Technologie WTA pour le séchage du charbon de lignite

Technologie WTA pour le séchage du charbon de lignite

La technologie WTA (Wirbelschicht Trocknung Anlage) pour le séchage du charbon de lignite a été développée par la société allemande RWE Power AG. WTA est l'abréviation allemande qui signifie séchage en lit fluidisé avec utilisation interne de la chaleur résiduelle. RWE Power AG détient un bon nombre de brevets sur cette technologie.

Le premier sécheur à lit fluidisé à la vapeur a été développé par RWE en tant qu'usine de démonstration WTA-1 à Frechen près de Cologne, en Allemagne, avec une capacité de débit de 53 tonnes par heure de charbon de lignite brut ayant une granulométrie de 0 mm à 6 mm et une capacité d'évaporation de 25 tonnes par heure. Au cours des 20 000 heures de test de fonctionnement de 1993 à 1999, l'usine de démonstration WTA-1 ainsi que le système de compression de vapeur pour le chauffage du sécheur (utilisé pour la première fois dans le monde dans les applications de charbon de lignite) se sont avérés extrêmement efficaces et fiables.

D'autres travaux théoriques et une évaluation du test de fonctionnement de l'usine WTA-1 ont révélé un potentiel supplémentaire pour l'optimisation technique et économique des processus. Plusieurs alternatives de développement ont été envisagées et il a été révélé qu'une réduction de la taille des grains détenait le plus grand potentiel d'amélioration.

En 1999, RWE a construit une usine d'essai appelée WTA-2 pour le processus WTA à grains fins juste à côté de l'usine WTA-1 à Frechen. Cette nouvelle usine avait une capacité de conception qui a été augmentée en plusieurs étapes d'optimisation, passant à l'origine de 16,4 tonnes par heure de débit de charbon de lignite brut et de 8 tonnes par heure de capacité d'évaporation à un débit de charbon brut de 28,7 tonnes par heure et une capacité d'évaporation d'eau de 13,1 tonnes. par heure pendant un total de 8 200 heures de fonctionnement de l'usine d'ici 2011.

Sur la base de la vaste expérience de l'exploitation de l'usine WTA-2 avec une gamme de charbons de lignite du district de lignite rhénan, RWE a décidé en 2005 de construire l'usine prototype WTA de taille commerciale au Coal Innovation Center de Niederaussem. La capacité nominale était de 210 tonnes par heure de débit de charbon de lignite brut, de 110 tonnes par heure de charbon de lignite sec et la capacité d'évaporation était de 100 tonnes par heure. Cela représentait une étape de mise à l'échelle d'un facteur supérieur à 8. L'usine a été conçue comme une usine de production avec un système de contrôle de processus de type industriel et des dispositifs de sécurité. Il a été érigé entre 2006 et 2008 et le premier charbon de lignite brut a été séché en décembre 2008. Comme alternative à la conception de Niederaussem, tous les composants du flux de charbon principal peuvent également être installés les uns au-dessus des autres dans une structure en acier.

Actuellement, cette technologie fonctionne à la centrale électrique de Niederaussem d'une capacité de 1000 MW. Le système, qui peut traiter 210 tonnes de charbon brut par heure, a une capacité d'évaporation de 100 tonnes d'eau par heure et est la plus grande usine de séchage de lignite au monde. Il peut générer 110 tonnes de lignite sec par heure.

Le charbon de lignite est normalement converti en combustible solide de haute qualité lors de son traitement pour fabriquer des produits gazeux et liquides. Pour ce traitement, la teneur en humidité doit être réduite de 10 % à 20 %. Étant une opération technologique de base, le séchage du charbon de lignite améliore également la qualité du charbon de lignite. Une méthode de séchage économe en énergie améliore le bilan énergétique de l'ensemble du processus. En tant que méthode moderne de traitement et de séchage du charbon de lignite, la technologie WTA est utilisée et adaptée à tous les procédés ci-dessus. Il apporte une contribution essentielle à l'optimisation de l'ensemble du processus d'utilisation énergétique du lignite et à la réduction des émissions. Comme l'apport d'énergie pour le séchage augmente avec l'augmentation de la teneur en humidité, les améliorations d'efficacité obtenues grâce à la technologie WTA ne sont pas une valeur constante. Plus la teneur en humidité à éliminer est élevée, plus le potentiel d'amélioration de l'efficacité est grand.

L'émission de gaz de combustion associée à la production d'électricité est directement proportionnelle à la quantité de carburant consommée et à l'efficacité de la centrale électrique. L'augmentation de l'efficacité de la technologie WTA contribue directement à la réduction de ces émissions.

Dans le séchage conventionnel des charbons de lignite, le charbon est séché à l'aide de gaz de combustion chauds, qui sont extraits du four de la chaudière génératrice de vapeur à une température allant de 900 ° C à 1 000 ° C et dirigés vers les broyeurs pour le broyage. Là, les gaz de combustion chauds retirent une grande partie de l'humidité du charbon de lignite pendant qu'il est pulvérisé. Si ce processus combiné est découplé et séparé en séchage et broyage, le charbon de lignite peut être séché à basse température avec une plus grande efficacité énergétique. Le pré-séchage du charbon de lignite peut augmenter la valeur calorifique (CV) à un point tel qu'il peut être utilisé pour la combustion dans une chaudière à vapeur conventionnelle sans aucun combustible de secours.

Méthode de séchage à la vapeur

Le séchage à la vapeur du charbon est une méthode de séchage qui a été reléguée à une existence de niche dans le séchage du charbon jusqu'à il y a quelques années. En 1979, Potter et al. ont repris le principe du séchage à la vapeur et ont montré lors d'essais en laboratoire que les charbons de lignite pouvaient également être séchés en lit fluidisé fixe à l'aide de vapeur légèrement surchauffée.

Deux aspects rendent le séchage à la vapeur du charbon de lignite très intéressant. Le premier est la nécessité d'éliminer une grande quantité d'eau du charbon de lignite brut qui est de l'ordre d'une demi-tonne d'eau pour chaque tonne de charbon de lignite brut. Le deuxième aspect est le fait que le charbon de lignite se comporte de manière hygroscopique, ce qui signifie que la teneur en humidité du charbon de lignite s'équilibre avec l'atmosphère environnante et, pour un charbon de lignite donné, elle n'est fonction que de la pression de vapeur d'eau et de la température.

Lors du séchage du charbon de lignite dans de la vapeur pure à pression constante, disons la pression atmosphérique, alors l'humidité d'équilibre n'est fonction que de la température. La courbe décrivant cette relation est appelée isobare de désorption. Ceci est particulièrement intéressant du point de vue du contrôle du processus, puisque l'humidité du charbon de lignite séché ne dépend pas du temps de séchage, à condition que le charbon de lignite soit séché suffisamment longtemps pour s'équilibrer avec l'atmosphère de vapeur. De plus, le charbon de lignite ne peut pas être "sur-séché", car la teneur en humidité ne change plus, une fois l'équilibre atteint, quelle que soit la durée de son maintien dans la teinturerie. L'isobare de désorption dépend de la qualité du charbon de lignite. Cette dépendance pour deux types de charbons de lignite à une pression de système d'environ 1,1 atmosphères est illustrée à la figure 1. La figure 1 montre qu'une teneur en humidité d'équilibre d'environ 12 % est atteinte dans le charbon de lignite de type 1 à une température d'environ 110 degrés. C, tandis que dans le charbon de type 2, il est atteint à une température de 107 deg C.

Fig 1 Isobares typiques des charbons de lignite

L'utilisation de la vapeur pour le séchage des charbons de lignite présente les avantages suivants.

• Le séchage est effectué dans une atmosphère inerte qui assure un degré élevé de sécurité naturelle pour les caractéristiques potentiellement explosives du charbon de lignite sec.
• La teneur en humidité du lignite sec est simplement fonction de la température à pression constante.
• La température de séchage est relativement basse.
• Près de 100 % de la vapeur de séchage est constituée de vapeur, de sorte qu'elle se condense de manière isotherme. Il s'agit donc d'une source attrayante de chaleur perdue qui peut être utilisée activement de manière judicieuse.
• La condensation de la vapeur évite un grand volume d'émissions de vapeur et d'émissions de poussière.
• Le condensat récupéré est une source d'eau utilisable qui peut contribuer à répondre aux besoins en eau de l'usine.

Le procédé WTA et le sécheur à lit fluidisé 

Le charbon de lignite brut est broyé jusqu'à une taille inférieure à 2 mm dans deux broyeurs directement connectés en série. Après le broyage, le charbon est introduit dans le sécheur à lit fluidisé, dans lequel le milieu de fluidisation est la vapeur résultant du processus de séchage. L'évaporation de l'eau se produit à 110°C sous légère surpression par des échangeurs de chaleur intégrés au sécheur fluidisé et chauffés à la vapeur. Le temps de séjour du charbon de lignite dans la chambre de séchage est de l'ordre de 60 minutes à 90 minutes.

Le charbon séché quittant le lit fixe est séparé de la vapeur qui l'accompagne d'abord dans un cyclone puis dans un précipitateur électrostatique. La vapeur en sortie du cyclone est la vapeur utilisée pour la fluidisation du lit et la vapeur en sortie de l'électrofiltre est rejetée dans l'atmosphère. De plus, il y a une extraction grossière pour le charbon au fond du lit, qui est mélangé au charbon séparé au cyclone et à l'électrofiltre après avoir traversé un refroidisseur intermédiaire.

La chaleur nécessaire au séchage du charbon est fournie par de la vapeur externe, qui est normalement prélevée sur la turbine, le transfert de chaleur s'effectuant dans des faisceaux tubulaires situés à l'intérieur du lit. Le séchage dans le lit fluidisé réduit encore la granulométrie, de sorte que le charbon sec sortant du sécheur a généralement une granulométrie inférieure à 1 mm avec environ 9 % de plus de 1 mm. Le charbon séché a une teneur en humidité d'environ 12 %. En contrôlant la température du lit fluidisé, la teneur en humidité peut être ajustée et maintenue constante à la valeur souhaitée. Le processus WTA est une technologie importante pour la réduction des émissions de CO2 dans la production d'électricité à base de lignite.

Le charbon de lignite est acheminé via un alimentateur en étoile vers le séchoir, qui est sous légère surpression. Un système spécialement développé pour la technologie WTA est installé dans la partie supérieure du sécheur. Il distribue le charbon de lignite brut pré-broyé sur la surface du lit fluidisé. Le lit fluidisé est chauffé par de la vapeur basse pression ou, selon l'alternative de procédé, par de la vapeur recomprimée. C'est la vapeur qui se dégage lors du séchage du charbon de lignite. La pression de la vapeur de chauffage est d'environ 3 à 4 atmosphères. Pour le tourbillonnage (fluidisation), le système utilisé est adapté aux conditions particulières de séchage du charbon de lignite. Sous le fond de fluidisation, le charbon de lignite sec est déchargé du lit fixe via des alimentateurs en étoile. Le sécheur a une capacité spécifique élevée et une conception compacte. Le sécheur à lit fluidisé est illustré à la figure 2.

Fig 2 Schéma du sécheur à lit fluidisé  

Principe du processus WTA

La technologie du procédé WTA est basée sur l'utilisation du principe d'un lit fluidisé stationnaire à faible expansion à une légère surpression. Il s'agit d'un lit de particules solides qui est converti en un état "flottant à fluide" par un flux ascendant, généralement d'air. L'énergie nécessaire au séchage est fournie via des échangeurs de chaleur installés dans le sécheur à lit fluidisé qui sont chauffés à la vapeur. Seule une petite quantité d'énergie est fournie par le milieu de fluidisation. Ainsi, le débit de fluidisation et les besoins énergétiques du sécheur peuvent être contrôlés indépendamment l'un de l'autre.

Le transfert de chaleur entre les échangeurs de chaleur et le lit fluidisé est très bon et le flux de chaleur élevé peut être atteint même avec de petites différences de température. En conséquence, le séchoir, malgré sa conception compacte, a une capacité d'évaporation élevée. De plus, étant donné que le charbon de lignite brut après son broyage est pratiquement impossible à fluidiser en vrac en raison de ses propriétés cohésives, le lit fluidisé est généralement conçu comme un lit mixte de charbon de lignite sec comme support avec du charbon de lignite brut fraîchement broyé ajouté.

Le séchage s'effectue sous atmosphère de vapeur d'eau pure à près de 100 % et légèrement surchauffée. Dans le processus, l'équilibre est atteint à une pression constante entre la température de la vapeur concernée et l'humidité résiduelle dans le charbon de lignite.

L'avantage du séchage du charbon de lignite dans une atmosphère de vapeur est que l'eau évaporée du charbon se condense de manière isotherme, c'est-à-dire à une température constante, de sorte qu'elle peut être utilisée de manière énergétiquement efficace. Deux concepts d'utilisation de la vapeur ont été développés à l'échelle industrielle. Il s'agit (i) de la recompression mécanique de la vapeur en tant que processus de pompe à chaleur ouvert pour chauffer les échangeurs de chaleur du séchoir avec et sans préchauffage intégré du charbon de lignite (Fig 3b), et (ii ) condensation de vapeur pour le préchauffage, par exemple, de l'eau d'alimentation de la chaudière dans le processus de la centrale électrique, comme mis en œuvre à Niederaussem (Fig 3a).

Fig 3a Technologie WTA avec condensation de vapeur

Les deux variantes peuvent être intégrées dans le processus WTA. Ils augmentent l'efficacité énergétique du processus de séchage et réduisent les émissions. Le condensat de vapeur produit peut être utilisé comme eau industrielle. Le choix du système utilisé pour l'utilisation de la vapeur dépend, entre autres, du besoin de séchage et de l'intégration dans le processus global.

Taille des grains du charbon de lignite brut

Le procédé de séchage WTA a été développé pour deux granulométries d'entrée, à savoir (i) la granulométrie grossière (0 mm à 6 mm) et (ii) la granulométrie fine (0 mm à 2 mm). L'alternative à la granulométrie grossière est utilisée si le procédé en aval nécessite du charbon de lignite sec d'une granulométrie minimale, comme la gazéification dans le procédé Winkler à haute température ou la cokéfaction du charbon de lignite. Pour tous les autres procédés, l'alternative à la granulométrie fine est normalement utilisée car il s'agit d'une option beaucoup plus intéressante à la fois techniquement et économiquement. Spécifiquement en tant qu'étape de préséchage dans la centrale électrique conventionnelle, le procédé WTA à granulométrie fine est avantageux, car le charbon de lignite séché d'une granulométrie maximale de 1 mm est si fin qu'il peut être utilisé directement dans la chaudière comme combustible.

Pour le broyage fin direct nécessaire du charbon de lignite tout venant, RWE a développé un procédé spécial avec deux étapes de broyage connectées en série pour la réduction de la granulométrie du charbon de lignite brut d'environ moins de 80 mm à la taille souhaitée. valeur inférieure à 2 mm. La figure 3b montre le processus global de l'alternative au processus WTA à grain fin avec un broyage fin en amont et une compression de vapeur mécanique intégrée pour utiliser l'énergie de la vapeur dans le processus de séchage.

L'eau de charbon évaporée (vapeur) est nettoyée dans un précipitateur électrostatique et recomprimée dans un compresseur à environ 4 atmosphères, de sorte que la vapeur d'eau puisse être utilisée pour chauffer l'échangeur de chaleur installé dans le séchoir (Fig 3b). La chaleur sensible du condensat de vapeur est utilisée pour préchauffer le charbon de lignite brut à environ 65 degrés C à 70 degrés C. Par conséquent, l'énergie de la vapeur est utilisée pour couvrir les besoins énergétiques du séchoir.

Fig 3b Technologie WTA avec préchauffage et compression de vapeur

Une partie de la vapeur d'eau nettoyée est recyclée vers le sécheur pour la fluidisation du charbon de lignite brut. Le charbon de lignite sec est refroidi si nécessaire et broyé à nouveau, à l'aide d'un broyeur intégré à l'usine WTA, à une granulométrie inférieure à 1 mm, afin qu'il puisse être utilisé directement pour la combustion dans la chaudière de la centrale.

La vapeur provenant du sécheur peut également être utilisée pour préchauffer l'eau d'alimentation de la chaudière dans le cycle eau-vapeur d'une centrale électrique. Une alternative à faible coût est également réalisable (Fig 3c) sans utilisation de la vapeur d'eau. Cette alternative peut être installée pour améliorer le CV du charbon de lignite à forte humidité et cendres.

Fig 3c Alternative peu coûteuse à la technologie WTA

Le procédé WTA se caractérise par une capacité spécifique élevée et une faible pression de vapeur de chauffage. Par conséquent, une sortie de séchage très élevée peut être obtenue pour chacune des unités de séchage. De plus, la conception peu encombrante et le système de broyage fin intégré pour les charbons de lignite bruts et secs, l'ensemble de l'usine reste également relativement compact.

Avantages du séchage du charbon de lignite à l'aide de la technologie WTA

Voici les avantages du séchage du charbon de lignite à l'aide de la technologie WTA.

• Haute efficacité énergétique grâce au séchage à basse température et à l'utilisation énergétique de l'eau de charbon évaporée, soit par condensation de vapeur, soit par compression mécanique de vapeur.
• Une technologie hautement sûre dans les opérations grâce au séchage en atmosphère inerte. Cela évite le mélange explosif de poussière de charbon et d'air.
• Le séchoir a une grande capacité de séchage.
• La conception est compacte en raison du système intégré de broyage fin du charbon de lignite brut et, le cas échéant, du broyage secondaire du charbon de lignite séché.
• L'utilisation de la vapeur énergétique évite d'importantes émissions de vapeur et de poussière. Le condensat de vapeur est une source d'eau qui peut être utilisée dans le plan.
• L'ingénierie de l'usine peut être flexible en ce qui concerne les besoins des exigences de séchage.
• La technologie augmente l'efficacité de la centrale électrique de 4 % à 6 %, en fonction de l'alternative de séchage et de la teneur en humidité du charbon de lignite brut.






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