Kohlenstaub: eine überlegene Wahl als Bindemittel für Holzkohlebriketts
Holzkohlebriketts sind die wirtschaftliche Wahl, wenn es um heimische Feste Brennstoffe geht - und sind auch aus herstellerischer Sicht wünschenswert. Die Verwendung organischer Bindemittel wie Kohlenstaub kann aus kleineren und minderwertigen Holzstücken und Biomasse im Vergleich zu dem für Klumpenholzkohle erforderlichen Laubholz lebensfähige Brennstoffe mit wenig bis gar keinem Leistungsunterschied herstellen.
Einleitung
Holzkohlebriketts sind eine beliebte Quelle für Haushaltsbrennstoffe, die in erster Linie eine Heiz- oder Kochfunktion erfüllen. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihres geringen Gewichts und ihrer geringen Kosten sind sie eine sinnvolle Wahl, wenn ein fester Brennstoff im häuslichen und leichten industriellen Umfeld benötigt wird. Holzkohle gibt es seit vielen Hunderten - wenn nicht Tausenden - von Jahren und ist die einzige Kohlenstoffquelle, die in vorindustrieller Zeit zur Reduzierung von Erzen verwendet wurde(1).
Holzkohle enthält trotz ihres Namens keine Kohle. Es ist ein Rückstand, der entsteht, wenn Holz in einer sauerstoffarmen Atmosphäre auf hohe Temperaturen erhitzt wird, wodurch praktisch das gesamte Wasser und die flüchtigen organischen Verbindungen entfernt werden, die dabei vorhanden sind. Klumpenkohle (Klumpenholz) ist das, was aus Laubholzklumpen hergestellt wurde, während Briketts aus Holzkohle mit feineren Holzkohlepartikeln hergestellt werden. Diese Partikel werden gebildet und mit einem Bindemittel zusammengehalten.
Bindemittel gibt es in einer Vielzahl von Arten, aber in der Regel werden organische Bindemittel bevorzugt. Dies ist auf den erhöhten Aschegehalt zurückzuführen, der bei Verwendung eines anorganischen Bindemittels erforderlich ist - dies bedeutet, dass das Brikett eine geringere Heizleistung hat als Klumpenholzkohle oder organisch gebundene Briketts(2). Anthrazit - Kohlenstaub - ist ein Bindemittel, das im Einsatz immer beliebter wird.
Einer der Vorteile des Brikettierens besteht darin, dass es minderwertige Holzquellen verwenden kann (dh keine großen Stücke teuren Hartholzes), was bedeutet, dass mehr Holzkohle pro Einheit der gefällten Baumfläche produziert werden kann. Das Kernkonzept hinter Holzkohle ist die Idee der Karbonisierung. Das heißt, wenn organisches Material (Holz) durch zerstörerische Destillation (in diesem Fall Pyrolyse) in Kohlenstoff (Holzkohle) umgewandelt wird. Während des Karbonisierungsprozesses von Holz werden andere Materialien hergestellt, darunter Teer, Terpene und "Bioöl". Viele davon können auch als Bindemittel in späteren Holzkohleherstellungsprozessen verwendet werden(3).
Die
Gießereiindustrie
ist kohlenstoffemissionsintensiv. Es wurde von einigen vorgeschlagen, dass Holzkohle eine praktikable Alternative zu Gießereikoks als Brennstoffquelle sein könnte, um die Emissionen zu reduzieren(4). Ein Teil des Problems besteht darin, dass - im Vergleich zu Koks - praktisch alle Holzkohlearten geringere Energiedichten und relativ hohe Reaktivitätsgrade aufweisen(5) und daher nicht in den Öfen mit höchster Temperatur, z. B. Kupolen, verwendet werden können. Ungeachtet dessen hat die Forschung gezeigt, dass durch den Ersatz eines Teils des Kokses durch anthrazithaltige Holzkohle die "Kohlenstoffladung" der Kuppel um 6 % gesenkt wurde(6). Die "Kohlenstoffladung" bezieht sich auf die Gesamtemissionen von Treibhausgasen pro Zyklus des Ofens. Andere praktikable Anwendungsfälle - insbesondere für die Öfen mit höheren Temperaturen - sind solche, bei denen Holzkohle verwendet wird, um die Zum Ofen gehende Hochluft zu erwärmen, wodurch Koks gespart wird(7). Dieser Prozess steigerte auch den Wirkungsgrad von 43 auf 62%.
Der Prozess der Pelletierung und Brikettierung
Neben der Herstellung eines Produkts, das leichter zu handhaben und zu verpacken ist, erhöht das Brikettieren die Schüttdichte des Materials und macht die Partikelgrößenverteilung innerhalb viel konsistenter. Transport- und Lagerkosten können im brikettierten Format leichter minimiert werden. Brikettieren ist eine Art Druckverdichtung, bei der das zu bildende Material agglomerieren darf und dann in die gewünschte Dichte mit Druck behandelt wird, wenn eine mechanische Trennung von Briketts nach Größe auftreten kann.
Wie bereits erwähnt, erfordern Brikettierprozesse typischerweise ein Bindemittel für alle Ausgangsmaterialien mit Ausnahme der höchsten Reinheit, die viele Formen annehmen können, aber die beliebtesten sind pyrolysierte stärkehaltige Pflanzen oder pulverförmiger Kohlenstaub(8). Das Brikettierverfahren bei Verwendung mit einem Bindemittel ist auch aus sicherheitstechnischer Sicht attraktiv, da explosionsanfällige Feinstaubpartikel reduziert werden. Die Manipulation des Brikettierprozesses, der endgültigen Partikelgröße und der Wahl des Bindemittels kann bei Bedarf zu einer gut zugeschnittenen Holzkohle für eine bestimmte Anwendung führen. Ein großer Vorteil bei der Verwendung eines Bindemittels zur Herstellung von Briketts ist, dass eine Verdichtung mit geringerem Druck erforderlich ist. Wenn kein Bindemittel verwendet wird, hängt die Festigkeit des Verdichtungsprozesses weitgehend von der Valenz oder den Kräften von Van der Waals oder der Verriegelung ab. Die Verwendung eines Bindemittels verleiht viel mehr Festigkeit, wobei hochviskose Bindemittel unter Druck Adsorptionsschichten bilden - eine große Verbesserung gegenüber jeder Festigkeit, die allein durch etwas wie Van der Waals bereitgestellt werden könnte.
Die Brikettierung erfolgt in der Regel entweder über eine herkömmliche Presse oder mit einem Schneckenextruder(9). Schneckenextruder sind für die Herstellung von Briketts mit einem höheren Homogenitätsgrad verantwortlich. Sie produzieren ein dichteres Brikett, sind aber weniger tolerant gegenüber hohem Feuchtigkeitsgehalt. Beide sind Beispiele für Druckanwendungen, bei denen die Innendrücke oft etwa 150 MPa erreichen. Die Anwendung von Druck ist entscheidend für die Bildung eines lebensfähigen Briketts - unabhängig davon, ob ein Bindemittel verwendet wird oder nicht(10). Die Pelletierung ist eine andere Methode, die jedoch einen kleineren Brennstoff erzeugt als herkömmliche Holzkohle.
Je nachdem, wann das Bindemittel zugegeben wird, kann es sich auf die Karbonisierung auswirken. Wird Holzkohle aus bereits verkohltem Holz hergestellt, dient das Bindemittel nur als Bindemittel. Umgekehrt kann bei Zusatz vor der Karbonisierung ein Effekt erzielt werden. Organische Bindemittel, die der nicht verkokenden Holzkohle vor der Karbonisierung zugesetzt wurden, und es wurden Festigkeitssteigerungen festgestellt(11).
Kohlenstaub als Bindemittel
Kohlenstaub
- oft und austauschbar als Anthrazit bezeichnet - ist ein Material, das beim Feinmahlen von Anthrazitkohle entsteht. Anthrazit gilt als die überlegene Form der Kohle. Kohlenstaub bewährt sich auch als Bindemittel in anderen Szenarien.
Da Bindemittel vor der Verdichtung zugegeben werden und für die Partikelagglomeration verantwortlich sind, ist es wichtig, dass mehrere Faktoren berücksichtigt werden und eine angemessene Einstufung des Kohlenstaubs erreicht wird:
- Die Partikelgröße muss einheitlich sein, um eine konsistente Bindung zu gewährleisten
- Die Partikelgröße darf nicht zu groß sein, wodurch die Fließfähigkeit in den Verdichtungsbereich gefährdet wird
- Die Materialhärte muss angemessen sein, da sonst die Agglomeration behindert wird
Glücklicherweise lässt sich Anthrazit- / Kohlenstaub leicht manipulieren und kann leicht zu einem sehr geeigneten Bindemittel geformt werden.
Forschung und Patentliteratur zeigen, dass bei der Verwendung eines organischen Bindemittels wie Anthrazit das Bindemittel in Mengen zwischen etwa 2 und 8 Gem.-% vorhanden ist(12,13), was bedeutet, dass typischerweise mehr als 90% der Masse der Holzkohle aus dem ursprünglichen Holzprodukt stammen.
Anthrazit-Bindemittel in Holzkohle fügen auch Funktionalität in Form einer Wärmequelle hinzu - Anthrazit ist an sich brennbar und gilt als ausgezeichnete Brennstoffquelle(14). Dieses Phänomen wird auch beim Brikettieren beobachtet, wenn andere kohlenstoffreiche Bindemittel wie Lignin verwendet werden(15).
Es hat sich gezeigt, dass bindemittel auf Kohlebasis andere organische und praktisch alle anorganischen Bindemittel beim Brikettieren in Bezug auf die Druckfestigkeit übertreffen(16). Die Wechselwirkung von kohlenstoffhaltigem Bindemittel und ursprünglichem Brennstoffmaterial ist komplex und beruht auf einem komplizierten Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräften. zusätzlich zu den physikalischen Druckkräften, die durch den Herstellungsprozess auf ihn ausgeübt werden(17). Die Festigkeitssteigerung erklärt sich jedoch weitgehend durch die unterschiedlichen Benetzungseigenschaften von Kohle im Vergleich zu Holzkohle; mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt (d.h. kohlenstoffreiche Kohlen wie Anthrazit) nimmt der Kontaktwinkel der Holzkohle und des Bindemittels ab, wodurch die Haftenergie zunimmt(18) - und damit die Festigkeit zunimmt.
Es wird allgemein angenommen, dass Anthrazit aufgrund seiner frei fließenden Natur in Pulverform ein einfaches Material ist, mit dem man arbeiten kann, und dies macht es noch besser geeignet, es als Bindemittel zu verwenden. Berichte in der Patentliteratur beschreiben die Verwendung von teeren oder viskoseren Kohlenstoffbindemitteln als relativ schwierig, insbesondere bei mäßig hohen atmosphärischen Temperaturen(19). Dies könnte möglicherweise ein Problem für die Herstellung von Holzkohle in einigen wärmeren Klimazonen in den Entwicklungsländern sein.
Die Auswirkungen von Wasser
Wie bei vielen Überlegungen in der Gießerei- und Kraftstoffproduktionsumgebung ist die Kontrolle der Feuchtigkeit von größter Bedeutung. Ein nasser Kraftstoff ist ein schlechter Kraftstoff. Die Zugabe von
kohlenstoffreichen Materialien wie Anthrazit
kann die relative Hydrophilie eines Kraftstoffs modulieren - dies ist wichtig für die Speicherung. Es hat sich gezeigt, dass Anthrazit, wenn es auf extreme Temperaturen erhitzt wird, hydrophiler wird(20). Es sollte darauf geachtet werden, nur die entsprechende Menge Anthrazit zu verwenden. Andere kohlenstoffreiche Materialien, darunter Braunkohle und bituminöse Kohlen, werden in dieser Hinsicht jedoch durchweg von Anthrazit übertroffen(21).
Beratung von Manganoxid
- Briketts sind eine billige und zuverlässige Kraftstoffquelle
- Holz wird in einer sauerstoffarmen Umgebung wärmebehandelt, um Holzkohle herzustellen
- Bindemittel können verwendet werden, um kleinere Holzstücke zusammenzukneichen, was bedeutet, dass minderwertiges Holz anstelle von teuren Stücken aus großem Hartholz verwendet werden kann
- Kohlenstaub (Anthrazit) ist aufgrund seiner Verfügbarkeit, einfachen Anwendung und hervorragenden Leistung ein ausgezeichnetes Bindemittel
- Holzkohlebriketts werden für Gießereianwendungen untersucht, um die Gesamtkohlenstoffemissionen zu reduzieren
Verweise
1 V. Smil, Still the Iron Age: Iron and Steel in the Modern World, Butterworth-Heinemann, London, 2016
2 R. H. Venderbosch et al., Adv. Chem. Eng., 2013, 42, 75
3 N. Tancredi et al., J. Energ. NAT. Ressourcen., 2015, 4, 34
4 E. Mousa et al., Appl. Sci., 2019, 9, 5288
5 N. Norberg et al., Appl. Energie, 2018, 213, 384
6 R.M. Torielli et al., Int. J. Met., 2014, 8, 37
7 M. H. Gavra et al., Int. J. Emerg. Tech. Eng. Res., 2017, 5, 54
8 K. N. Finney et al., Energy Fuel, 2009, 23, 3195
9 R. Saidur et al., Erneuern. Erhalten. Energ. Rev., 2011, 15, 2262
10. L. F. Hawley, J. Ind. Eng. Chem., 1921, 13, 301
11 B. Rubio et al., Carbon, 1999, 37, 1833
12 US-Patent US5221290A, 1991
13. A. Demirbas, Energiequellen, Pt. A: Wiederherstellung, Nutzung, Env. Effekte, 2009, 31, 1694
14 A. Caldera-Pires et al., J. Cleaner Prod., 2011, 19, 1647
15 F. Cannon et al., Fuel, 2012, 97, 869
16 D. Taulbee et al., Int. J. Kohlenvorbereitung. Nutzen., 2009, 29, 1
17 G. Zhang et al., Erneuern. Erhalten. Energ. Rev., 2018, 82, 477
18 B. Tian et al., China Coal, 2013, 37, 80
19 US-Patent US1609097A, 1922
20 W. Xia und G. Xie, Powder Tech., 2014, 264, 31
21 F. F. Alplan et al., Kolloide und Oberflächen, 1984,12, 1
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