Coldry: Geavanceerde droogtechnologie voor laagwaardige kool naar hoogwaardige BCE-pellets

Coldry-technologie voor droging van laagwaardige kool

Coldry-technologie wordt ontwikkeld door Environmental Clean Technologies (ECT) Limited, Australië. De technologie bestaat uit het uitzetten van water uit een breed bereik van laagwaardige kolen (bruinkool en sub-bitumineuze kolen) met een vochtgehalte tot 70% naar hoge calorische waarde (CV) zwarte kool equivalente (BCE) pellets met een vochtgehalte van ongeveer 10%. BCE betekent dat de netto energie waarde van de Coldry pellets vergelijkbaar is in bereik met die van veel zwarte kolen.

Coldry-technologie is een gepatenteerd proces dat de natuurlijk poreuze vorm van laagwaardige kolen verandert om droge en dichte pellets te produceren door een proces dat 'bruinkool densificatie' (BCD) genoemd wordt. De technologie is gebaseerd op onderzoek initieel uitgevoerd door CRA en Universiteit van Melbourne in de vroege jaren '80. De technologie is gedemonstreerd op pilotplantschaal bij de Bacchus Marsh Coldry plant. Deze plant werd in 2004 in bedrijf gesteld, verbeterd met een waterherstelsysteem in 2007, en geüpgraded in 2011 zodat het tot 20.000 ton per jaar Coldry BCE pellets kan produceren. Het proces is getest en bewezen succesvol op een breed bereik van laagwaardige kolen.

Principe van het proces

Het Coldry-proces combineert twee unieke aspecten namelijk (i) bruinkool densificatie, en (ii) afvalwarmte benutting. Het proces stimuleert een natuurlijke chemische reactie binnen de kool. Deze reactie polymeriseert actieve plaatsen in de koolverbindingen en drijft chemisch gebonden water uit. De polymerisatie van de actieve plaatsen laat de koolporestructuur instorten en drijft het fysiek vastgehouden water uit. Het uitgezette water migreert naar het oppervlak van de koolpellets. Het oppervlaktewater wordt verdampt door de benutting van afvalwarmte van een aangrenzende elektriciteitscentrale (EC).

BCD is een natuurlijk fenomeen waarbij de fysieke structuur van de kool getransformeerd wordt van een nat, zacht, kruimelbaar grondstof naar een dicht, droog, hard materiaal. Het vereist een heel specifiek type verwerking om schuifspanning over tijd toe te passen om BCD te triggeren. Het primaire verwerkingsapparaatontwerp en de bedrijfsparameters zijn afgestemd op de kenmerken van de rauwe kool.

De toepassing van de juiste hoeveelheid mechanische schuifspanning op de rauwe kool resulteert in een zacht en buigzame kool 'pasta' en dit stelt lage druk extrusie van de pasta in staat om pellets te vormen. De kern hier is dat het fysiek vastgehouden vocht gemobiliseerd wordt en, naarmate dit vocht migreert naar het oppervlak van de pellets en verdampt, de poreuze structuur van de pellet instort en verdicht.

Controle van de droogsnelheid binnen een voorspelbaar tijdsbestek is een belangrijk aspect van het Coldry-proces. Verder, aangezien het genereren van warmte via traditionele methoden relatief duur is, benut het Coldry-proces afvalenergiebronnen en richt de warmte naar lage temperatuur droging van de pellets. BCD verloopt ideaal in het bereik van 40 °C tot 70 °C.

De chemie van de Coldry-technologie wordt getoond in Fig 1.

Fig 1 Chemie van Coldry-technologie

Coldry-technologieproces heeft de volgende drie duidelijke processtappen.

• Mechanische schuifspanning – Het is voor de vrijmaking van fysiek vastgehouden vocht, wat bereikt wordt door destructie van de poreuze structuur van de kool. Dit proces van mechanische schuifspanning resulteert in koolslurry wat van geschikte consistentie is voor extrusie.
• Extrusie – Extrusie wordt uitgevoerd van de koolslurry om pellets van optimale afmeting te produceren voor daaropvolgende droging.
• Droging – Droging wordt uitgevoerd om het gemobiliseerde vocht binnen de pellets te verdampen, wat een eindproduct levert met vochtgehalte minder dan 15%. Voor droging wordt afvalenergie van een aangrenzende EC benut. Laagwaardige afvalenergie van elke andere bron kan ook gebruikt worden voor de droging van de pellets.

Het proces van kooldroging

Het Coldry-proces heeft de volgende zes stappen. Het processtroomdiagram wordt getoond in Fig 2.

• Zieving en voercontrole – De rauwe laagwaardige kool met vochtgehalte in het bereik van 30% tot 70% wordt gemalen tot een formaat minder dan 8 mm. De gemalen kool van zacht kruimelbare consistentie wordt in een surge bin gevoerd en gezeefd. Surge bin is een opslaghopper met automatische, variable snelheid voercontroller. De zieving van de gemalen kool verwijdert de oversize en verontreinigingen (vreemde objecten) voor de toevoeging van een kleine hoeveelheid water. De zieving van de gemalen kool zorgt voor een uniforme voer in de volgende processtap. De hoeveelheid water die kan worden toegevoegd hangt af van de as-received vocht in de kool en kan tot 5% zijn.
• Attritie en extrusie – De kool na water toevoeging wordt gevoerd naar een 'attritioner'. In de attritioner worden de vlakken van de kool gewreven en geschoord om een koolpasta te vormen. De intensieve menging tijdens het wrijven van de koolvlakken initieert een natuurlijke exothermische chemische reactie binnen de kool en dit genereert een natuurlijk proces voor het uitzetten van zowel de chemisch vastgehouden als fysiek geabsorbeerde water binnen de koolporestructuur. De reactie versnelt wanneer deze geplastificeerde mengsel onder lage druk geëxtrudeerd wordt. De geëxtrudeerde kool wordt naar de 'conditioning unit' via een transportband gezonden.
• Conditionering – De conditionering wordt gedaan op conditioneringsband waar de geëxtrudeerde koolpasta pellets gedurende ongeveer een uur worden verwarmd met warme lucht bij 40 °C. De conditionering van de geëxtrudeerde kool voert de oppervlaktedroging van de kool uit voor het leveren van voldoende groene sterkte, zodat het de overgang naar de volgende stap van de 'pack bed dryer' (PBD) kan weerstaan. De vogel van de geëxtrudeerde kool wordt beschreven door een verhoogd niveau van een droog oppervlak en de fermheid. Verder, met verharding, trekt het product samen en scheidt in pellets. Warme lucht nodig voor het verdampen van oppervlaktewater tijdens de conditionering alsmede voor pakbed droging wordt geproduceerd door warmtewisseling met de afvalwarmte van een aangrenzende EC.
• Pakbed droging – De binnenkomende vochtige koolpellets van de conditioneringseenheid worden verder gedroogd in de verticale PBD tot hun uiteindelijke vochtniveau. Warme lucht van een aangrenzende EC wordt gecirculeerd door de droger voor de verwijdering van het vocht uit de pellets. De cross-linking reactie komt tot voltooiing binnen de droger, wat de sterkte verhoogt tot niveaus voldoende om bulkhantering en transport te weerstaan. Het eindvocht in de gedroogde pellet is normaal in het bereik van 10% tot 14%. De factoren die het eindvochtgehalte beïnvloeden zijn (i) het vochtgehalte van de run-of-mine kool, (ii) kenmerken van de voerkool, (iii) de temperatuur geleverd door de warmtewisselaareenheid, en (iv) droogtijd.
• Waterherstel – De warme lucht die de PBD verlaat is rond 30 °C en hoog verzadigd. Het vochtgehalte van deze verzadigde warme lucht condenseert wanneer het afkoelt. Dit herstelde water wordt verzameld en kan gebruikt worden in de aangrenzende EC of elders aangezien het geen verontreinigingen bevat.
• Het product Coldry pellet – De binnenkomende laagwaardige kool is nu omgezet in een BCE product door permanente verwijdering van structureel en fysiek vastgehouden water. Het BCE product van het proces is bekend als Coldry pellet. Het heeft hoge energie-inhoud, is stabiel, en herhydrateert niet. Het kan getransporteerd worden voor gebruik. De typische kenmerken van de Coldry pellets zijn (i) diameter - 16 mm, (ii) lengte – 45 mm, (iii) bulk dichtheid – rond 700 kg/m³ – 750 kg/m³, (iv) vochtgehalte – rond 12%, en (v) hoge verwarmingswaarde – 5550 kcal/kg.

Fig 2 Stroomdiagram van Coldry-proces

Commerciële schaal ontwerp en integratie met elektriciteitscentrale

Gebaseerd op de Coldry pilotplant is het ontwerp van de commerciële-schaal Coldry plant klaar. De Coldry commerciële plant is ontworpen om modulair en dus schaalbaar te zijn. De modulaire aanpak betekent dat alle secties van de plant off-site geproduceerd kunnen worden, dan in containers getransporteerd en gemonteerd.

De modules van de Coldry plant zijn ontworpen om te produceren (i) 340.000 ton per jaar Coldry pellets van 60% vocht kool, 440.000 ton per jaar Coldry pellets van 50% vocht kool, of 600.000 ton Coldry pellets van 40% vocht kool.

Het Coldry-proces kan geïntegreerd worden met een EC. De pulverisator bij de EC malaxt de Coldry pellets tot koolpoeder geschikt voor injectie in de gepulveriseerde koolverbrandingskachel van de EC. Het koelwater van de condenser van de EC wat op hogere temperatuur is, wordt naar het Coldry-proces gepompt voor warmtewisseling. Terugkeerwater van de Coldry warmtewisselaar is op lagere temperatuur maar heeft nog verdere koeling nodig. Dit herstelde water van het Coldry-proces kan gevoerd worden naar het koelcircuit van de EC, wat de noodzaak vermindert om water uit andere bronnen te nemen. De integratie van het Coldry-proces met een EC wordt getoond in Fig 3.

Fig 3 Integratie van Coldry-proces met elektriciteitscentrale

Voordelen van het Coldry-proces

Coldry-proces heeft verschillende voordelen. De voordelen worden hieronder beschreven.

Procesvoordelen – De procesvoordelen van het Coldry-proces zijn (i) Het benut laagwaardige afvalenergie als zijn belangrijkste energiebron en daarom is het proces economisch en vermindert de CO2 voetafdruk, (ii) het vermindert verdampingswaterverlies bij de aangrenzende EC (één ton water hersteld in het proces gelijkstaat één ton verdampingswaterverlies door de koeltorens van de EC), (iii) het stelt herstel van tot 95% van het water uitgestoten in de droging van de rauwe kool in staat, (iv) het proces is eenvoudig en mechanisch wat hoge betrouwbaarheid en eenvoudiger onderhoud biedt, (v) het proces vindt plaats bij lage temperatuur en lage druk wat energieverbruik vermindert en apparatuurslevensduur verhoogt, (vi) het proces is modulair en bestaat uit vorgefabriceerde componenten voor eenvoudigere installatie, en (vii) het produceert hoogwaardig water als bijproduct wat klaar is voor direct industriëel gebruik zonder dure behandeling, en wordt drinkwater met gering filteren.

Productvoordelen – De voordelen van de Coldry pellets zijn (i) de pellets hebben verhoogde calorische waarde, (ii) de pellets herabsorberen geen atmosferisch water, (iii) pellets hebben laag risico op spontane verbranding en zijn geschikt voor transport, (iv) pellets behouden hoge waarde vluchtige stof van de rauwe kool dus ideale grondstof voor downstream processen zoals vergassing, kool-naar-vloeistof en andere kool-afgeleide chemicaliën, en (v) lage asniveaus afgeleid van de rauwe kool (vergelijkbaar met zwavel).