La poussière de charbon: un choix supérieur comme liant pour les briquettes de charbon de bois
Les briquettes de charbon de bois sont le choix économique en matière de combustible solide domestique - et sont également souhaitables du point de vue de la fabrication. L’utilisation de liants organiques tels que la poussière de charbon peut produire des combustibles viables à partir de morceaux de bois et de biomasse plus petits et de qualité inférieure, par rapport au bois dur requis pour le charbon de bois en morceaux, avec peu ou pas de différence de performance.
Introduction
Les briquettes de charbon de bois sont une source populaire de combustible domestique, remplissant principalement une fonction de chauffage ou de cuisson. Leur densité énergétique élevée, leur faible poids et leur faible coût en font un choix judicieux lorsqu’un combustible solide est nécessaire dans le cadre domestique et industriel léger. Le charbon de bois existe depuis des centaines, voire des milliers d’années, étant la seule source de carbone utilisée pour réduire les minerais à l’époque préindustrif(1).
Le charbon de bois ne contient pas de charbon, malgré son nom. C’est un résidu formé lorsque le bois est chauffé à des températures élevées dans une atmosphère déficiente en oxygène, éliminant pratiquement toute l’eau et les composés organiques volatils présents dans le processus. Le charbon de bois en morceaux (lumpwood) est celui qui a été produit à partir de morceaux de bois dur, tandis que les briquettes de charbon de bois sont produites à l’aide de particules de charbon plus fines. Ces particules sont formées et maintenues ensemble avec un liant.
Les liants sont disponibles dans une variété de types mais, en règle générale, les liants organiques sont préférés. Cela est dû à l’augmentation de la teneur en cendres requise si un liant inorganique est utilisé - cela signifie que la briquette aura une capacité de chauffage inférieure à celle du charbon de bois ou des briquettes organiques liées(2). L’anthracite - poussière de charbon - est un liant qui devient de plus en plus populaire dans l’utilisation.
L’un des avantages du briquetage est qu’il peut utiliser des sources de bois de qualité inférieure (c’est-à-dire pas de gros morceaux de bois dur coûteux), ce qui signifie que plus de charbon de bois peut être produit par unité de surface d’arbre abattue. Le concept central derrière le charbon de bois est l’idée de carbonisation. C’est-à-dire où la matière organique (bois) est convertie en carbone (charbon de bois) par distillation destructrice (dans ce cas, pyrolyse). Au cours du processus de carbonisation du bois, d’autres matériaux sont produits, notamment du goudron, des terpènes et de la «bio-huile». Beaucoup d’entre eux peuvent également être utilisés comme liants dans les processus ultérieurs de fabrication du charbon de bois(3).
est une industrie à forte intensité d’émissions de carbone. Certains ont proposé que le charbon de bois puisse être une alternative viable au coke de fonderie comme source de combustible dans le but de réduire les émissions(4). Une partie du problème est que, par rapport au coke, pratiquement tous les types de charbon de bois ont des densités d’énergie plus faibles et des réactivités relativement élevées(5) et ne peuvent donc pas être utilisés dans les fours à température la plus élevée, par exemple les coupoles. Malgré cela, la recherche a montré qu’en remplaçant une partie seulement du coke par du charbon de bois contenant de l’anthracite, le coût de la «charge carbone» pour la coupole a été réduit de 6%(6). La «charge carbone» fait référence aux émissions globales de gaz à effet de serre par cycle du four. D’autres cas d’utilisation viables - en particulier pour les fours à haute température - comprennent ceux où le charbon de bois est utilisé pour chauffer l’air de sablage allant au four, économisant ainsi du coke(7). Ce processus a également augmenté l’efficacité de 43 à 62%.
Le procédé de granulation et de briquetage
En plus de produire un produit plus facile à manipuler et à emballer, le briquetage augmente la densité apparente du matériau et rend la distribution granulométrique beaucoup plus cohérente. Les coûts de transport et de stockage peuvent être plus facilement minimisés dans le format briqueté. Le briquetage est un type de compactage sous pression, où le matériau à former est autorisé à s’agglomérer, puis est traité sous pression dans la densité souhaitée, lorsque la séparation mécanique des briquettes par taille peut se produire.
Comme nous l’avons mentionné, les procédés de briquetage nécessitent généralement un liant pour tous les matériaux de départ de pureté, sauf les plus purs, qui peuvent prendre de nombreuses formes, mais les plus populaires sont les plantes féculentes pyrolysées ou la poussière de charbon en poudre(8). Le procédé de briquetage lorsqu’il est utilisé avec un liant est également attrayant du point de vue de la sécurité, car les particules fines susceptibles d’être sensibles à l’explosion sont réduites. La manipulation du processus de briquetage, la taille finale des particules et le choix du liant peuvent conduire à un charbon de bois bien adapté à une application spécifique, si nécessaire. L’un des principaux avantages de l’utilisation d’un liant pour produire des briquettes est qu’un compactage à plus faible pression est nécessaire. Si aucun liant n’est utilisé, la résistance du processus de compactage repose en grande partie sur la valence ou les forces de Van der Waals, ou l’enclenchement. L’utilisation d’un liant ajoute beaucoup plus de solidité, avec des liants très visqueux formant des couches d’adsorption sous pression - une grande amélioration par rapport à toute résistance qui pourrait être fournie par quelque chose comme Van der Waals seul.
Le briquetage s’fait généralement soit par une presse traditionnelle, soit par une extrudeuse à vis(9). Les extrudeuses à vis sont responsables de la production de briquettes avec un degré d’homogénéité plus élevé. Ils produisent une briquette plus dense mais sont moins tolérants à une teneur élevée en humidité. Les deux sont des exemples d’applications de pression, avec des pressions internes atteignant souvent environ 150 MPa. L’application de pression est cruciale dans la formation d’une briquette viable , qu’un liant soit utilisé ou non(10). La pelletisation est une autre méthode, mais elle produit un combustible plus petit que ce qui serait considéré comme du charbon de bois conventionnel.
Selon le moment où le liant est ajouté, il peut avoir un effet sur la carbonisation. Si le charbon de bois est fabriqué à partir de bois déjà carbonisé, le liant ne sert que de liant. Inversement, s’il est ajouté avant la carbonisation, un effet peut être rendu. Des liants organiques ajoutés au charbon de bois non à coke avant la carbonisation et des augmentations de résistance ont été notés(11).
La poussière de charbon comme liant
La poussière de charbon
- souvent et de manière interchangeable connue sous le nom d’anthracite - est un matériau produit par le broyage fin du charbon anthracite. L’anthracite est considéré comme la forme supérieure du charbon. La poussière de charbon prouve également son courage en tant que liant dans d’autres scénarios.
Comme les liants sont ajoutés avant le compactage et sont responsables de l’agglomération des particules, il est essentiel que plusieurs facteurs soient pris en compte et qu’un classement approprié de la poussière de charbon soit atteint:
- La taille des particules doit être uniforme, assurant une cohérence de liaison
- La taille des particules ne doit pas être trop grande, ce qui risque d’être fluide dans la zone de compactage
- La dureté du matériau doit être appropriée, sinon l’agglomération sera entravée
Heureusement, la poussière d’anthracite / charbon est facilement manipulée et peut être facilement formée en un liant très approprié.
La recherche et la littérature de brevets montrent que lorsque des briquettes de charbon de bois sont produites à l’aide d’un liant organique tel que l’anthracite, le liant est présent en quantités comprises entre environ 2 et 8 % en poids(12,13), ce qui signifie que généralement plus de 90 % de la masse du charbon de bois est dérivée du produit ligneux d’origine.
Les liants anthracites dans le charbon de bois ajoutent également de la fonctionnalité sous la forme d’une source de chaleur - l’anthracite est en soi combustible et est considéré comme une excellente source de combustible(14). Ce phénomène est également observé dans le briquetage lorsque d’autres liants riches en carbone, tels que la lignine, sont utilisés(15).
Il a été démontré que les liants à base de charbon surpassent les autres liants organiques et pratiquement tous les liants inorganiques en briquetage en termes de résistance à la compression(16). L’interaction du liant carboné et du matériau combustible d’origine est complexe, s’appuyant sur un réseau complexe de liaison hydrogène et de forces de Van der Waals; en plus des forces physiques de compression appliquées sur elle par le procédé de fabrication(17). Cependant, l’augmentation de la résistance s’explique en grande partie par les différentes propriétés mouillantes du charbon par rapport au charbon de bois; avec l’augmentation de la teneur en carbone (c’est-à-dire les charbons riches en carbone tels que l’anthracite), l’angle de contact du charbon de bois et du liant diminue, ce qui entraîne une augmentation de l’énergie d’adhérence(18), ce qui augmente la résistance.
Il est largement considéré que l’anthracite est un matériau facile à travailler, en raison de sa nature fluide lorsqu’il est sous forme de poudre, et c’est ce qui le rend encore plus adapté à une utilisation comme liant. Les rapports de la littérature sur les brevets décrivent l’utilisation de liants de carbone plus goudronneux ou visqueux comme relativement difficile, en particulier à des températures atmosphériques modérément élevées(19). Cela pourrait potentiellement être un problème pour la fabrication de charbon de bois dans certains climats plus chauds du monde en développement.
L’impact de l’eau
Comme pour de nombreuses considérations dans l’environnement de production de fonderie et de carburants, le contrôle de l’humidité est primordial. Un carburant humide est un mauvais carburant. L’ajout de
matériaux riches en carbone tels que l’anthracite
peut moduler l’hydrophilie relative d’un carburant - c’est important en termes de stockage. Il a été démontré que lorsque l’anthracite est chauffé à des températures extrêmes, il devient plus hydrophile(20). Des précautions appropriées doivent être prises pour n’utiliser que la quantité appropriée d’anthracite. Toutefois, d’autres matériaux riches en carbone, notamment le lignite et les charbons bitumineux, sont systématiquement surpassés par l’anthracite à cet égard(21).
Résumé
- Les briquettes sont une source de carburant bon marché et fiable
- Le bois est traité thermiquement dans un environnement à faible teneur en oxygène pour produire du charbon de bois
- Les liants peuvent être utilisés pour coller des morceaux de bois plus petits ensemble, ce qui signifie que du bois de qualité inférieure peut être utilisé au lieu de morceaux coûteux de gros bois dur
- La poussière de charbon (anthracite) est un excellent liant en raison de sa disponibilité, de sa facilité d’application et de ses excellentes performances
- Les briquettes de charbon de bois sont à l’étude pour les fonderies afin de réduire les émissions globales de carbone
Références
1 V. Smil, Still the Iron Age: Iron and Steel in the Modern World, Butterworth-Heinemann, Londres, 2016
2 R. H. Venderbosch et coll., Adv. Chem. Eng., 2013, 42, 75
3 N. Tancredi et al., J. Energ. Nat. Resourc., 2015, 4, 34
4 E. Mousa et coll., Appl. Sci., 2019, 9, 5288
5 N. Norberg et coll., Appl. Énergie, 2018, 213, 384
6 R.M. Torielli et coll., Int. J. Met., 2014, 8, 37
7 M. H. Gavra et coll., Int. J. Emerg. Tech. Eng. Res., 2017, 5, 54
8 K. N. Finney et al., Energy Fuel, 2009, 23, 3195
9 R. Saidur et coll., Renouveler. Soutenir. Energ. Rev., 2011, 15, 2262
10 L. F. Hawley, J. Ind. Eng. Chem., 1921, 13, 301
11 B. Rubio et al., Carbone, 1999, 37, 1833
12 Brevet US5221290A, 1991
13 A. Demirbas, Sources d’énergie, Pt. A: Récupération, Utilisation, Env. Effets, 2009, 31, 1694
14 A. Caldera-Pires et al., J. Cleaner Prod., 2011, 19, 1647
15 F. Cannon et al., Carburant, 2012, 97, 869
16 D. Taulbee et coll., Int. J. Préparation du charbon. Utiliser., 2009, 29, 1
17 G. Zhang et coll., Renouveler. Soutenir. Energ. Rev., 2018, 82, 477
18 B. Tian et al., China Coal, 2013, 37, 80
19 Brevet us US1609097A, 1922
20 W. Xia et G. Xie, Powder Tech., 2014, 264, 31
21 F. F. Alplan et al., Colloïdes et surfaces, 1984, 12, 1
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