Coldry : technologie avancée de séchage du charbon de bas rang pour granulés BCE à haute valeur

Technologie Coldry pour le séchage du charbon de bas rang

La technologie Coldry est en cours de développement par Environmental Clean Technologies (ECT) Limited, Australie. La technologie consiste en l'expulsion de l'eau d'une large gamme de charbons de bas rang (charbons lignite et sous-bitumineux) contenant jusqu'à 70 % d'humidité en granulés équivalents au charbon noir (BCE) à haut pouvoir calorifique (PC) avec une teneur en humidité d'environ 10 %. BCE signifie que la valeur énergétique nette des granulés Coldry est dans une gamme similaire à celle de nombreux charbons noirs.

La technologie Coldry est un procédé breveté qui change la forme naturellement poreuse des charbons de bas rang pour produire des granulés secs et denses par un processus appelé « densification du charbon brun » (BCD). La technologie est basée sur une recherche initialement menée par CRA et l'Université de Melbourne au début des années 1980. La technologie a été démontrée à l'échelle pilote à l'usine Coldry de Bacchus Marsh. Cette usine a été mise en service en 2004, améliorée avec un système de récupération d'eau en 2007, et mise à niveau en 2011 pour pouvoir produire jusqu'à 20 000 tonnes par an de granulés BCE Coldry. Le processus a été testé et prouvé réussi sur une large gamme de charbons de bas rang.

Principe du processus

Le processus Coldry combine deux aspects uniques : (i) la densification du charbon brun, et (ii) l'utilisation de la chaleur résiduelle. Le processus stimule une réaction chimique naturelle à l'intérieur du charbon. Cette réaction polymérise les sites actifs dans les composés du charbon et expulse l'eau chimiquement liée. La polymérisation des sites actifs effondre la structure poreuse du charbon et expulse l'eau physiquement piégée. L'eau éjectée migre vers la surface des granulés de charbon. L'eau de surface est évaporée par l'utilisation de la chaleur résiduelle d'une centrale électrique (CE) adjacente.

La BCD est un phénomène naturel par lequel la structure physique du charbon est transformée d'une matière première humide, tendre, friable en un matériau dense, sec, dur. Il faut un type très spécifique de traitement pour appliquer un cisaillement mécanique dans le temps pour déclencher la BCD. La conception de l'équipement de traitement principal et les paramètres d'exploitation sont adaptés aux caractéristiques du charbon brut.

L'application de la bonne quantité de cisaillement mécanique au charbon brut résulte en une « pâte » de charbon tendre et malléable et cela permet l'extrusion à basse pression de la pâte pour former des granulés. Le fondamental ici est que l'humidité physiquement piégée est mobilisée et, à mesure que cette humidité migre vers la surface des granulés et s'évapore, la structure poreuse du granulé s'effondre et se densifie.

Le contrôle du taux de séchage dans un délai prévisible est un aspect important du processus Coldry. De plus, puisque la génération de chaleur par des méthodes traditionnelles est relativement coûteuse, le processus Coldry exploite les ressources d'énergie résiduelle et dirige la chaleur vers le séchage à basse température des granulés. La BCD se déroule idéalement dans la gamme de 40 °C à 70 °C.

La chimie de la technologie Coldry est montrée à la Fig. 1.

Fig. 1 : Chimie de la technologie Coldry

Le processus de technologie Coldry comporte les trois étapes distinctes suivantes.

• Cisaillement mécanique – Pour la libération de l'humidité physiquement piégée, réalisée par la destruction de la structure poreuse du charbon. Ce processus de cisaillement mécanique aboutit à une bouillie de charbon de consistance appropriée pour l'extrusion.
• Extrusion – Extrusion de la bouillie de charbon pour produire des granulés de dimension optimale pour le séchage subséquent.
• Séchage – Séchage pour évaporer l'humidité mobilisée à l'intérieur des granulés, livrant ainsi un produit fini ayant une teneur en humidité inférieure à 15 %. Pour le séchage, l'énergie résiduelle d'une CE adjacente est utilisée. L'énergie résiduelle de bas rang de toute autre source peut également être utilisée pour le séchage des granulés.

Processus de séchage du charbon

Le processus Coldry comporte les six étapes suivantes. La feuille de flux du processus est montrée à la Fig. 2.

• Criblage et contrôle d'alimentation – Le charbon brut de bas rang ayant une teneur en humidité dans la gamme de 30 % à 70 % est broyé à une taille inférieure à 8 mm. Le charbon broyé de consistance tendre et friable est alimenté dans un silo de surpression et criblé. Le silo de surpression est une trémie de stockage ayant un contrôleur d'alimentation à vitesse variable automatique. Le criblage du charbon broyé élimine les surdimensionnés et les contaminants (objets étrangers) avant l'ajout d'une petite quantité d'eau. Le criblage du charbon broyé assure une alimentation uniforme dans l'étape de processus suivante. La quantité d'eau qui peut être ajoutée dépend de l'humidité à la réception du charbon et peut aller jusqu'à 5 %.
• Attrition et extrusion – Le charbon après addition d'eau est alimenté dans un « attritionneur ». Dans l'attritionneur, les faces du charbon sont frottées et cisailées pour former une pâte de charbon. Le mélange intensif pendant le frottement des faces du charbon initie une réaction chimique exothermique naturelle à l'intérieur du charbon et cela génère un processus naturel pour éjecter à la fois l'eau chimiquement piégée et l'eau physiquement absorbée dans la structure poreuse du charbon. La réaction s'accélère lorsque ce mélange plastifié est extrudé sous basse pression. Le charbon extrudé est envoyé à l'« unité de conditionnement » par un convoyeur à bande.
• Conditionnement – Le conditionnement est fait sur un tapis de conditionnement où les granulés de pâte de charbon extrudé sont chauffés pendant environ une heure avec de l'air chaud à 40 °C. Le conditionnement du charbon extrudé effectue le séchage de surface du charbon pour fournir une résistance verte suffisante, afin qu'il puisse résister à sa transition vers l'étape suivante du « sécheur à lit compact » (SLC). La ténacité du charbon extrudé est décrite par un niveau accru de surface sèche et de fermeté. De plus, avec le durcissement, le produit se contracte et se sépare en granulés. L'air chaud nécessaire pour l'évaporation de l'eau de surface pendant le conditionnement ainsi que pour le séchage à lit compact est produit par échange de chaleur avec la chaleur résiduelle d'une CE adjacente.
• Séchage à lit compact – Les granulés de charbon humides entrants de l'unité de conditionnement sont séchés davantage dans le SLC vertical jusqu'à leur niveau d'humidité ultime. L'air chaud d'une CE adjacente est circulé à travers le sécheur pour l'élimination de l'humidité des granulés. La réaction de réticulation vient à son achèvement dans le sécheur, augmentant ainsi la résistance à des niveaux suffisants pour résister à la manutention en vrac et au transport. L'humidité finale dans le granulé séché est normalement dans la gamme de 10 % à 14 %. Les facteurs affectant la teneur finale en humidité sont : (i) la teneur en humidité du charbon brut de mine, (ii) les caractéristiques du charbon d'alimentation, (iii) la température fournie par l'unité d'échange de chaleur, et (iv) le temps de séchage.
• Récupération d'eau – L'air chaud quittant le SLC est à environ 30 °C et est hautement saturé. La teneur en humidité de cet air chaud saturé se condense lorsqu'il est refroidi. Cette eau récupérée est collectée et peut être utilisée dans la CE adjacente ou tout autre endroit car elle ne contient pas de polluants.
• Le produit granulé Coldry – Le charbon de bas rang entrant a maintenant été converti en un produit BCE par élimination permanente de l'eau structurelle et physiquement piégée. Le produit BCE du processus est connu sous le nom de granulé Coldry. Il a une haute teneur énergétique, est stable, et ne se réhydrate pas. Il peut être transporté pour utilisation. Les caractéristiques typiques des granulés Coldry sont : (i) diamètre - 16 mm, (ii) longueur – 45 mm, (iii) densité en vrac – environ 700 kg/m³ – 750 kg/m³, (iv) teneur en humidité – environ 12 %, et (v) pouvoir calorifique supérieur – 5550 kcal/kg.

Fig. 2 : Feuille de flux du processus Coldry

Conception à échelle commerciale et intégration avec la centrale électrique

Basé sur l'usine pilote Coldry, la conception de l'usine Coldry à échelle commerciale a été rendue prête. L'usine Coldry commerciale est conçue pour être modulaire et donc évolutive. L'approche modulaire signifie que toutes les sections de l'usine peuvent être fabriquées hors site, puis transportées en conteneurs et assemblées.

Les modules de l'usine Coldry ont été conçus pour produire : (i) 340 000 tonnes par an de granulés Coldry à partir de charbons à 60 % d'humidité, (ii) 440 000 tonnes par an de granulés Coldry à partir de charbons à 50 % d'humidité, ou (iii) 600 000 tonnes de granulés Coldry à partir de charbons à 40 % d'humidité.

Le processus Coldry peut être intégré avec une CE. Le pulvérisateur de la CE broie les granulés Coldry en poudre de charbon appropriée pour l'injection dans la chaudière à combustion de charbon pulvérisé de la CE. L'eau de refroidissement du condenseur de la CE qui est à une température plus élevée est pompée vers le processus Coldry pour l'échange de chaleur. L'eau de retour de l'échangeur de chaleur Coldry est à une température plus basse mais a encore besoin d'un refroidissement supplémentaire. Cette eau récupérée du processus Coldry peut être alimentée dans le circuit de refroidissement de la CE, réduisant ainsi le besoin de prélever de l'eau d'autres sources. L'intégration du processus Coldry avec une CE est montrée à la Fig. 3.

Fig. 3 : Intégration du processus Coldry avec la centrale électrique

Avantages du processus Coldry

Le processus Coldry a plusieurs avantages. Les avantages sont décrits ci-dessous.

Avantages du processus

Les avantages du processus Coldry sont : (i) Il exploite l'énergie résiduelle de bas rang comme source principale d'énergie et donc le processus est économique et réduit l'empreinte CO₂, (ii) il réduit la perte d'eau par évaporation à la CE adjacente (une tonne d'eau récupérée dans le processus équivaut à une tonne de perte d'eau par évaporation à travers les tours de refroidissement de la CE), (iii) il permet la récupération de jusqu'à 95 % de l'eau expulsée lors du séchage du charbon brut, (iv) le processus est simple et mécanique offrant une haute fiabilité et une maintenance plus facile, (v) le processus se déroule à basse température et basse pression réduisant ainsi la consommation d'énergie et augmentant la durée de vie des équipements, (vi) le processus est modulaire et consiste en des composants préfabriqués pour une installation plus facile, et (vii) il produit de l'eau de haute qualité comme sous-produit qui est prête pour une utilisation industrielle immédiate sans traitement coûteux, et devient potable avec une filtration mineure.

Avantages du produit

Les avantages des granulés Coldry sont : (i) les granulés ont un pouvoir calorifique amélioré, (ii) les granulés ne réabsorbent pas l'eau atmosphérique, (iii) les granulés ont un faible risque de combustion spontanée et sont adaptés au transport, (iv) les granulés retiennent les matières volatiles de haute valeur du charbon brut, les rendant ainsi une matière première idéale pour les processus en aval tels que la gazéification, le charbon-liquides et autres produits chimiques dérivés du charbon, et (v) de faibles niveaux de cendres dérivés du charbon brut (similairement pour le soufre).