Coldry: Tecnología Avanzada de Secado de Carbón de Bajo Rango para Pellets BCE de Alto Valor

Tecnología Coldry para secado de carbón de bajo rango

La tecnología Coldry está siendo desarrollada por Environmental Clean Technologies (ECT) Limited, Australia. La tecnología consiste en la expulsión de agua de una amplia gama de carbones de bajo rango (carbones ligníticos y sub-bituminosos) que contienen hasta 70 % de humedad en pellets equivalentes a carbón negro (BCE) de alto valor calorífico (CV) con un contenido de humedad de alrededor del 10 %. BCE significa que el valor energético neto de los pellets Coldry es similar en rango al de muchos carbones negros.

La tecnología Coldry es un proceso patentado que cambia la forma naturalmente porosa de los carbones de bajo rango para producir pellets secos y densos por un proceso que se llama «densificación de carbón marrón» (BCD). La tecnología se basa en investigación inicialmente conducida por CRA y Universidad de Melbourne a principios de los años 1980. La tecnología ha sido demostrada a escala de planta piloto en la planta Coldry de Bacchus Marsh. Esta planta fue comisionada en 2004, mejorada con un sistema de recuperación de agua en 2007, y actualizada en 2011 para que pueda producir hasta 20,000 toneladas por año de pellets BCE Coldry. El proceso ha sido probado y demostrado exitoso en una amplia gama de carbones de bajo rango.

Principio del proceso

El proceso Coldry combina dos aspectos únicos: (i) densificación de carbón marrón, y (ii) utilización de calor residual. El proceso estimula una reacción química natural dentro del carbón. Esta reacción polimeriza sitios activos en los compuestos del carbón y expulsa agua químicamente ligada. La polimerización de los sitios activos colapsa la estructura porosa del carbón y expulsa el agua físicamente atrapada. El agua expulsada migra a la superficie de los pellets de carbón. El agua de superficie es evaporada por la utilización de calor residual de una central eléctrica (PP) adyacente.

BCD es un fenómeno natural por el cual la estructura física del carbón es transformada de una materia prima húmeda, blanda, friable a un material denso, seco, duro. Se necesita un tipo muy específico de procesamiento para aplicar esfuerzo de cizallamiento a lo largo del tiempo para desencadenar BCD. El diseño del equipo de procesamiento primario y los parámetros operativos son adaptados a las características del carbón crudo.

La aplicación de la cantidad correcta de cizallamiento mecánico al carbón crudo resulta en una «pasta» de carbón blanda y maleable y esto permite la extrusión a baja presión de la pasta para formar pellets. Lo fundamental aquí es que la humedad físicamente atrapada es movilizada y, a medida que esta humedad migra a la superficie de los pellets y se evapora, la estructura porosa del pellet colapsa y densifica.

El control de la tasa de secado dentro de un marco de tiempo predecible es un aspecto importante del proceso Coldry. Además, dado que la generación de calor a través de métodos tradicionales es relativamente costosa, el proceso Coldry aprovecha los recursos de energía residual y dirige el calor al secado a baja temperatura de los pellets. BCD procede idealmente en el rango de 40 °C a 70 °C.

La química de la tecnología Coldry se muestra en la Fig. 1.

El proceso de la tecnología Coldry tiene las siguientes tres etapas de proceso distintas.

• Cizallamiento mecánico – Es para la liberación de humedad físicamente atrapada, lo cual se logra a través de la destrucción de la estructura porosa del carbón. Este proceso de cizallamiento mecánico resulta en una lechada de carbón que es de consistencia adecuada para extrusión.
• Extrusión – La extrusión se lleva a cabo de la lechada de carbón para producir pellets de dimensión óptima para el secado subsiguiente.
• Secado – El secado se lleva a cabo para evaporar la humedad movilizada dentro de los pellets, entregando así un producto terminado con contenido de humedad menor al 15 %. Para el secado, se utiliza energía residual de una PP adyacente. Energía residual de bajo grado de cualquier otra fuente también puede ser usada para el secado de los pellets.

El proceso de secado de carbón

El proceso Coldry tiene los siguientes seis pasos. La hoja de flujo del proceso se muestra en la Fig. 2.

• Cribado y control de alimentación – El carbón crudo de bajo rango teniendo contenido de humedad en el rango de 30 % a 70 % es molido a un tamaño menor a 8 mm. El carbón molido de consistencia blanda friable es alimentado en un silo de surge y cribado. El silo de surge es una tolva de almacenamiento que tiene un controlador de alimentación de velocidad variable automático. El cribado del carbón molido remueve el sobredimensionado y contaminantes (objetos extraños) antes de la adición de una pequeña cantidad de agua. El cribado del carbón molido asegura una alimentación uniforme al siguiente paso del proceso. La cantidad de agua que puede ser añadida depende de la humedad del carbón tal como se recibe y puede ser hasta 5 %.
• Atrización y extrusión – El carbón después de la adición de agua es alimentado a un «atritor». En el atritor las caras del carbón son frotadas y cizalladas para formar una pasta de carbón. La mezcla intensiva durante el frotamiento de las caras del carbón inicia una reacción química exotérmica natural dentro del carbón y esto genera un proceso natural para expulsar tanto el agua químicamente atrapada como la físicamente absorbida dentro de la estructura porosa del carbón. La reacción se acelera cuando esta mezcla plastificada es extruida bajo baja presión. El carbón extruido es enviado a la «unidad de acondicionamiento» a través de una banda transportadora.
• Acondicionamiento – El acondicionamiento se hace en la banda de acondicionamiento donde los pellets de pasta de carbón extruido son calentados por alrededor de una hora con aire caliente a 40 °C. El acondicionamiento del carbón extruido lleva a cabo el secado superficial del carbón para proporcionar suficiente resistencia en verde al mismo, para que pueda soportar su transición al siguiente paso del «secador de lecho empacado» (PBD). La dureza del carbón extruido es descrita por un nivel aumentado de superficie seca y firmeza. Además, con el endurecimiento, el producto se contrae y se separa en pellets. El aire caliente necesario para evaporar agua superficial durante el acondicionamiento así como para el secado de lecho empacado es producido a través del intercambio de calor con el calor residual de una PP adyacente.
• Secado de lecho empacado – Los pellets de carbón húmedos entrantes de la unidad de acondicionamiento son further secados en el PBD vertical a su nivel de humedad final. Aire caliente de una PP adyacente es circulado a través del secador para la remoción de la humedad de los pellets. La reacción de entrecruzamiento llega a completarse dentro del secador, aumentando así la resistencia a niveles suficientes para soportar manejo a granel y transporte. La humedad final en el pellet seco es normalmente en el rango de 10 % a 14 %. Los factores que afectan el contenido de humedad final son: (i) el contenido de humedad del carbón run-of-mine, (ii) características del carbón de alimentación, (iii) la temperatura provista por la unidad de intercambiador de calor, y (iv) tiempo de secado.
• Recuperación de agua – El aire caliente saliendo del PBD está a alrededor de 30 °C y está altamente saturado. El contenido de humedad de este aire caliente saturado condensa cuando es enfriado. Esta agua recuperada es colectada y puede ser usada en la PP adyacente o en cualquier otro lugar ya que no tiene contaminantes.
• El producto pellet Coldry – El carbón de bajo rango entrante ha sido ahora convertido en un producto BCE a través de la remoción permanente de agua estructural y físicamente atrapada. El producto BCE del proceso es conocido como pellet Coldry. Tiene alto contenido energético, es estable, y no se rehidrata. Puede ser transportado para uso. Las características típicas de los pellets Coldry son: (i) diámetro - 16 mm, (ii) longitud – 45 mm, (iii) densidad aparente – alrededor de 700 kg/m³ – 750 kg/m³, (iv) contenido de humedad – alrededor del 12 %, y (v) alto poder calorífico – 5550 kcal/kg.

Diseño a escala comercial e integración con central eléctrica

Basado en la planta piloto Coldry, el diseño de la planta Coldry a escala comercial ha sido preparado. La planta comercial Coldry está diseñada para ser modular y por tanto escalable. El enfoque modular significa que todas las secciones de la planta pueden ser fabricadas fuera de sitio, luego transportadas en contenedores y ensambladas.

Los módulos de la planta Coldry han sido diseñados para producir: (i) 340,000 toneladas por año de pellets Coldry de carbones con 60 % de humedad, 440,000 toneladas por año de pellets Coldry de carbones con 50 % de humedad, o 600,000 toneladas de pellets Coldry de carbones con 40 % de humedad.

El proceso Coldry puede ser integrado con una PP. El pulverizador en la PP muele los pellets Coldry en polvo de carbón adecuado para inyección en la caldera de combustión de carbón pulverizado de la PP. El agua de enfriamiento del condensador de la PP que está a temperatura más alta es bombeada al proceso Coldry para intercambio de calor. El agua de retorno del intercambiador de calor Coldry está a una temperatura más baja pero aún necesita enfriamiento adicional. Esta agua recuperada del proceso Coldry puede ser alimentada al circuito de enfriamiento de la PP, reduciendo así la necesidad de tomar agua de otras fuentes. La integración del proceso Coldry con una PP se muestra en la Fig. 3.

Beneficios del proceso Coldry

El proceso Coldry tiene varios beneficios. Los beneficios se describen a continuación.

Beneficios del proceso

Los beneficios del proceso Coldry son: (i) Aprovecha energía residual de bajo grado como su principal fuente de energía y por tanto el proceso es económico y reduce la huella de CO2, (ii) reduce la pérdida de agua por evaporación en la PP adyacente (una tonelada de agua recuperada en el proceso equivale a una tonelada de pérdida de agua por evaporación a través de las torres de enfriamiento de la PP), (iii) permite la recuperación de hasta el 95 % del agua expulsada en el secado del carbón crudo, (iv) el proceso es simple y mecánico proporcionando alta confiabilidad y mantenimiento más fácil, (v) el proceso tiene lugar a baja temperatura y baja presión, reduciendo así el consumo de energía y aumentando la vida del equipo, (vi) el proceso es modular y consiste en componentes pre-fabricados para instalación más fácil, y (vii) produce agua de alta calidad como subproducto que está lista para uso industrial inmediato sin tratamiento costoso, y se vuelve potable con filtrado menor.

Beneficios del producto

Los beneficios de los pellets Coldry son: (i) los pellets tienen valor calorífico mejorado, (ii) los pellets no reabsorben agua atmosférica, (iii) los pellets tienen bajo riesgo de combustión espontánea y son adecuados para transporte, (iv) los pellets retienen la materia volátil de alto valor del carbón crudo, siendo así materia prima ideal para procesos aguas abajo como gasificación, carbón a líquidos y otros químicos derivados del carbón, y (v) bajos niveles de cenizas derivados del carbón crudo (similarmente con azufre).