無機バインダーとしてベントナイトを使用した亜瀝青炭と焙焼バイオマスの練炭化

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8716 (2022) この記事を引用

1523 アクセス

3 引用

メトリクスの詳細

エネルギー生成のための亜瀝青炭や焙焼バイオマスの練炭に無機バインダーを使用する例はほとんどありません。 本研究は、ベントナイトをバインダーとして使用し、亜瀝青炭（SubC）と焙焼バイオマス（TM）から製造された練炭の物理機械的耐久性とエネルギー含有量に焦点を当てています。 ブリケットは 95% SubC と 5% TM を使用して製造されました。 ベントナイトは、SubC と TM の合計重量の 2 ～ 10% で変化しました。 練炭は、油圧プレスで一定の圧力 (28 MPa) で製造されました。 ブリケットは最初に室温で硬化され、次に管状炉内で不活性条件下で 300 \(^\circ{\rm C}\) で 60 分間硬化されました。 ブリケットの密度と耐水性 (WRI) を評価しました。 ブリケットの落下破壊（ＤＦ）、耐衝撃性指数（ＩＲＩ）、冷間圧壊強度（ＣＣＳ）および転倒強度指数（ＴＳＩ＋３ｍｍ）を求めた。 反応性指数 (RI)、近似値、極限値、および発熱量の分析は、さまざまな ASTM 規格に基づいて評価されました。 微細構造の研究と元素マッピングは、EDS と電子プローブ マイクロアナライザーを備えた走査型電子顕微鏡を使用して実行されました。 密度はベントナイト含有量の増加とともに増加しました。 WRI はベントナイトの増加とともに減少しましたが、結合剤含有量 10% で最小値 (95.21%) が得られました。 DF と IRI の範囲は、それぞれ 100 ～ 150 と 2000 ～ 3000 です。 CCS は 19.71 ～ 40.23 MPa の範囲でした。 RI は 34 ～ 50% の範囲で変化します。 ブリケット中のベントナイト含有量が増加すると、固定炭素、炭素および発熱量が低下しました。 機械的に結合した酸素とシリカの架橋が練炭の顕微鏡写真で観察されました。 2% のベントナイト含有量で製造された練炭は、同等のエネルギー含有量でより優れた物理機械的耐久性を備えています。 熱および冶金用途の原料として推奨されます。

廃棄物の生成は人間にとって不可欠な部分です。 これらの廃棄物の一部は、さまざまな産業や家庭での用途に適した原料となります。 石炭の採掘、取り扱い、輸送から生じる廃棄物は常に 100 万トン単位です1。 石炭微粉 (< 3 mm) は廃棄物と呼ばれることが多く、塊炭を加工または取り扱うときに必然的に生成されます2,3。 木材加工産業からの廃棄物も、特に発展途上国では百万トンに上ると報告されています4,5。 これらの廃棄物は、エネルギー生成 6,7、金属マトリックス複合材の強化 8,9,10、マイクロ電気機械システム 3 など、さまざまな応用分野で有用であることがわかっています。 主に発展途上国は、エネルギー構成が低いという特有の問題を抱えています。 したがって、さまざまな分野の研究者が、既存のエネルギー源に追加できる可能性のあるエネルギー源として、これらの廃棄物（石炭とバイオマス）を利用し続けています。 Adeleke11 は、穏やかな熱分解によってバイオマス廃棄物のエネルギー含有量を改善し、それを希薄グレードの石炭廃棄物に添加して複合練炭を製造しました。 製造された燃料練炭は、産業用および家庭用として推奨されました。 Adelekeら12は、改良型バイオマスと固形燃料としての石炭微粉から練炭を製造した。 練炭は機械的に安定しており、燃焼特性も良好であることが報告されています。 Trubetskaya et al.13 は、焙焼されたバイオマスと石炭から作られた薪ストーブ用練炭の特徴を明らかにしました。 無機物は、原料の有機組成よりも練炭の反応性に影響を与えませんでした。 無機物の増加に伴ってブリケットの気孔率が低下した。 練炭の物理機械的完全性は報告されていない。 Guo et al.14 は、褐炭練炭用に最適化された複合バインダーを開発しました。 使用したバインダーはポリビニルアルコールとフミン酸ナトリウムでした。 機械的強度を向上させるための最適な複合バインダーとして、フミン酸ナトリウム (2wt.%) とポリビニル アルコール (0.5wt.%) が得られました。 亜炭練炭は産業用途に推奨されました。 石炭廃棄物から強力な練炭を製造する試みにおいて、Zhong らは糖蜜とコールタールピッチを結合剤として混合した15。 製造された最良のブリケットは、圧縮強度が 13.06 MPa、破壊までの落下速度が 56.6 時間/2 m であると報告されています。 練炭は主に COREX 製鉄プロセス用に製造されました。 Adeleke et al.2 は、ピッチバインダーを使用して石炭と木材微粉から複合ブリケットを製造し、特性評価しました。 木材微粉は、発熱量を改善し、その結合特性を発現させるために、最初に焙焼されました。 練炭は、3 ～ 20% の焙焼バイオマスと 80 ～ 97% の微粉炭から製造されました。 複合ブリケットでは、最適冷間圧潰強度 4 MPa、落下破壊時間 54 時間/2 m、および耐衝撃指数 1350 が記録されました。 練炭は産業用途に推奨されました。 Adeleke et al.4 はさらに、糖蜜とブレンドピッチをバインダーとして使用し、焙焼バイオマスと石炭から練炭を製造しました。 サンプルの転倒強度指数 (TSI+3 mm) と反応性指数 (RI) を、冶金用途の原料として使用できるかどうか評価しました。 硬化サンプルと 1200 \(^\circ{\rm C}\) に曝露したサンプルでは、​​TSI+3 mm が得られました。 硬化練炭サンプルの TSI+3 mm は 95.5 ～ 98.3% でしたが、1200 \(^\circ{\rm C}\) にさらされたサンプルでは 57.4 ～ 77.4% に大幅に低下しました。 練炭の RI は 48 ～ 56% であり、これは反応性が高いことを示していました。 TSI+3 mm と RI の結果、ブリケットは特に直接還元鉄の製造におけるロータリーキルンにおける炭素質材料として適切であることが報告されました。 石炭とバイオマスの複合物として製造されるさまざまな練炭の機械的安定性については、終わりのない議論があります。 これにより、さまざまなタイプの結合剤を使用して、エネルギー値を損なうことなく、より優れた機械的強度を備えたブリケットを製造することに新たな関心が集まりました。 これにより、最終的には研究者や実業家が固体燃料練炭の標準化された許容可能な機械的特性とエネルギー特性を導き出せる可能性があります。 したがって、本研究は、無機バインダーであるベントナイトを使用して、亜瀝青炭と焙焼バイオマスから製造された練炭の機械的完全性を改善することに焦点を当てています。 ベントナイトは、火山灰の変質によって頻繁に得られるアルミニウム層状ケイ酸塩です。 このバインダーはナイジェリアでは 100 万トンで入手可能です16。 ベントナイトは、複合材料に汚染物質を添加せずに練炭の強度を向上させる傾向がある優れた結合剤です17。 本研究は、亜瀝青炭および焙焼バイオマスの練炭用バインダーとしてのベントナイトの使用に関する限定的な研究成果に基づいて提案されている。 練炭は亜瀝青炭 (95%) と焙焼バイオマス (5%) から製造され、練炭の総重量に基づいてベントナイトを 2 ～ 10% の間で変化させます。 練炭の物理機械的分析とエネルギー含有量の分析が行われました。 無機バインダーとしてベントナイトを使用すると、ハイブリッドブリケットの物理機械的特性が改善されることが期待されます。 これは、他の有機および無機バインダーから製造された練炭の良い比較として役立ちます。