Tecnología WTA para el secado de carbón de lignito

Tecnología WTA para secado de carbón de lignito

La tecnología WTA (Wirbelschicht Trocknung Anlage) para el secado de carbón de lignito ha sido desarrollada por la empresa alemana RWE Power AG. WTA es la abreviatura alemana que significa secado en lecho fluidizado con aprovechamiento interno del calor residual. RWE Power AG posee un buen número de patentes sobre esta tecnología.

RWE desarrolló el primer secador de lecho fluidizado con vapor como planta de demostración WTA-1 en Frechen, cerca de Colonia, Alemania, con una capacidad de producción de 53 toneladas por hora de carbón de lignito crudo con un tamaño de grano de 0 mm a 6 mm y un capacidad evaporativa de 25 toneladas por hora. Durante las 20.000 horas de operación de prueba de 1993 a 1999, la planta de demostración WTA-1 junto con el sistema de compresión de vapor para calefacción más seca (empleado por primera vez en todo el mundo en aplicaciones de carbón de lignito) ha demostrado funcionar extremadamente bien y de manera confiable.

El trabajo teórico adicional y una evaluación de la operación de prueba de la planta WTA-1 revelaron un mayor potencial para la optimización técnica y económica del proceso. Se consideraron varias alternativas de desarrollo y se reveló que una reducción del tamaño del grano tenía el mayor potencial para una mayor mejora.

En 1999, RWE construyó una planta de prueba llamada WTA-2 para el proceso WTA de grano fino justo al lado de la planta WTA-1 en Frechen. Esta nueva planta tenía una capacidad de diseño que se incrementó en varios pasos de optimización desde originalmente 16,4 toneladas por hora de producción de carbón de lignito crudo y 8 toneladas por hora de capacidad de evaporación hasta una producción de carbón crudo de 28,7 toneladas por hora y una capacidad de evaporación de agua de 13,1 toneladas. por hora durante el total de 8.200 horas de operación de la planta al 2011.

Basándose en la amplia experiencia de la operación de la planta WTA-2 con una variedad de carbones de lignito del Rhenish Lignite District, RWE decidió en 2005 construir la planta prototipo WTA de tamaño comercial en el Centro de Innovación del Carbón en Niederaussem. La capacidad de diseño era de 210 toneladas por hora de carbón de lignito crudo, 110 toneladas por hora de carbón de lignito seco y la capacidad de evaporación era de 100 toneladas por hora. Esto representó un paso de escalamiento de un factor de más de 8. La planta fue diseñada como una planta de producción con un sistema de control de procesos de tipo industrial y características de seguridad. Fue construido entre 2006 y 2008, y el primer carbón de lignito en bruto se secó en diciembre de 2008. Como alternativa al diseño en Niederaussem, todos los componentes del flujo de carbón principal también se pueden instalar uno encima del otro en una estructura de acero.

Actualmente esta tecnología está funcionando en la central eléctrica de Niederaussem de 1000 MW de capacidad. El sistema, que puede procesar 210 toneladas de carbón crudo por hora, tiene una capacidad de evaporación de 100 toneladas de agua por hora y es la planta de secado de lignito más grande del mundo. Puede generar 110 toneladas de lignito seco por hora.

El carbón de lignito normalmente se convierte en combustible sólido de alta calidad mientras se procesa para fabricar productos gaseosos y líquidos. Para este procesamiento, se requiere que el contenido de humedad se reduzca a 10 % a 20 %. Al ser una operación de tecnología de proceso básica, el secado del carbón de lignito también mejora la calidad del carbón de lignito. Un método de secado energéticamente eficiente mejora el balance energético de todo el proceso. Como método moderno para el procesamiento y secado del carbón de lignito, la tecnología WTA se utiliza y se adapta a todos los procesos anteriores. Hace una contribución vital para la optimización de todo el proceso de aprovechamiento energético del lignito y para la reducción de las emisiones. A medida que aumenta la entrada de energía para el secado con el aumento del contenido de humedad, las mejoras de eficiencia logradas con la tecnología WTA no son un valor constante. Cuanto mayor sea el contenido de humedad que se eliminará, mayor será el potencial para mejorar la eficiencia.

La emisión de gases de combustión asociada con la generación de energía es directamente proporcional a la cantidad de entrada de combustible ya la eficiencia de la planta de energía. El aumento en la eficiencia de la tecnología WTA ayuda directamente a reducir esta emisión.

En el secado convencional de los carbones de lignito, el carbón se seca utilizando gases de combustión calientes, que se extraen del horno de la caldera generadora de vapor a una temperatura que oscila entre 900 °C y 1000 °C y se dirigen a los molinos para su molienda. Allí, los gases de combustión calientes extraen gran parte de la humedad del carbón de lignito mientras se pulveriza. Si este proceso combinado se desacopla y se separa en secado y molienda, el carbón de lignito se puede secar a baja temperatura con una mayor eficiencia energética. El presecado del carbón de lignito puede aumentar el poder calorífico (CV) hasta tal punto que puede usarse para la combustión en calderas de vapor convencionales sin ningún combustible de respaldo.

Método de secado al vapor

El secado al vapor del carbón es un método de secado que se ha relegado a un nicho de existencia en el secado del carbón hasta hace unos años. En 1979, Potter et al. han adoptado el principio del secado con vapor y han demostrado en pruebas de laboratorio que los carbones de lignito también se pueden secar en un lecho fluidizado estacionario utilizando vapor ligeramente sobrecalentado.

Hay dos aspectos que hacen muy interesante el secado al vapor del carbón de lignito. El primero es la necesidad de eliminar una gran cantidad de agua del carbón de lignito en bruto que es del orden de media tonelada de agua por cada tonelada de carbón de lignito en bruto. El segundo aspecto es el hecho de que el carbón de lignito se comporta higroscópicamente, lo que significa que el contenido de humedad en el carbón de lignito se equilibra con la atmósfera circundante y, para un carbón de lignito dado, es solo función de la presión del vapor de agua y la temperatura.

Durante el secado del carbón de lignito en vapor puro a presión constante, digamos la presión atmosférica, la humedad de equilibrio es solo una función de la temperatura. La curva que describe esta relación se conoce como isobara de desorción. Esto es de particular interés desde la perspectiva del control del proceso, ya que la humedad del carbón de lignito seco no depende del tiempo de secado, siempre que el carbón de lignito se seque el tiempo suficiente para equilibrarse con la atmósfera de vapor. Además, el carbón de lignito no se puede "secar en exceso", ya que el contenido de humedad ya no cambia una vez que se alcanza el equilibrio, independientemente de cuánto tiempo se mantenga en el tintero. La isobara de desorción depende de la calidad del carbón de lignito. Esta dependencia para dos tipos de carbones de lignito a una presión del sistema de alrededor de 1,1 atmósferas se muestra en la figura 1. La figura 1 muestra que se alcanza un contenido de humedad de equilibrio de alrededor del 12 % en el carbón de lignito de tipo 1 a una temperatura de alrededor de 110 grados. C, mientras que en el carbón de tipo 2 se alcanza a una temperatura de 107 ºC.

Fig. 1 Isobaras típicas de carbones de lignito

Existen las siguientes ventajas del uso de vapor para el secado de los carbones de lignito.

• El secado se lleva a cabo en una atmósfera inerte que garantiza un alto grado de seguridad natural para las características potencialmente explosivas del carbón de lignito seco.
• El contenido de humedad del lignito seco es simplemente una función de la temperatura a presión constante.
• La temperatura de secado es comparativamente baja.
• Casi el 100 % del vapor de secado consiste en vapor, por lo que se condensa isotérmicamente. Por lo tanto, es una fuente atractiva de calor residual que se puede utilizar activamente de forma sensata.
• La condensación del vapor evita grandes volúmenes de emisiones de vapor y emisiones de polvo.
• El condensado recuperado es una fuente utilizable de agua que puede contribuir a satisfacer las necesidades hídricas de la planta.

El proceso WTA y el secador de lecho fluidizado 

El carbón de lignito en bruto se tritura hasta un tamaño inferior a 2 mm en dos molinos conectados directamente en serie. Después de la molienda, el carbón se introduce en el secador de lecho fluidizado, en el que el medio fluidizante es el vapor que surge del proceso de secado. La evaporación del agua se produce a 110 ºC bajo una ligera sobrepresión mediante intercambiadores de calor integrados en el secador fluidizado y calentados con vapor. El tiempo de residencia del carbón de lignito en la cámara de secado está en el rango de 60 minutos a 90 minutos.

El carbón seco que sale del lecho estacionario se separa del vapor que lo acompaña primero en un ciclón y luego en un precipitador electrostático. El vapor a la salida del ciclón es el vapor utilizado para la fluidización del lecho y el vapor a la salida del precipitador electrostático se descarga a la atmósfera. Además, se realiza una extracción gruesa del carbón del fondo del lecho, que se mezcla con el carbón separado en el ciclón y el precipitador electrostático después de haber pasado por un enfriador intermedio.

El calor necesario para el secado del carbón es suministrado por vapor externo, que normalmente se toma de la turbina y la transferencia de calor tiene lugar en haces de tubos ubicados dentro del lecho. El secado en el lecho fluidizado reduce aún más el tamaño del grano, de modo que el carbón seco que sale del secador normalmente tiene un tamaño de grano de menos de 1 mm con alrededor del 9 % más de 1 mm. El carbón seco tiene un contenido de humedad de alrededor del 12 %. Al controlar la temperatura del lecho fluidizado, el contenido de humedad se puede ajustar y mantener constante en el valor deseado. El proceso WTA es una tecnología importante para la reducción de las emisiones de CO2 en la generación de electricidad basada en carbón de lignito.

El carbón de lignito se alimenta a través de un alimentador de estrella al secador, que se encuentra bajo una ligera sobrepresión. Un sistema especialmente desarrollado para la tecnología WTA está instalado en la parte superior de la secadora. Distribuye el carbón de lignito crudo premolido a través de la superficie del lecho fluidizado. El lecho fluidizado se calienta con vapor a baja presión o, según la alternativa del proceso, con vapor recomprimido. Este es el vapor que emerge cuando se seca el carbón de lignito. La presión del vapor de calefacción es de 3 a 4 atmósferas. Para el remolino (fluidización), el sistema utilizado se adapta a las condiciones específicas de secado del carbón de lignito. Debajo del fondo de fluidización, el carbón de lignito seco se descarga desde el lecho fijo a través de alimentadores en estrella. El secador tiene una alta capacidad específica y un diseño compacto. El secador de lecho fluidizado se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2 Diagrama de un secador de lecho fluidizado  

Principio del proceso WTA

La tecnología de proceso WTA se basa en utilizar el principio de un lecho fluidizado estacionario con baja expansión a una ligera sobrepresión. Este es un lecho de partículas sólidas que se convierte en un estado de "flotación a flujo" por un flujo ascendente, generalmente de aire. La energía necesaria para el secado se suministra a través de intercambiadores de calor instalados en el secador de lecho fluidizado que se calientan con vapor. Solo se suministra una pequeña cantidad de energía a través del medio fluidizante. Por lo tanto, el flujo de fluidificación y los requisitos de energía del secador se pueden controlar de forma independiente.

La transferencia de calor entre los intercambiadores de calor y el lecho fluidizado es muy buena y se puede lograr un alto flujo de calor incluso con pequeñas diferencias de temperatura. Como resultado, el secador a pesar de tener un diseño compacto tiene una alta capacidad de evaporación. Además, dado que el carbón de lignito crudo después de su molienda es prácticamente imposible de fluidificar a granel debido a sus propiedades cohesivas, el lecho fluidizado generalmente se diseña como un lecho mixto de carbón de lignito seco como medio portador con carbón de lignito crudo recién molido agregado.

El secado se lleva a cabo en una atmósfera de vapor de agua ligeramente sobrecalentada, casi 100 % pura. En el proceso, se alcanza el equilibrio a presión constante entre la temperatura del vapor en cuestión y la humedad residual en el carbón de lignito.

La ventaja de secar el carbón de lignito en una atmósfera de vapor es que el agua evaporada del carbón se condensa isotérmicamente, es decir, a una temperatura constante, de modo que se puede utilizar de manera energéticamente eficiente. Se han desarrollado dos conceptos para el uso del vapor a escala industrial. Estos son (i) la recompresión mecánica del vapor como un proceso de bomba de calor abierto para calentar los intercambiadores de calor del secador con y sin precalentamiento de carbón de lignito integrado (Fig. 3b), y (ii) ) condensación de vapor para el precalentamiento de, por ejemplo, agua de alimentación de calderas en el proceso de la planta de energía, como se implementó en Niederaussem (Fig. 3a).

Fig 3a Tecnología WTA con condensación de vapor

Las dos variantes se pueden integrar en el proceso WTA. Aumentan la eficiencia energética del proceso de secado y reducen las emisiones. El condensado de vapor producido se puede utilizar como agua industrial. La elección del sistema empleado para la utilización del vapor depende, entre otras cosas, del requisito de secado y de la integración en el proceso general.

Tamaño de grano del carbón de lignito en bruto

El proceso de secado WTA se ha desarrollado para dos tamaños de grano de entrada, a saber (i) el tamaño de grano grueso (0 mm a 6 mm) y (ii) el tamaño de grano fino (0 mm a 2 mm). La alternativa de tamaño de grano grueso se utiliza si el proceso posterior necesita carbón de lignito seco de un tamaño de grano mínimo, como la gasificación en el proceso Winkler de alta temperatura o la coquización de carbón de lignito. Para todos los demás procesos, normalmente se utiliza la alternativa de tamaño de grano fino ya que es una opción mucho más atractiva tanto técnica como económicamente. Específicamente como etapa de pre-secado en la central convencional, el proceso WTA de granulometría fina es ventajoso, ya que el carbón de lignito seco de 1 mm de granulometría máxima es tan fino que puede ser utilizado en la caldera directamente como combustible.

Para la molienda fina directa necesaria del carbón de lignito común, RWE ha desarrollado un proceso especial con dos etapas de molienda conectadas en serie para reducir el tamaño de grano del carbón de lignito crudo de alrededor de menos de 80 mm al valor deseado. valor inferior a 2 mm. La figura 3b muestra el proceso general de la alternativa de proceso WTA de grano fino con molienda fina aguas arriba y compresión mecánica de vapor integrada para usar la energía del vapor en el proceso de secado.

El agua de carbón evaporada (vapor) se limpia en un precipitador electrostático y se vuelve a comprimir en un compresor a unas 4 atmósferas, de modo que el vapor de agua se pueda utilizar para calentar el intercambiador de calor instalado en el secador (Fig. 3b). El calor sensible del condensado de vapor se usa para precalentar el carbón de lignito crudo a alrededor de 65 °C a 70 °C. Por lo tanto, la energía del vapor se utiliza para cubrir las necesidades energéticas del secador.

Fig 3b Tecnología WTA con precalentador y compresión de vapor

Parte del vapor de agua limpia se recircula al secador para la fluidización del carbón de lignito en bruto. El carbón de lignito seco se enfría si es necesario y se vuelve a moler, utilizando un molino integrado en la planta de WTA, a un tamaño de grano inferior a 1 mm, para que pueda ser utilizado directamente para la combustión en la caldera de la central.

El vapor procedente del secador también se puede utilizar para precalentar el agua de alimentación de la caldera en el ciclo agua-vapor de una central eléctrica. También es factible una alternativa de bajo costo (Fig. 3c) sin el uso del vapor de agua. Esta alternativa se puede instalar para mejorar el CV del carbón de lignito con alta humedad y cenizas.

Fig. 3c Alternativa de bajo costo para la tecnología WTA

El proceso WTA se caracteriza por una alta capacidad específica y una baja presión de vapor de calentamiento. Por lo tanto, se puede lograr un rendimiento de secado muy alto para cada unidad de secado. Además, el diseño que ahorra espacio y el sistema de molienda fina integrado para los carbones de lignito en bruto y secos, la planta entera también permanece relativamente compacta.

Ventajas del secado de carbón de lignito con tecnología WTA

Las siguientes son las ventajas del secado del carbón de lignito utilizando la tecnología WTA.

• Alta eficiencia energética debido al secado a baja temperatura y al uso energético del agua de carbón evaporada ya sea mediante condensación de vapor o compresión mecánica de vapor.
• Una tecnología de alta seguridad en las operaciones por secado en atmósfera inerte. Esto evita la mezcla explosiva de polvo de carbón y aire.
• La unidad de secado tiene una alta capacidad de secado.
• El diseño es compacto debido al sistema integrado de molienda fina de carbón de lignito crudo y, cuando sea necesario, también a la molienda secundaria de carbón de lignito seco.
• La utilización del vapor energético evita emisiones significativas de vapor y polvo. El condensado de vapor es una fuente de agua que se puede utilizar en el plan.
• La ingeniería de la planta puede ser flexible con respecto a las necesidades de los requisitos de secado.
• La tecnología aumenta la eficiencia de la planta de energía entre un 4 % y un 6 %, según la alternativa de secado y el contenido de humedad del carbón de lignito crudo.






Laminado de flejes en caliente y defectos de flejes Tecnologías de secado de carbones de lignito