Coldry: Fortschrittliche Trocknungstechnologie für Niedrigrangkohle zu hochwertigen BCE-Pellets

Coldry-Technologie für die Trocknung von Niedrigrangkohle

Die Coldry-Technologie wird von Environmental Clean Technologies (ECT) Limited, Australien, entwickelt. Die Technologie besteht in der Ausleitung von Wasser aus einer breiten Palette von Niedrigrangkochen (Braunkohle und Sub-Bituminöskohle) mit bis zu 70 % Feuchtigkeit in hochkalorische Black Coal Equivalent (BCE) Pellets mit einem Feuchtegehalt von ca. 10 %. BCE bedeutet, dass der Nettowert der Coldry-Pellets im ähnlichen Bereich liegt wie der vieler Steinkohlen.

Die Coldry-Technologie ist ein patentierter Prozess, der die natürlich poröse Form von Niedrigrangkohlen ändert, um trockene und dichte Pellets durch einen Prozess herzustellen, der als "Brown Coal Densification" (BCD) bezeichnet wird. Die Technologie basiert auf Forschung, die ursprünglich von CRA und der Universität Melbourne in den frühen 1980er Jahren durchgeführt wurde. Die Technologie wurde im Pilotmaßstab im Bacchus Marsh Coldry Werk demonstriert. Dieses Werk wurde 2004 in Betrieb genommen, 2007 mit einem Wasserrückgewinnungssystem erweitert und 2011 aufgerüstet, damit es bis zu 20.000 Tonnen pro Jahr Coldry BCE-Pellets produzieren kann. Der Prozess wurde an einer breiten Palette von Niedrigrangkohlen getestet und als erfolgreich erwiesen.

Prinzip des Prozesses

Der Coldry-Prozess kombiniert zwei einzigartige Aspekte: (i) Braunkohledensifizierung (BCD) und (ii) Abwärmenutzung. Der Prozess stimuliert eine natürliche chemische Reaktion innerhalb der Kohle. Diese Reaktion polymerisiert aktive Stellen in den Kohleverbindungen und leitet chemisch gebundenes Wasser aus. Die Polymerisation der aktiven Stellen kollabiert die Kohlenporenstruktur und leitet das physikalisch gebundene Wasser aus. Das ausgeworfene Wasser migriert zur Oberfläche der Kohlepellets. Das Oberflächenwasser wird durch Nutzung der Abwärme eines angrenzenden Kraftwerks (KW) verdampft.

BCD ist ein natürliches Phänomen, bei dem die physikalische Struktur der Kohle von einem nassen, weichen, bröckeligen Rohmaterial zu einem dichten, trockenen, harten Material transformiert wird. Es bedarf einer sehr spezifischen Verarbeitungsart, um über Zeit Schubspannung aufzubringen, um BCD auszulösen. Das primäre Verarbeitungsgerätedesign und die Betriebsparameter sind auf die Charakteristika der Rohkohle abgestimmt.

Die Anwendung der richtigen Menge an mechanischem Schub auf die Rohkohle ergibt eine weiche und formbare Kohle "Paste" und ermöglicht die Niederdruckextrusion der Paste zu Pellets. Der Grundgedanke ist, dass die physikalisch gebundene Feuchtigkeit mobilisiert wird und, während diese Feuchtigkeit zur Oberfläche der Pellets migriert und verdampft, die poröse Struktur des Pellets kollabiert und densifiziert.

Die Kontrolle der Trocknungsrate innerhalb eines vorhersagbaren Zeitrahmens ist ein wichtiger Aspekt des Coldry-Prozesses. Weiterhin, da die Erzeugung von Wärme durch traditionelle Methoden relativ teuer ist, nutzt der Coldry-Prozess Abwärmeressourcen und leitet die Wärme zur Niedrigtemperaturtrocknung der Pellets. BCD verläuft idealerweise im Bereich von 40 °C bis 70 °C.

Die Chemie der Coldry-Technologie ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Chemie der Coldry-Technologie

Der Coldry-Technologieprozess hat die folgenden drei distincten Prozessstufen:

• Mechanisches Scheren – Es dient der Freisetzung physikalisch gebundener Feuchtigkeit, erreicht durch Zerstörung der porösen Struktur der Kohle. Dieser mechanische Scherprozess resultiert in Kohleschlamm, der von geeigneter Konsistenz für Extrusion ist.
• Extrusion – Extrusion des Kohleschlamms zur Produktion von Pellets optimaler Dimension für die nachfolgende Trocknung.
• Trocknung – Trocknung zur Verdampfung der mobilisierten Feuchtigkeit innerhalb der Pellets, wodurch ein Fertigprodukt mit Feuchtegehalt unter 15 % geliefert wird. Für die Trocknung wird Abwärme aus einem angrenzenden KW genutzt. Niedriggradige Abwärme aus jeder anderen Quelle kann ebenfalls für die Pelletstrocknung verwendet werden.

Der Prozess der Kohletrocknung

Der Coldry-Prozess hat die folgenden sechs Schritte. Das Fließschema ist in Abb. 2 dargestellt.

• Sieben und Zufuhrsteuerung – Die niedrigrangige Rohkohle mit Feuchtegehalt im Bereich 30 % bis 70 % wird auf eine Größe unter 8 mm zerkleinert. Die zerkleinerte Kohle mit weicher, bröckeliger Konsistenz wird in einen Vorratsbehälter gefördert und gesiebt. Der Vorratsbehälter ist ein Speichertrichter mit automatischer, variabler Geschwindigkeitszufuhrsteuerung. Das Sieben der zerkleinerten Kohle entfernt Überkorn und Verunreinigungen (Fremdkörper) vor der Zugabe einer kleinen Wassermenge. Das Sieben der zerkleinerten Kohle sichert eine gleichmäßige Zufuhr in den nächsten Prozessschritt. Die Menge des zuzufügenden Wassers hängt von der angelieferten Feuchte in der Kohle ab und kann bis zu 5 % betragen.
• Attritionieren und Extrusion – Die Kohle nach Wasserzugabe wird einem "Attritionierer" zugeführt. Im Attritionierer werden die Flächen der Kohle gerieben und geschert, um eine Kohlepaste zu bilden. Die intensive Vermischung während des Reibens der Kohleflächen initiiert eine natürliche exotherme chemische Reaktion innerhalb der Kohle und erzeugt einen natürlichen Prozess für das Ausstoßen sowohl des chemisch gebundenen als auch des physikalisch absorbierten Wassers innerhalb der Kohlenporenstruktur. Die Reaktion wird beschleunigt, wenn diese plastifizierte Mischung unter niedrigem Druck extrudiert wird. Die extrudierte Kohle wird über ein Förderband zur "Konditionierungseinheit" befördert.
• Konditionierung – Die Konditionierung erfolgt auf dem Konditionierungsband, wo die extrudierten Kohlepastepellets für ca. eine Stunde mit warmer Luft bei 40 °C beheizt werden. Die Konditionierung der extrudierten Kohle führt die Oberflächentrocknung der Kohle durch, um ausreichende Grünfestigkeit zu gewährleisten, damit sie ihren Übergang zum nächsten Schritt des "Packbettrockners" (PBD) überstehen kann. Die Zähigkeit der extrudierten Kohle wird durch ein erhöhtes Maß an trockener Oberfläche und Festigkeit beschrieben. Weiterhin härtet das Produkt aus und zieht sich zusammen und trennt sich in Pellets. Die für die Verdampfung des Oberflächenwassers während der Konditionierung sowie für die Packbetttrocknung benötigte Warmluft wird durch Wärmeaustausch mit der Abwärme aus einem angrenzenden KW erzeugt.
• Packbetttrocknung – Die eingehenden feuchten Kohlepellets aus der Konditionierungseinheit werden im vertikalen PBD weiter auf ihren endgültigen Feuchtegehalt getrocknet. Warmluft aus einem angrenzenden KW wird durch den Trockner zirkuliert, um die Feuchtigkeit aus den Pellets zu entfernen. Die Vernetzungsreaktion kommt im Trockner zum Abschluss, wodurch die Festigkeit auf Niveaus erhöht wird, die ausreichen, um Schüttgutumschlag und Transport zu überstehen. Die Endfeuchte im getrockneten Pellet liegt normalerweise im Bereich von 10 % bis 14 %. Faktoren, die den Endfeuchtegehalt beeinflussen, sind: (i) der Feuchtegehalt der Run-of-Mine-Kohle, (ii) Charakteristika der Zufuhrkohle, (iii) die vom Wärmetauschergerät bereitgestellte Temperatur, und (iv) Trocknungszeit.
• Wasserrückgewinnung – Die den PBD verlassende Warmluft liegt bei ca. 30 °C und ist hochgesättigt. Der Feuchtegehalt dieser gesättigten Warmluft kondensiert, wenn sie gekühlt wird. Dieses zurückgewonnene Wasser wird gesammelt und kann im angrenzenden KW oder an jedem anderen Ort verwendet werden, da es keine Schadstoffe enthält.
• Das Produkt Coldry-Pellet – Die eingehende niedrigrangige Kohle wurde nun in ein BCE-Produkt durch permanente Entfernung von struktureller und physikalisch gebundener Wasser umgewandelt. Das BCE-Produkt des Prozesses wird als Coldry-Pellet bezeichnet. Es hat hohen Energiegehalt, ist stabil und rehydriert nicht. Es kann für den Einsatz transportiert werden. Die typischen Charakteristika der Coldry-Pellets sind: (i) Durchmesser – 16 mm, (ii) Länge – 45 mm, (iii) Schüttdichte – ca. 700–750 kg/m³, (iv) Feuchtegehalt – ca. 12 %, und (v) hoher Heizwert – 5550 kcal/kg.

Abb. 2 Fließschema des Coldry-Prozesses

Kommerzielles Skalendesign und Integration mit Kraftwerk

Basierend auf dem Coldry-Pilotwerk wurde das Design der kommerziellen Coldry-Anlage fertig gestellt. Die kommerzielle Coldry-Anlage ist modular ausgelegt und daher skalierbar. Der modulare Ansatz bedeutet, dass alle Abschnitte der Anlage vorgefertigt, dann in Containern transportiert und montiert werden können.

Die Module der Coldry-Anlage wurden so ausgelegt, dass sie produzieren: (i) 340.000 t/a Coldry-Pellets aus 60 % Feuchte-Kohle, (ii) 440.000 t/a Coldry-Pellets aus 50 % Feuchte-Kohle, oder (iii) 600.000 t/a Coldry-Pellets aus 40 % Feuchte-Kohle.

Der Coldry-Prozess kann mit einem KW integriert werden. Die Kohlemühle im KW mahlt die Coldry-Pellets zu Kohlepulver, geeignet für die Injektion in den Staubkohleverbrennungskessel des KW. Das Kühlwasser aus dem KW-Kondensator, das bei höherer Temperatur ist, wird zum Coldry-Prozess für den Wärmeaustausch gepumpt. Das Rücklaufwasser vom Coldry-Wärmetauscher ist bei niedrigerer Temperatur, benötigt aber noch weitere Kühlung. Dieses aus dem Coldry-Prozess zurückgewonnene Wasser kann dem KW-Kühlkreislauf zugeführt werden, wodurch die Notwendigkeit verringert wird, Wasser aus anderen Quellen zu entnehmen. Die Integration des Coldry-Prozesses mit einem KW ist in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3 Integration des Coldry-Prozesses mit Kraftwerk

Vorteile des Coldry-Prozesses

Der Coldry-Prozess hat mehrere Vorteile. Die Vorteile werden unten beschrieben.

Prozessvorteile

Die Prozessvorteile des Coldry-Prozesses sind: (i) Er nutzt niedriggradige Abwärme als Hauptenergiequelle und ist daher wirtschaftlich und reduziert den CO₂-Fußabdruck, (ii) er reduziert den verdunsteten Wasserverlust am angrenzenden KW (eine Tonne im Prozess zurückgewonnenes Wasser entspricht einer Tonne verdunsteten Wasserverlusts durch die KW-Kühltürme), (iii) er ermöglicht Rückgewinnung von bis zu 95 % des bei der Rohkohletrocknung ausgestoßenen Wassers, (iv) der Prozess ist einfach und mechanisch, was hohe Zuverlässigkeit und einfachere Wartung bietet, (v) der Prozess findet bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck statt, was Energieverbrauch reduziert und Gerätelebensdauer erhöht, (vi) der Prozess ist modular und besteht aus vorgefertigten Komponenten für einfachere Installation, und (vii) er produziert hochwertiges Wasser als Nebenprodukt, das sofort für industrielle Nutzung ohne teure Behandlung bereit ist und mit geringfügiger Filterung trinkbar wird.

Produktvorteile

Die Vorteile der Coldry-Pellets sind: (i) die Pellets haben erhöhten Heizwert, (ii) die Pellets absorbieren kein atmosphärisches Wasser wieder, (iii) Pellets haben geringes Risiko von Selbstentzündung und sind für Transport geeignet, (iv) Pellets behalten hochwertige flüchtige Bestandteile der Rohkohle, somit idealer Rohstoff für nachgelagerte Prozesse wie Vergasung, Coal-to-Liquids und andere kohlebasierte Chemikalien, und (v) niedrige Aschewerte, abgeleitet von der Rohkohle (ähnlich bei Schwefel).