Polvo de carbón: una opción superior como aglutinante para briquetas de carbón
Las briquetas de carbón son la opción económica cuando se trata de combustible sólido doméstico, y también son deseables desde el punto de vista de la fabricación. El uso de aglutinantes orgánicos como el polvo de carbón puede hacer combustibles viables a partir de piezas de madera y biomasa más pequeñas y de menor calidad, en comparación con la madera dura requerida para el carbón de madera en grumos, con poca o ninguna diferencia en el rendimiento.
Introducción
Las briquetas de carbón son una fuente popular de combustible doméstico, que cumple principalmente una función de calefacción o cocción. Su alta densidad de energía, bajo peso y bajo costo significan que son una opción sensata para cuando se requiere un combustible sólido en el entorno doméstico e industrial ligero. El carbón vegetal ha existido durante muchos cientos, si no miles, de años, siendo la única fuente de carbono utilizada para reducir los ores en tiempos preindustriales(1).
El carbón vegetal no contiene carbón, a pesar de su nombre. Es un residuo que se forma cuando la madera se calienta a altas temperaturas en una atmósfera deficiente en oxígeno, eliminando prácticamente toda el agua y los compuestos orgánicos volátiles presentes en el proceso. El carbón vegetal en grumos (lumpwood) es el que se ha producido a partir de grumos de madera dura, mientras que las briquetas de carbón vegetal se producen utilizando partículas de carbón más finas. Estas partículas se forman y se mantienen unidas con un aglutinante.
Los aglutinantes vienen en una variedad de tipos, pero, como regla general, se prefieren los aglutinantes orgánicos. Esto se debe al mayor contenido de cenizas requerido si se utiliza un aglutinante inorgánico, lo que significa que la briqueta tendrá una menor capacidad de calentamiento que el carbón de madera en grumos o las briquetas orgánicas enlazadas(2). La antracita - polvo de carbón - es un aglutinante que se está volviendo más popular en su uso.
Una de las ventajas de la briqueta es que puede utilizar fuentes de madera de menor calidad (es decir, no grandes piezas de madera dura costosa), lo que significa que se puede producir más carbón por unidad de área de árboles talados. El concepto central detrás del carbón vegetal es la idea de la carbonización. Es decir, donde el material orgánico (madera) se convierte en carbono (carbón vegetal) a través de la destilación destructiva (en este caso, pirólisis). Durante el proceso de carbonización de la madera, se producen otros materiales, como el alquitrán, los terpenos y el «bioapelo». Muchos de estos también pueden ser utilizados como aglutinantes en procesos posteriores de fabricación de carbón(3).
La
industria de la fundición
es intensiva en emisiones de carbono. Algunos han propuesto que el carbón vegetal puede ser una alternativa viable al coque de fundición como fuente de combustible en un esfuerzo por reducir las emisiones(4). Parte del problema es que, en comparación con el coque, prácticamente todos los tipos de carbón tienen densidades de energía más bajas y reactividades relativamente altas(5) y, por lo tanto, no pueden utilizarse en los hornos de mayor temperatura, por ejemplo, las cúpulas. A pesar de esto, la investigación ha demostrado que reemplazando solo parte del coque con carbón que contiene antracita, el costo de la "carga de carbono" para la cúpula se redujo en un 6%(6). La "carga de carbono" se refiere a las emisiones totales de gases de efecto invernadero por ciclo del horno. Otros casos de uso viables, especialmente para los hornos de mayor temperatura, incluyen aquellos en los que se utiliza carbón vegetal para calentar el aire alto que va al horno, ahorrando coque(7). Este proceso también aumentó la eficiencia del 43 al 62%.
El proceso de peletización y briquetado
Además de producir un producto que se maneja y empaqueta más fácilmente, la briqueta aumenta la densidad aparente del material y hace que la distribución del tamaño de partícula dentro sea mucho más consistente. Los costes de transporte y almacenamiento se pueden minimizar más fácilmente en el formato briquetado. La briquetación es un tipo de compactación a presión, donde se permite que el material a formar se aglome y luego se trata a presión en la densidad deseada, cuando puede ocurrir la separación mecánica de briquetas por tamaño.
Como se mencionó, los procesos de briquetas generalmente requieren un aglutinante para todos los materiales de partida de mayor pureza, excepto los de mayor pureza, que pueden tomar muchas formas, pero las más populares son las plantas con almidón pirofisado o el polvo de carbón en polvo(8). El proceso de briquetado cuando se usa con un aglutinante también es atractivo desde una perspectiva de seguridad, ya que se reducen las partículas finas que pueden ser susceptibles a la explosión. La manipulación del proceso de briquetado, el tamaño de partícula final y la elección del aglutinante pueden conducir a un carbón bien adaptado para una aplicación específica, si es necesario. Una ventaja importante en el uso de un aglutinante para producir briquetas es que se requiere una compactación de menor presión. Si no se utiliza ningún aglutinante, la fuerza del proceso de compactación depende en gran medida de la valencia o las fuerzas de Van der Waals, o del enclavamiento. El uso de un aglutinante agrega mucha más solidez, con aglutinantes altamente viscosos que forman capas de adsorción bajo presión, una gran mejora sobre cualquier resistencia que podría proporcionarse a través de algo como van der Waals solo.
La briqueta generalmente se realiza a través de una prensa tradicional o con una extrusora de tornillo(9). Las extrusoras de tornillo son las encargadas de producir briquetas con un mayor grado de homogeneidad. Producen una briqueta más densa, pero son menos tolerantes al alto contenido de humedad. Ambos son ejemplos de aplicaciones de presión, con presiones internas que a menudo alcanzan alrededor de 150 MPa. La aplicación de presión es crucial en la formación de una briqueta viable, independientemente de si se utiliza o no un aglutinante(10). La peletización es otro método, pero esto produce un combustible más pequeño que lo que se consideraría carbón convencional.
Dependiendo de cuándo se agregue el aglutinante, puede tener un efecto sobre la carbonización. Si el carbón está hecho de madera ya carbonizada, el aglutinante sirve solo como aglutinante. Por el contrario, si se agrega antes de la carbonización, se puede realizar un efecto. Se observaron aglutinantes orgánicos añadidos al carbón vegetal no coque antes de la carbonización y aumentos de resistencia(11).
Polvo de carbón como aglutinante
El polvo de carbón,
a menudo e indistintamente conocido como antracita, es un material producido por la molienda fina del carbón de antracita. La antracita es considerada como la forma superior de carbón. El polvo de carbón también demuestra su temple como aglutinante en otros escenarios.
Como los aglutinantes se agregan antes de la compactación y son responsables de la aglomeración de partículas, es fundamental que se consideren varios factores y se alcance una clasificación adecuada del polvo de carbón:
- El tamaño de partícula debe ser uniforme, asegurando una consistencia de la unión
- El tamaño de partícula no debe ser demasiado grande, lo que corre el riesgo de fluidez en el área de compactación
- La dureza del material debe ser adecuada, de lo contrario se dificultará la aglomeración
Afortunadamente, el polvo de antracita / carbón se manipula fácilmente y se puede formar fácilmente en un aglutinante altamente apropiado.
La investigación y la literatura de patentes muestran que cuando las briquetas de carbón se producen utilizando un aglutinante orgánico como la antracita, el aglutinante está presente en cantidades de entre aproximadamente 2 y 8% en peso(12,13), lo que significa que típicamente más del 90% de la masa del carbón vegetal se deriva del producto de madera original.
Los aglutinantes de antracita en el carbón también agregan funcionalidad en forma de fuente de calor: la antracita es en sí misma combustible y se considera una excelente fuente de combustible(14). Este fenómeno también se observa en la briqueta cuando se utilizan otros aglutinantes ricos en carbono, como la lignina(15).
Se ha demostrado que los aglutinantes a base de carbón superan a otros aglutinantes orgánicos y prácticamente a todos los aglutinantes inorgánicos en briquetas en términos de resistencia a la compresión(16). La interacción del aglutinante carbonoso y el material combustible original es compleja, confiando en una intrincada red de enlaces de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals; además de las fuerzas físicas de compresión aplicadas sobre él por el proceso de fabricación(17). Sin embargo, el aumento de la resistencia se explica en gran medida por las diferentes propiedades humectantes del carbón en relación con el carbón; con el aumento del contenido de carbono (es decir, carbones ricos en carbono como la antracita), el ángulo de contacto del carbón y el aglutinante disminuye, lo que hace que la energía de adhesión aumente(18), lo que aumenta la resistencia.
Se considera ampliamente que la antracita es un material fácil de trabajar, debido a su naturaleza de flujo libre cuando está en forma de polvo, y es esto lo que la hace aún más adecuada para su uso como aglutinante. Los informes de la literatura de patentes describen el uso de aglutinantes de carbono más alquitranadores o viscosos como relativamente difícil, especialmente a temperaturas atmosféricas moderadamente altas(19). Esto podría ser un problema para la fabricación de carbón vegetal en algunos climas más cálidos en todo el mundo en desarrollo.
El impacto del agua
Al igual que con muchas consideraciones en el entorno de la fundición y la producción de combustibles, el control de la humedad es primordial. Un combustible húmedo es un mal combustible. La adición de materiales ricos en carbono como la
antracita
puede modular la hidrofilicidad relativa de un combustible, esto es importante en términos de almacenamiento. Se ha demostrado que cuando la antracita se calienta a temperaturas extremas, se vuelve más hidrófila(20). Se debe tener el cuidado apropiado de usar solo la cantidad adecuada de antracita. Sin embargo, otros materiales ricos en carbono, como el lignito y los carbones bituminosos, son consistentemente superados por la antracita a este respecto(21).
Consultoría de óxido de manganeso
- Las briquetas son una fuente de combustible barata y confiable
- La madera se trata térmicamente en un ambiente con bajo contenido de oxígeno para producir carbón vegetal
- Los aglutinantes se pueden usar para adherir piezas de madera más pequeñas, lo que significa que se puede usar madera de menor calidad en lugar de piezas costosas de madera dura grande.
- El polvo de carbón (antracita) es un excelente aglutinante debido a su disponibilidad, facilidad de aplicación y excelente rendimiento
- Las briquetas de carbón están siendo investigadas para usos de fundición para reducir las emisiones generales de carbono
Referencias
1 V. Smil, Still the Iron Age: Iron and Steel in the Modern World, Butterworth-Heinemann, Londres, 2016
2 R. H. Venderbosch et al., Adv. Chem. Eng., 2013, 42, 75
3 N. Tancredi et al., J. Energ. NAT. Recursos., 2015, 4, 34
4 E. Mousa y otros, Appl. Sci., 2019, 9, 5288
5 N. Norberg et al., Appl. Energía, 2018, 213, 384
6 R.M. Torielli y otros, Int. J. Met., 2014, 8, 37
7 M. H. Gavra et al., Int. J. Emergente. Tecnología. Eng. Res., 2017, 5, 54
8 K. N. Finney et al., Energy Fuel, 2009,23, 3195
9 R. Saidur et al., Renovar. Sostener. 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 Patente estadounidense US5221290A, 1991
13 A. Demirbas, Fuentes de energía, Pt. R: Recuperación, Utilización, Env. Efectos, 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. Preparación del carbón. Utilización., 2009, 29, 1
17 G. Zhang et al., Renovar. Sostener. Energ. Rev., 2018, 82, 477
18 B. Tian et al., China Coal, 2013,37, 80
19 Patente estadounidense US1609097A, 1922
20 W. Xia y G. Xie, Powder Tech., 2014,264, 31
21 F. F. Alplan et al., Coloides y superficies, 1984,12, 1
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