300 \(^\circ{\rm C}\) pendant un temps de séjour de 60 min. Les échantillons ont été prélevés et placés dans un dessiccateur pour être refroidis à température ambiante. Les échantillons ont été conservés dans un sac à fermeture éclair avant l'évaluation de l'intégrité physico-mécanique et du contenu énergétique.

L'intégrité physique est jugée avec les propriétés physiques telles que la densité et l'indice de résistance à l'eau (WRI). Les densités des briquettes ont été obtenues en utilisant Eq. (1), où m est la masse et v le volume. La résistance à l'eau a été obtenue en utilisant la méthode de Richard modifiée18. La briquette de poids (\({\mathrm{W}}_{1}\)) a été immergée dans un verre cylindrique contenant de l'eau distillée d'un volume de 200 ml à \(30\pm 2\mathrm{^\circ{\rm C} }\) pendant 30 minutes. L'échantillon de briquette a ensuite été retiré, nettoyé pour réduire l'eau à sa surface. L'échantillon a ensuite été pesé à nouveau sous la forme \({\mathrm{W}}_{2}\). Le changement relatif de poids de la briquette a été déterminé et le pourcentage d'absorption d'eau a été évalué à l'aide de l'équation. (2) tandis que WRI (%) a été obtenu en utilisant Eq. (3).

L'intégrité mécanique de la briquette est une mesure des propriétés mécaniques des briquettes. Il s'agit notamment de la résistance à l'écrasement à froid (CCS), de la chute jusqu'à la rupture (DF), de l'indice de résistance aux chocs (IRI) et de l'indice de résistance au tumbling (TS1+3 mm). Une machine d'essai mécanique universelle (appareil Hounsfield de 10 Kw) a été utilisée pour obtenir le CCS. Le mode de compression de la machine a été utilisé comme stipulé pour le coke et les briquettes19. La charge d'écrasement maximale (\({\mathrm{M}}_{\mathrm{f}}\)) que la briquette peut supporter avant la fissuration a été notée et a été effectuée en trois exemplaires pour chaque briquette. La moyenne \({\mathrm{M}}_{\mathrm{f}}\) a ensuite été utilisée pour déterminer le CCS basé sur l'équation. (4). Dans l'éq. (4), D est le diamètre circulaire inférieur de la briquette. Le DF a été réalisé en laissant tomber un échantillon de briquette d'une hauteur de 2 m jusqu'à ce qu'il se brise. Les temps moyens/2 m mis pour qu'il se rompe ont été relevés. La moyenne de trois répétitions a été utilisée pour évaluer la résistance aux chutes. L'IRI a été obtenu à partir du test DF en utilisant l'Eq. (5).

L'indice de résistance au tumbling (TS1+3 mm) des briquettes a été obtenu selon la méthode rapportée dans l'étude d'Adeleke et al.4. Certains échantillons ont été exposés à 1200 \(^\circ{\rm C}\) dans un four et maintenus pendant 2 h. Les guéris et ceux exposés à 1200 \(^\circ{\rm C}\) ont été adoptés pour le test de culbutage. Trois échantillons de briquettes de poids identifié (\({\mathrm{W}}_{\mathrm{o}}\)) ont été placés dans un tube en acier (diamètre intérieur de 40 mm, longueur de 200 mm) et ont été autorisés à tourner à une vitesse vitesse de 30 tr/min pendant 20 min. Après culbutage, les échantillons ont été prélevés puis tamisés sur un tamis de 3,15 mm. Les particules de + 3 mm de l'échantillon ont été pesées. Les valeurs obtenues ont été utilisées pour évaluer le TS1+3 mm conformément à l'Eq. (6).

où \({W}_{+3mm}\) et \({W}_{o}\) sont le poids des tailles de particules + 3 mm et des échantillons initiaux, respectivement.

La réactivité des échantillons de briquettes a été réalisée conformément à la norme ASTM D5341M-1420. Les détails de cette méthode ont été rapportés dans notre précédente étude2. Le RI a été obtenu en double pour chaque échantillon. Les analyses de proximité projettent la teneur en humidité (MC), en cendres, en matières volatiles (VM) et en carbone fixe (FC) des échantillons pulvérisés et ont été réalisées selon la norme IS : 1350-121. L'analyse ultime (Carbone, Hydrogène, Azote, Soufre et Oxygène) pour la briquette pulvérisée a été effectuée sur la base de la norme ASTM D5373-1622 tandis que la valeur calorifique a été obtenue conformément à la norme ASTM D5865-0423 à l'aide d'un calorimètre à bombe à oxygène (modèle A1290DDEE) .

Les microstructures des briquettes ont été observées au microscope électronique à balayage (Nova Nano SEM 430) équipé d'EDS. La briquette à 2% de bentonite a été exposée à la cartographie élémentaire sous le microanalyseur à sonde électronique équipé d'EDX (Modèle JEOL 8230). C'est parce qu'il a donné la meilleure valeur énergétique. Ainsi, la nécessité de comprendre la propagation et la couverture de chaque élément au sein de sa formation.

La densité est une propriété physique essentielle des briquettes combustibles. Une densité plus élevée implique un rapport énergie/volume plus élevé. Les densités des briquettes vertes et durcies sont indiquées sur la figure 2a. Les densités des échantillons verts étaient dans la gamme de 1,48 à 1,64 g/cm3. Les densités des briquettes durcies étaient comprises entre 1,24 et 1,44 g/cm3. La densité de la briquette a augmenté avec l'augmentation de la teneur en bentonite. Cela impliquait que la bentonite est plus dense et donc une augmentation de la densité. Le processus de durcissement a conduit à une réduction de la densité. Ceci est attendu car la perte d'humidité illimitée, l'évolution des composés volatils légers et le séchage réactif ont lieu à 300 \(^\circ{\rm C}\)24. La densité des briquettes produites dans cette étude est un peu plus élevée que nos études précédentes1,2. Cela est dû à l'ajout de bentonite, qui est plus dense que les liants (mélasse et brai) utilisés dans ces études. Les matériaux avec des particules plus fines possèdent une grande surface pour le collage. Cela peut également être responsable de la densité plus élevée puisque la bentonite est plus fine par nature que le liant de brai. Plus de bentonite dans les briquettes pourrait rendre les briquettes plus denses. Bien qu'il n'y ait pas de valeurs standard acceptables pour les briquettes, une densité plus élevée est bonne pour le transport car elle réduit les coûts et allonge le temps de combustion25. Cependant, les propriétés de combustion des briquettes à très haute densité sont impactées négativement. D'où un besoin d'équilibre. Richard18 est une référence largement acceptable pour les propriétés des briquettes. La densité recommandée pour les briquettes acceptables à usage industriel et domestique varie de 1,25 à 1,30 g/cm3. Les briquettes à 2 et 4 % de bentonite répondaient à cette exigence. Les briquettes produites dans cette étude sont aptes au transport, à la manutention et au stockage. L'indice de résistance à l'eau (WRI), illustré à la Fig. 2b, indique le degré auquel les briquettes peuvent résister à la dégénérescence dans un environnement humide. Le WRI pour les briquettes varie de 98,21 à 99,36 %. On a pu observer que l'augmentation de la bentonite entraînait une réduction continue du WRI. Cela indique que la bentonite est de nature hydrophile. Une teneur plus élevée en bentonite impliquait que plus d'eau serait absorbée et retenue dans la briquette. Le WRI des présentes briquettes se compare bien aux travaux de Mollah et al.26, Zhong et al.15 et Adeleke et al.4. Richard18 a évalué le WRI pour les briquettes acceptables à 95 %. Par implication, tous les échantillons de briquettes produits dépassent la référence. Cependant, des teneurs plus élevées en bentonite pourraient entraîner une plus grande attraction de l'humidité. Cela peut entraîner une désintégration partielle ou totale des briquettes lorsqu'elles sont exposées à des conditions humides ou au contact de l'eau. Bien que le WRI pour les briquettes compare bien les briquettes recommandées pour diverses applications énergétiques, il doit être stocké dans un endroit avec peu ou pas d'exposition à l'humidité.

Propriétés physiques des briquettes combustibles (a) densité, (b) WRI.

La réponse de la briquette à la détérioration gravitationnelle est une indication de sa durabilité mécanique27. La chute à la rupture (DF) et l'indice de résistance aux chocs (IRI) sont des outils utiles pour évaluer la durabilité. Le DF et l'IRI pour les briquettes dans cette étude sont illustrés à la Fig. 3. Le DF varie de 100 à 150 fois/2 m et le plus élevé a été obtenu à une teneur en bentonite de 10 % dans la briquette. La bentonite contient une teneur élevée en SiO2, ce qui implique que la force de liaison à basse température des liaisons Si–O–Si pourrait avoir renforcé les briquettes contre l'impact gravitationnel. Les valeurs IRI pour les briquettes varient de 2000 à 3000. Cette plage de valeur est extrêmement élevée par rapport à l'IRI de 50 qui était recommandé pour les briquettes d'applications industrielles18. L'IRI des briquettes produites à l'aide de liant de bentonite est plus élevé que celui obtenu pour les briquettes de charbon et de biomasse à l'aide de liants de brai et de mélasse (150-1175) comme indiqué par Adeleke et al.2. Le processus de durcissement des briquettes a édicté de manière intéressante la force de liaison des liaisons Si – O – Si dans la bentonite à 300 \(^\circ{\rm C}\) pour améliorer le DF et l'IRI. Toutes les briquettes sont de très bonnes matières premières qui peuvent être transportées, manipulées et stockées sur la base du DF et de l'IRI sans dégénérescence.

Goutte à fracture et IRI pour les briquettes combustibles.

La figure 4 montre la résistance à l'écrasement à froid (CCS) des briquettes. Le CCS décrit la facilité de rupture ou d'usure pendant le transport, la manipulation et le stockage des briquettes. Le CCS est également un test décisif de la durabilité mécanique des briquettes. Le CCS des briquettes produites dans cette étude était de l'ordre de 19,72 à 40,12 MPa. Le CCS a augmenté avec l'incrément de bentonite dans la briquette. Comme indiqué précédemment, la présente étude a exploré les liaisons Si – O – Si signalées comme une liaison forte pour la fabrication de géopolymères à basse température afin d'améliorer le CCS des briquettes4. Plus il y a de liaisons Si-O-Si dans les briquettes, meilleur est le CCS. Comparativement, la briquette a surpassé toutes nos études précédentes sur les briquettes de charbon et de biomasse torréfiée en termes de CSC2,28. La résistance des briquettes a dépassé le minimum de 1,0 MPa recommandé par Borowski et Hycnar29 pour les briquettes d'applications industrielles. Le DF, l'IRI et le CCS des briquettes ont été positivement influencés par l'augmentation de la bentonite. Les propriétés physico-mécaniques des briquettes montrent qu'elles sont essentiellement durables et adaptées aux conditions de transport, de manutention et de stockage. Ainsi, la bentonite est un liant inorganique viable pour le briquetage du charbon sous-bitumineux et de la biomasse torréfiée en combustible durable.

CCS des briquettes combustibles.

La figure 5 montre l'indice de résistance au culbutage (TSI + 3 mm) pour toutes les briquettes. La résistance au tumbling est appelée résistance à l'attrition et elle est mesurée par les valeurs TSI + 3 mm. Pour toutes les briquettes, les indices de résistance au culbutage ont dépassé les 95 % recommandés par Richard18 et Thoms30 pour les briquettes durables. Les réponses des briquettes dans cette étude aux forces d'attrition sont légèrement similaires aux briquettes produites en utilisant du brai et de la mélasse comme liant. Il y a une amélioration de TSI+3 mm pour les briquettes dans la présente étude. Cela peut être dû à la force de liaison de la teneur en bentonite (SiO2, MgO et CaO). Le TSI + 3 mm des briquettes durcies était extrêmement attrayant (> 95 %) et cela impliquait moins de génération de petites particules (fines) sous les forces de culbutage ou d'attrition pendant la manipulation, le transport et l'utilisation de la briquette. Le TSI+3 mm des échantillons exposés à 1 200 \(^\circ{\rm C}\) était compris entre 78,20 et 84,44 %. Le TSI+3 mm est un imitateur de la résistance du coke après réduction (CSR) pour le coke. Un CSR de 65 % est une indication de faible réactivité, ce qui est bon pour le coke31,32. Par rapport aux échantillons de briquettes qui n'ont été durcis qu'avant le test de culbutage, une dévolatilisation et une dégradation supplémentaires du charbon sous-bitumineux et de la biomasse torréfiée devraient réduire le TSI + 3 mm de ceux exposés à 1200 \(^\circ{\rm C}\). Ainsi, la justification de la STI réduite + 3 mm. L'indice de résistance au tumbling à 1200 \(^\circ{\rm C}\) est requis pour les briquettes produites avec une double finalité (charge énergétique dans les centrales thermiques et réducteur métallurgique). Ainsi, la résistance au culbutage des présentes briquettes indique qu'elles auront une résistance à la dégradation par culbutage sous un régime de haute température dans un four rotatif. Les briquettes conviennent au processus métallurgique dans les fours.

Indice de résistance au tumbling des briquettes combustibles produites.

Les indices de réactivité (RI) des briquettes sont présentés sur la figure 6. Le RI des briquettes était compris entre 34 et 50 %. Le moins réactif était l'échantillon produit avec 10%. Plus la teneur en bentonite est élevée, plus l'IR est faible. RI dans son essence indique le taux de performances réactives et la tendance à la perte de masse pour les briquettes, en particulier dans les environnements oxydants. On s'attend à ce qu'en cours d'utilisation, les briquettes subissent des pertes de poids et de contenu en raison de la dévolatilisation et de la dégradation. Cependant, elle ne doit pas être excessive5. La diminution de l'IR des briquettes due à l'augmentation de la bentonite est une indication de sa réactivité extrêmement faible16. L'IR des échantillons était supérieur à la plage recommandée de 20 à 30 % pour le coke normal utilisé dans les hauts fourneaux comme combustible et réducteur33. L'essence du test est de comprendre le comportement réactif des briquettes fabriquées avec un liant bentonite. Le test a montré que la briquette réagira bien avec d'autres matières premières dans un scénario de réduction dans un four rotatif à \(\le\) 1200 \(^\circ{\rm C}\).

Influence de la variation du liant sur l'indice de réactivité (RI) des briquettes combustibles hybrides.

Le liant inorganique utilisé pour la production de briquettes produites dans cette étude a été d'avis qu'il affecte négativement de manière drastique son contenu énergétique34. Ainsi, les valeurs immédiate, ultime et calorifique de la briquette sont la principale vérification de son contenu énergétique et de son utilité. Chou et al.35 et Ajimotokan et al.36 ont souligné que les briquettes ayant de bonnes propriétés physico-mécaniques et une faible teneur en énergie constituent un mauvais combustible solide. La teneur approximative est présentée à la Fig. 7. Une augmentation de la bentonite a entraîné une réduction du carbone fixe (FC), une augmentation des cendres alors que les matières volatiles et l'humidité étaient constantes. La réduction du carbone fixe indique en grande partie une réduction des pouvoirs calorifiques (pouvoirs calorifiques). Cela est vrai pour ces briquettes puisque le HHV est passé de 24 à 17 MJ/kg pour les briquettes contenant respectivement 2 % à 10 % de bentonite. Le carbone fixe est un indicateur majeur de l'efficacité des combustibles solides pour les applications énergétiques et métallurgiques37. La présence de SiO2 et d'autres oxydes inorganiques dans la bentonite joue un rôle important dans la baisse du contenu énergétique. Cependant, avec 2 % de bentonite, les briquettes présentaient des propriétés similaires rapportées dans notre étude précédente2. La FC des briquettes produites à partir de charbon et de biomasse à l'aide de liants organiques était comprise entre 65,13 et 65,25 %. L'augmentation de la teneur en bentonite a endommagé le contenu énergétique des briquettes et affectera son comportement de combustion en cours d'utilisation. Les teneurs en carbone (C), hydrogène (H), azote (N), soufre (S) et oxygène (O) des briquettes sont présentées dans le tableau 2. Notamment, le carbone a diminué avec l'augmentation de la bentonite de 72,74 à 63,41 %. C'est à prévoir puisque le FC a connu une baisse. Le H, N, S étaient presque constants tandis que l'oxygène a également diminué avec l'augmentation de la teneur en bentonite. Il y a une tendance plus élevée à plus de liaison Si – O – Si avec l'oxygène à mesure que la bentonite augmente. Ainsi, une augmentation de l'oxygène lié par réaction chimique. De toutes les indications, l'augmentation de la bentonite dans la briquette a altéré plus de contenu énergétique. Ainsi, 2% de bentonite qui produit une durabilité mécanique enviable dans les briquettes est suffisant pour lier le charbon sous-bitumineux et la biomasse torréfiée en tant que combustible solide.

Analyses immédiates d'échantillons avec différentes teneurs en liant.

Pour comprendre le mécanisme de liaison, des échantillons de briquettes ont été observés au microscope et les images SEM sont présentées à la Fig. 8. Les images (Fig. 8a – e) affichent une structure granulaire et irrégulière avec quelques effets de charge. L'effet de charge a été rapporté par Zhong et al.15 pour les briquettes de charbon et il augmente avec l'augmentation de la bentonite dans les briquettes dans cette présente étude. La figure 8e montre plus de cette microstructure. Ce phénomène a été avancé comme étant des ponts d'oxygène dans des études antérieures5. Cependant, avec l'utilisation de la bentonite comme liant, il peut s'agir de ponts oxygène-silice. Les ponts oxygène-silice ont été prononcés sur la Fig. 8d,e. Couplés à l'enclenchement mécanique qui pourrait être vu dans la composition structurelle des briquettes, les ponts d'oxygène et la teneur en silice peuvent être responsables d'une résistance améliorée avec une bentonite accrue. Dans une évaluation critique, la Fig. 9 projette l'analyse élémentaire de quatre points différents sur l'image SEM de la Fig. 8e. L'oxygène et le silicium dominaient la zone où les effets de charge étaient prononcés (1, 2 et 3) tandis que la tache sombre (4) contenait plus de carbone (83,51%). Il s'agit d'un additif à l'explication initiale selon laquelle la silice joue un rôle important avec les ponts d'oxygène dans l'amélioration de la résistance des briquettes. La cartographie élémentaire de la meilleure briquette en termes de contenu énergétique (2% de bentonite) est présentée sur la Fig. 10. La cartographie montre que le carbone est l'élément prédominant dans la briquette. En effet, le charbon sous-bitumineux et la biomasse sont majoritairement dominés par le carbone. La figure 10 montre également que l'oxygène, le magnésium, l'aluminium, le silicium, le soufre, le potassium, le calcium et le fer ont été piégés le long du carbone. La répartition uniforme de ces éléments est importante pour une combustion complète lorsque des briquettes sont utilisées2. Les répartitions de ces éléments sont régulières sur toute la surface de la briquette. Aucun élément n'est dominant à une position qui peut inhiber la combustion de la briquette combustible à une telle position.

Images MEB des briquettes avec différentes teneurs en bentonite (a) 2 %, (b) 4 %, (c) 6 %, (d) 8 %, (e) 10 %.

Analyses élémentaires ponctuelles de l'échantillon avec 10 % de bentonite.

Cartographie élémentaire de la briquette avec 2% de bentonite.

L'utilisation de la bentonite comme liant inorganique pour le briquetage du charbon subbitumineux et de la biomasse torréfiée a été étudiée. La durabilité physico-mécanique et le contenu énergétique des briquettes produites ont été évalués. La bentonite a réduit l'indice de résistance à l'eau de la briquette. L'augmentation de la bentonite dans la briquette a amélioré la résistance à la rupture et à l'impact. Les indices de chute à rupture et de résistance aux chocs les plus élevés pour les briquettes étaient de 150 fois/2 m et 3000, respectivement. La résistance à l'écrasement à froid la plus élevée a été obtenue à une teneur en bentonite de 10 %. La bentonite a altéré le contenu énergétique des briquettes. La teneur énergétique la plus faible (17,68 MJ/kg) a été obtenue à 10 % de bentonite. Le carbone et d'autres éléments étaient uniformément répartis dans les briquettes. Sur la base de l'équilibre nécessaire entre la durabilité physico-mécanique et la teneur énergétique, 2 % de bentonite sont recommandés comme teneur en liant pour le briquetage du charbon sous-bitumineux et de la biomasse torréfiée. La briquette produite avec 2% de bentonites de charbon est une bonne matière première pour les centrales thermiques et les fours rotatifs.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Département de génie mécanique, Université du Nil du Nigéria, Abuja, Nigéria

AA Adeleke

Département de génie des matériaux et de la métallurgie, Université d'Ilorin, Ilorin, Nigeria

JK Odusote

Département de génie mécanique, Landmark University, Omu-Aran, Nigeria

PP Ikubanni

Département de génie mécanique, Université William Tubman, Harper, Libéria

AS Olabissi

Département de génie pétrolier et gazier, Université du Nil du Nigéria, Abuja, Nigéria

P.Nzerem

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AAA et OJK ont conçu l'idée de recherche. AAA et IPP ont fourni le matériel pour la recherche et préparé les échantillons. AAA a effectué les autres expériences de laboratoire sur les échantillons préparés pour obtenir les données requises. AAA et OAS ont effectué les analyses de données. AAA a rédigé la première ébauche du manuscrit. OJK, IPP, OAS et NP ont contribué à la discussion scientifique du manuscrit.

Correspondance à PP Ikubanni.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Adeleke, AA, Odusote, JK, Ikubanni, PP et al. Briquetage de charbon subbitumineux et de biomasse torréfiée utilisant la bentonite comme liant inorganique. Sci Rep 12, 8716 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12685-5

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Reçu : 08 mars 2022

Accepté : 13 mai 2022

Publié: 24 mai 2022

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

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