Pristine-M : séchage avancé du charbon à faible humidité pour un carburant plus propre et efficace

Technologie du procédé Pristine-M pour le séchage des charbons de bas rang

La technologie du procédé Pristine-M pour le séchage des charbons de bas rang est en cours de développement par Clean Coal Technologies, Inc. (CCTI). C'est une technologie brevetée pour convertir le charbon brut de bas rang en un carburant plus propre à combustion plus efficace. Elle répond au besoin d'un charbon à faible humidité qui est économique à transporter, stable au transport et ne réabsorbe pas l'humidité. Pristine-M est une technologie de déshydratation du charbon à faible coût qui a réussi à sécher et stabiliser le charbon à moindre coût en utilisant les matières volatiles (MV) libérées par le charbon brut d'alimentation.

Le processus Pristine-M réduit la teneur en humidité des charbons de bas rang, tout en stabilisant et scellant les charbons traités pour prévenir les réabsorptions d'humidité et la combustion spontanée. Le processus augmente également le pouvoir calorifique (PC) des charbons de bas rang à des valeurs comparables à celles des charbons bitumineux. Pristine-M est le troisième stade du développement du processus. Les deux autres stades sont « Pristine-SA » et « Pristine ».

Pristine-SA est une technologie au stade de développement conçue pour éliminer 100 % des MV dans le charbon brut d'alimentation. Pour obtenir une combustion stable, le charbon traité Pristine-SA doit être co-firé avec de la biomasse traitée ou du gaz naturel. Le processus aboutit à un carburant propre, éliminant le besoin d'épurateurs d'émissions et la production corollaire de boues de désulfuration des gaz de combustion (FGD) toxiques. Pristine-SA donne un produit de charbon polyvalent qui peut être utilisé pour produire de nombreux produits non-carburants.

La technologie héritée de CCTI, « Pristine », est conçue pour éliminer l'humidité et les MV, selon les exigences. Le facteur déterminant la réduction des MV est la conception de la chaudière et le besoin d'une certaine quantité de MV pour rester dans le charbon pour assurer une combustion correcte. Le produit final est un charbon sec à combustion plus propre.

La technologie Pristine-M de CCTI est une technologie brevetée de déshydratation du charbon à faible coût. Le processus Pristine-M commence par l'extraction des MV sous forme liquide à partir de charbons de bas rang. Une fois l'humidité éliminée du charbon ciblé, les volatils liquides sont utilisés à travers un processus d'« absorption » pour remplir les pores du charbon qui ont été déshydratés. Le résultat final est un charbon imperméable, stable avec une teneur en PC améliorée. Ce charbon stable peut être transporté économiquement et utilisé pour les centrales à charbon.

La technologie du procédé Pristine-M a été développée pour répondre au besoin pressant d'un moyen économique de déshydrater les charbons dont la teneur en humidité est élevée (30 % – 60 %), mais où la réduction des MV n'est pas nécessaire ou, si elle se produit, elle rend les MV trop bas pour que le charbon soutienne la combustion dans une chaudière à charbon pulvérisé (CP). La nouvelle technologie complète la technologie Pristine existante. Elle s'appuie sur la science qui renforce le processus Pristine et combine un concept unique connu sous le nom de « Dépôt en Phase Vapeur ».

La technologie Pristine-M consiste en un processus de « gazéification douce » qui élimine l'humidité et les MV sans pulvérisation du charbon ni granulation. Le charbon reste hautement résistant à la réabsorption d'humidité car il est naturellement enduit dans le processus. Le processus de mise à niveau du charbon est basé sur des procédés de bénéficage établis de longue date et utilise des composants et équipements standard du commerce. Le processus peut éliminer jusqu'à 90 % des polluants chimiques du charbon, aidant ainsi à résoudre les problèmes d'émissions affectant les centrales à charbon.

CCTI a créé une installation en Oklahoma, États-Unis, en décembre 2015 pour la validation de la technologie Pristine-M. Les tests effectués à l'installation ont confirmé : (i) déshydratation réussie du charbon, (ii) bénéficage réussi du charbon (augmentation de la valeur du PC), (iii) stabilisation réussie du charbon, et (iv) production réussie d'un produit final stable, sans poussière. L'installation de test a maintenant été déplacée dans le Wyoming. L'installation de test a été conçue et construite comme un prototype du processus à environ 0,1 fois la taille de l'échelle commerciale.

Les concepts de processus de CCTI sont basés sur le raffinage du charbon avant utilisation. La technologie Pristine-M s'efforce de raffiner le charbon en éliminant les polluants du charbon avant son utilisation. Ce faisant, cela permet de capturer les polluants dans leur état pur, non dilué et en volumes beaucoup plus petits pour l'élimination ou la réutilisation ailleurs. La technologie Pristine-M élimine les coûteuses technologies d'élimination des polluants post-combustion telles que les épurateurs de gaz de combustion et les déchets d'épurateurs et réduit les émissions de carbone.

Le processus Pristine-M aborde trois défis fondamentaux associés au séchage du charbon. Ces défis sont : (i) produire un charbon séché qui ne réabsorbe pas l'humidité, (ii) produire un charbon séché qui n'a pas la tendance à devenir friable, résultant en une production excessive de fines afin qu'il puisse être transporté en toute sécurité avec un risque minimal de combustion spontanée, et (iii) le processus doit être peu coûteux et économiquement viable. Le processus n'a pas besoin de pulvérisation du charbon brut d'alimentation. Le charbon traité conserve la plupart de sa distribution initiale de taille et subit presque aucune dégradation. Donc, le produit final ne nécessite ni briquettage ni granulation.

Le processus Pristine-M est un processus continu composé de trois étapes distinctes. Ce sont : (i) sécheur, (ii) dévolatiliseur, et (iii) stabilisateur. Le processus utilise un dévolatiliseur pour produire des gaz qui sont utilisés pour la chaleur de processus ainsi que pour stabiliser le charbon sec. Seule une petite partie du charbon brut d'alimentation (typiquement moins de 7 %) est dévolatilisée. Les paramètres du processus sont optimisés de manière à produire seulement assez de gaz volatils pour les fins mentionnées. Les sous-produits liquides ne sont pas souhaitables dans ce processus. L'excès de charbon dévolatilisé est mélangé à nouveau avec le charbon séché et stabilisé à la fin du processus et, ainsi, n'est pas perdu.

La feuille de flux du processus montrant les trois étapes est donnée à la Fig. 1.

Fig. 1 : Feuille de flux du processus Pristine-M

La première étape comprend un sécheur utilisant une technologie pour maintenir un échange de chaleur optimal avec une empreinte minimale. Le séchage a lieu à environ 120 °C, une température qui est adéquate pour chasser l'humidité inhérente avec le degré d'élimination, par ex., jusqu'à 15 % ou 10 % ou 5 %, étant une fonction du temps de résidence, de la profondeur du lit et de la température. Certains types de charbon ont une tendance à se dégrader en fines en fonction du degré auquel le charbon brut d'alimentation est séché. Dans de tels cas, l'élimination de l'humidité est réduite sinon le briquettage du charbon séché est requis. Lorsque des fines excessives (particules de charbon avec une taille moyenne de particule <6 mm) sont présentes dans le charbon d'alimentation, les fines peuvent être traitées séparément ou combustées pour fournir de la chaleur de processus, selon l'option qui s'avère économiquement la plus réalisable pour l'application spécifique.

Dans la deuxième étape du processus, un courant dérivé du charbon déshumidifié du sécheur (généralement 5 % à 10 %) est retiré du flux principal et envoyé à un dévolatiliseur. Le dévolatiliseur fonctionne à 400 °C à 450 °C pour dévolatiliser le courant dérivé de charbon. Tous les gaz évolués sont envoyés à la troisième étape (le stabilisateur), tandis que tous les gaz non condensables sont combustés pour la chaleur de processus. Le processus est optimisé pour produire seulement assez de gaz et de vapeurs pour la chaleur de processus et pour stabiliser le charbon déshumidifié. Le produit du dévolatiliseur peut être mélangé à nouveau avec le charbon déshumidifié et stabilisé, si désiré.

Dans la troisième étape du processus qui est la phase de stabilisation / Dépôt en Phase Vapeur, les MV sont alimentés dans un récipient spécialement conçu qui permet aux MV d'être absorbés dans les pores du charbon déshumidifié de la première étape. Les vapeurs volatiles pénètrent dans les pores du charbon vidés par la perte d'humidité, ainsi qu'elles enrobent la surface du charbon. Cette action scelle la surface du charbon, prévenant ainsi toute réabsorption d'humidité, combustion spontanée et toute tendance à se désintégrer. Pour atteindre le résultat désiré, les paramètres de stabilisation sont établis basés sur le profil chimique du charbon brut d'alimentation.

Le processus Pristine-M rend le charbon imperméable. De plus, l'intégrité structurelle du charbon est maintenue et sa valeur calorifique peut être améliorée au-delà de la valeur atteinte avec seulement l'élimination de l'humidité. L'indice de broyabilité de Hardgrove (HGI) du charbon produit reste le même que celui du charbon d'alimentation. Le charbon séché n'a pas la tendance à se briser pendant le transport et a également une durée de conservation assez longue pour soutenir le transport maritime ou terrestre de longue durée et de longues périodes dans les parcs à charbon exposés aux éléments. Des échantillons de charbon séché ont survécu pendant bien plus de 6 mois en extérieur, sans abri, sans réabsorption d'humidité.

Le processus Pristine-M est modulaire. Un module commercial conçu pour un débit d'alimentation de 30 tonnes par heure et manipulant du charbon brut d'alimentation avec 50 % d'humidité a une capacité de produire environ 160 000 tonnes de charbon sec par an. Une usine d'un million de tonnes par an basée sur le processus Pristine-M est composée de 6 tels modules. Le processus est continu avec des temps de résidence estimés à environ 15 minutes, selon le degré d'élimination d'humidité et l'humidité inhérente au charbon. L'usine fonctionne à la pression de 1 atmosphère.

Les modules du processus Pristine-M sont configurés pour fonctionner indépendamment et en parallèle les uns des autres, permettant ainsi à des modules individuels d'être mis hors ligne pour la maintenance programmée/non programmée ou les pannes imprévues sans interruption des autres modules. Une capacité supplémentaire, comme et quand requis, est fournie par des modules additionnels. En incorporant des composants standard du commerce, la conception évite le besoin d'équipements construits sur mesure qui ajoutent au coût en capital de l'usine. L'usine est contrôlée et opérée à travers un système de contrôle de processus sophistiqué.

Lorsqu'il y a des variations significatives dans le charbon d'alimentation (structurelles, chimiques, ou humidité inhérente), l'usine de séchage Pristine-M est conçue pour gérer les différents charbons. Le système de contrôle de l'usine s'ajuste automatiquement pour les différences, dans une gamme limitée. Il est également possible de faire passer des charbons de caractéristiques différentes à travers le processus simultanément, en utilisant des modules séparés capables de traiter les différences de manière appropriée.

Avantages du processus Pristine-M

Les avantages suivants sont ceux du processus Pristine-M.

Avantages du processus

Ceux-ci incluent : (i) faible temps de traitement qui est entre 5 minutes à 10 minutes, (ii) spécifications de produit ajustables, (iii) variété de charbons d'alimentation peuvent être traités car il y a un contrôle de processus et une optimisation par des contrôleurs logiques programmables (API) basés sur la connaissance, (iv) adapté pour une taille de charbon d'alimentation de 0 mm à 50 mm, (v) le processus fonctionne à la pression atmosphérique, et (vi) le processus a une conception modulaire et évolutive.

Avantages du produit

Ceux-ci incluent : (i) il n'y a pas de réabsorption d'humidité, (ii) il n'y a pas de combustion spontanée du charbon produit, (iii) il n'y a pas de dégradation de taille, (iv) le charbon produit est une matière première idéale pour gazéificateur, (v) le charbon produit a un niveau optimal de MV pour maximiser la combustion, (vi) le charbon produit est sans poussière réduisant ainsi la pollution par la poussière de charbon lors du transport du charbon, (vii) il y a des réductions de CO₂ et de polluants dangereux, et (viii) faibles coûts en capital et d'exploitation.