Teknologi WTA Revolusioner Meningkatkan Efesiensi Pengeringan Batubara Lignit

Teknologi WTA untuk Pengeringan Batubara Lignit

Teknologi WTA (Wirbelschicht Trocknung Anlage) untuk pengeringan batubara lignit dikembangkan oleh perusahaan Jerman RWE Power AG. WTA adalah singkatan Jerman yang berarti pengeringan loyar fluid dengan pemanfaatan limbah panas internal. RWE Power AG memiliki sejumlah paten atas teknologi ini.

Pengering loyar fluid uap pertama kali dikembangkan oleh RWE sebagai pabrik demonstrasi WTA-1 di Frechen dekat Cologne, Jerman, dengan kapasitas aliran 53 ton per jam batubara lignit mentah dengan ukuran butiran 0 mm hingga 6 mm dan kapasitas penguapan 25 ton per jam. Selama operasi uji selama 20.000 jam dari 1993 hingga 1999, pabrik demonstrasi WTA-1 bersama sistem kompresi uap untuk pemanas pengering (yang digunakan untuk pertama kalinya di dunia dalam aplikasi batubara lignit) terbukti bekerja sangat baik dan andal.

Pengembangan Pabrik Uji WTA-2

Karya teoritis lanjutan dan evaluasi operasi uji pabrik WTA-1 mengungkapkan potensi lebih lanjut untuk optimasi proses teknis dan ekonomis. Beberapa alternatif pengembangan dipertimbangkan dan terungkap bahwa pengurangan ukuran butiran memiliki potensi terbesar untuk perbaikan lebih lanjut.

Pada tahun 1999, RWE membangun pabrik uji yang disebut WTA-2 untuk proses WTA butiran halus langsung di samping pabrik WTA-1 di Frechen. Pabrik baru ini memiliki kapasitas desain yang ditingkatkan melalui beberapa langkah optimasi dari awalnya 16,4 ton per jam aliran batubara lignit mentah dan 8 ton per jam kapasitas penguapan menjadi aliran batubara mentah 28,7 ton per jam dan kapasitas penguapan air 13,1 ton per jam selama total 8.200 jam operasi pabrik hingga 2011.

Pabrik Prototipe Skala Komersial di Niederaussem

Berdasarkan pengalaman luas dari operasi pabrik WTA-2 dengan berbagai batubara lignit dari Distrik Lignit Renania, RWE memutuskan pada tahun 2005 untuk membangun pabrik prototipe WTA skala komersial di Pusat Inovasi Batubara di Niederaussem. Kapasitas desainnya adalah 210 ton per jam aliran batubara lignit mentah, 110 ton per jam batubara lignit kering, dan kapasitas penguapan 100 ton per jam. Ini mewakili langkah penskalaan dengan faktor lebih dari 8. Pabrik dirancang sebagai pabrik produksi dengan sistem kontrol proses tipe industri dan fitur keamanan. Pabrik dibangun antara 2006 dan 2008, dan batubara lignit mentah pertama dikeringkan pada Desember 2008. Sebagai alternatif untuk desain di Niederaussem, semua komponen aliran batubara utama juga dapat dipasang satu di atas yang lain dalam struktur baja.

Saat ini, teknologi ini beroperasi di pembangkit listrik berkapasitas 1000 MW di Niederaussem. Sistem yang dapat memproses 210 ton batubara mentah per jam memiliki kapasitas penguapan 100 ton air per jam dan adalah pabrik pengeringan batubara lignit terbesar di dunia. Pabrik dapat menghasilkan 110 ton batubara lignit kering per jam.

Manfaat Teknologi WTA

Batubara lignit biasanya diubah menjadi bahan bakar padat berkualitas tinggi saat diproses untuk membuat produk gas dan cair. Untuk pemrosesan ini, kadar kelembaban harus diturunkan menjadi 10 % hingga 20 %. Sebagai operasi teknologi proses dasar, pengeringan batubara lignit juga meningkatkan kualitas batubara lignit. Metode pengeringan hemat energi meningkatkan neraca energi keseluruhan proses. Sebagai metode modern untuk pemrosesan dan pengeringan batubara lignit, teknologi WTA digunakan dan disesuaikan dengan semua proses di atas. Teknologi ini memberikan kontribusi penting untuk optimasi seluruh proses pemanfaatan energi batubara lignit dan untuk penurunan emisi. Karena input energi untuk pengeringan meningkat seiring dengan peningkatan kadar kelembaban, peningkatan efesiensi yang dicapai dari teknologi WTA bukanlah nilai konstan. Semakin tinggi kadar kelembaban yang harus dihapus, semakin besar potensi untuk meningkatkan efesiensi.

Emisi gas buang yang terkait dengan pembangkitan listrik sebanding secara langsung dengan jumlah bahan bakar input dan efesiensi pembangkit listrik. Peningkatan efesiensi dari teknologi WTA secara langsung membantu menurunkan emisi ini.

Dalam pengeringan konvensional batubara lignit, batubara dikeringkan menggunakan gas buang panas yang ditarik dari tungku pembangkit uap pada suhu antara 900 °C hingga 1.000 °C dan diarahkan ke penggiling untuk penggilingan. Di sana, gas buang panas menyerap sebagian besar kelembaban dari batubara lignit saat dipulverisasi. Jika proses gabungan ini dipisahkan menjadi pengeringan dan penggilingan, batubara lignit dapat dikeringkan pada suhu rendah dengan efesiensi energi yang lebih besar. Pengeringan pra batubara lignit dapat meningkatkan nilai kalor (CV) hingga dapat digunakan untuk pembakaran dalam pembangkit uap konvensional tanpa bahan bakar cadangan.

Metode Pengeringan Uap

Pengeringan uap batubara adalah metode pengeringan yang telah berada pada posisi nich dalam pengeringan batubara hingga beberapa tahun lalu. Pada tahun 1979, Potter et al. telah mengangkat prinsip pengeringan uap dan menunjukkan dalam uji laboratorium bahwa batubara lignit juga dapat dikeringkan dalam loyar fluid stasioner menggunakan uap sedikit superheat.

Dua aspek membuat pengeringan uap batubara lignit sangat menarik. Yang pertama adalah kebutuhan untuk menghilangkan jumlah air yang besar dari batubara lignit mentah yang berukuran sekitar setengah ton air untuk setiap ton batubara lignit mentah. Aspek kedua adalah fakta bahwa batubara lignit berperilaku higroskopik, yang berarti kadar kelembaban dalam batubara lignit seimbang dengan atmosfer sekitar dan, untuk batubara lignit tertentu, hanya merupakan fungsi dari tekanan uap air dan suhu.

Selama pengeringan batubara lignit dalam uap murni pada tekanan konstan, misalnya tekanan atmosfer, kelembaban seimbang hanya merupakan fungsi suhu. Kurva yang menggambarkan hubungan ini dikenal sebagai isobar desorpsi. Ini sangat menarik dari perspektif kontrol proses, karena kelembaban batubara lignit yang dikeringkan tidak bergantung pada waktu pengeringan, asalkan batubara lignit dikeringkan cukup lama untuk seimbang dengan atmosfer uap. Juga, batubara lignit tidak dapat 'terlalu kering', karena kadar kelembaban tidak lagi berubah, setelah seimbang tercapai, terlepas dari berapa lama disimpan dalam pengering. Isobar desorpsi bergantung pada kualitas batubara lignit. Ketergantungan ini untuk dua jenis batubara lignit pada tekanan sistem sekitar 1,1 atmosfer ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1 menunjukkan bahwa kadar kelembaban seimbang sekitar 12 % tercapai dalam batubara lignit jenis 1 pada suhu sekitar 110 °C, sementara dalam batubara jenis 2 tercapai pada suhu 107 °C.

Gambar 1 Isobar tipikal batubara lignit

Berikut adalah keuntungan penggunaan uap untuk pengeringan batubara lignit.

• Pengeringan dilakukan dalam atmosfer iners yang memastikan tingkat keamanan alami yang tinggi terhadap karakteristik potensi meledak batubara lignit kering.
• Kadar kelembaban batubara lignit kering hanyalah fungsi suhu pada tekanan konstan.
• Suhu pengeringan relatif rendah.
• Hampir 100 % uap pengering terdiri dari uap, sehingga menguap secara isothermal. Ini adalah sumber limbah panas yang menarik yang dapat digunakan secara aktif dengan cara yang bijaksana.
• Kondensasi uap menghindari volume besar emisi uap dan emisi debu.
• Kondensat yang dipulihkan adalah sumber air yang dapat digunakan yang dapat berkontribusi pada memenuhi kebutuhan air pabrik.

Proses WTA dan Pengeringan Loyar Fluid

Batubara lignit mentah digiling menjadi ukuran kurang dari 2 mm di dua penggiling yang terhubung secara berurutan. Setelah penggilingan, batubara diumpankan ke pengeringan loyar fluid, di mana medium fluidisasi adalah uap yang timbul dari proses pengeringan. Penguapan air terjadi pada 110 °C dengan tekanan sedikit di atas atmosfer melalui exchanger panas yang terintegrasi dalam pengering loyar dan dipanaskan dengan uap. Waktu tinggal batubara lignit dalam ruang pengeringan berkisar antara 60 menit hingga 90 menit.

Batubara kering yang keluar dari loyar stasioner dipisahkan dari uap yang menyertanya pertama dalam siklon dan kemudian dalam penangkap debu elektrostatis. Uap di keluar siklon adalah uap yang digunakan untuk fluidisasi loyar dan uap di keluar penangkap debu elektrostatis dibuang ke atmosfer. Selain itu, terdapat ekstraksi kasar untuk batubara di dasar loyar, yang dicampur dengan batubara yang dipisahkan di siklon dan penangkap debu elektrostatis setelah melewati pendingin perantara.

Panah yang dibutuhkan untuk pengeringan batubara disuplai oleh uap eksternal, yang biasanya diambil dari turbin dengan transfer panas yang terjadi dalam sekelompok tabung yang terletak di dalam loyar. Pengeringan dalam loyar fluid lebih mengurangi ukuran butiran, sehingga batubara kering yang keluar dari pengering biasanya memiliki ukuran butiran kurang dari 1 mm dengan sekitar 9 % lebih dari 1 mm. Batubara kering memiliki kadar kelembaban sekitar 12 %. Dengan mengontrol suhu loyar fluid, kadar kelembaban dapat disesuaikan dan dijaga konstan pada nilai yang diinginkan. Proses WTA adalah teknologi penting untuk pengurangan emisi CO2 dalam pembangkitan listrik berbasis batubara lignit.

Batubara lignit diumpankan melalui pemakan bintang ke pengering, yang berada pada tekanan sedikit di atas atmosfer. Sistem yang dikembangkan khusus untuk teknologi WTA dipasang di bagian atas pengering. Sistem ini mendistribusikan batubara lignit mentah yang telah digiling kasar di seluruh permukaan loyar fluid. Loyar fluid dipanaskan oleh uap tekanan rendah atau, tergantung pada alternatif proses, oleh uap direkompresi. Ini adalah uap yang timbul saat pengeringan batubara lignit. Tekanan uap pemanas sekitar 3 hingga 4 atmosfer. Untuk penggerusan (fluidisasi), sistem yang digunakan disesuaikan dengan kondisi spesifik pengeringan batubara lignit. Di bawah dasar fluidisasi, batubara lignit kering dikeluarkan dari loyar tetap melalui pemakan bintang. Pengering memiliki kapasitas spesifik tinggi dan desain kompak. Pengering loyar fluid ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Diagram pengering loyar fluid

Prinsip Proses WTA

Teknologi proses WTA didasarkan pada pemanfaatan prinsip loyar fluid stasioner dengan ekspansi rendah pada tekanan sedikit di atas atmosfer. Ini adalah loyar partikel padat yang diubah menjadi kondisi 'mengambang-alir' oleh aliran ke atas, umumnya udara. Energi yang dibutuhkan untuk pengeringan disuplai melalui exchanger panas yang terpasang dalam pengering loyar fluid yang dipanaskan dengan uap. Hanya sejumlah kecil energi yang disuplai melalui medium fluidisasi. Oleh karena itu, aliran fluidisasi dan kebutuhan energi pengering dapat dikontrol secara independen satu sama lain.

Transfer panas antara exchanger panas dan loyar fluid sangat baik dan aliran panas tinggi dapat dicapai bahkan dengan selisih suhu yang kecil. Sebagai hasilnya, pengering meskipun memiliki desain kompak memiliki kapasitas penguapan tinggi. Juga, karena batubara lignit mentah setelah penggilingan secara praktis tidak dapat difluidiskan secara massal karena sifat kohesifnya, loyar fluid umumnya dirancang sebagai loyar campuran batubara lignit kering sebagai medium penangga dengan batubara lignit mentah segar yang digiling ditambahkan padanya.

Pengeringan dilakukan dalam atmosfer uap air murni hampir 100 %, sedikit superheat. Dalam proses ini, seimbang tercapai pada tekanan konstan antara suhu uap yang bersangkutan dan kelembaban sisa dalam batubara lignit.

Keuntungan pengeringan batubara lignit dalam atmosfer uap adalah air yang menguap dari batubara menguap secara isothermal, yaitu pada suhu konstan, sehingga dapat digunakan secara efesiensi energi. Dua konsep untuk penggunaan uap telah dikembangkan pada skala industri. Ini adalah (i) rekomenpresi uap mekanis sebagai proses pompa panas terbuka untuk memanaskan exchanger panas pengering dengan dan tanpa pemanasan pra batubara lignit terintegrasi (Gambar 3b), dan (ii) kondensasi uap untuk pemrahan pra, misalnya, air umpan boiler dalam proses pembangkit listrik, seperti yang diimplementasikan di Niederaussem (Gambar 3a).

Gambar 3a Teknologi WTA dengan kondensasi uap

Dua varian dapat diintegrasikan ke dalam proses WTA. Meningkatkan efesiensi energi proses pengeringan dan mengurangi emisi. Kondensat uap yang dihasilkan dapat digunakan sebagai air industri. Pemilihan sistem yang digunakan untuk pemanfaatan uap bergantung, di antara hal lain, pada kebutuhan pengeringan dan integrasi ke dalam keseluruhan proses.

Ukuran Butiran Batubara Lignit Mentah

Proses pengeringan WTA telah dikembangkan untuk dua ukuran butiran masukan yaitu (i) ukuran butiran kasar (0 mm hingga 6 mm), dan (ii) ukuran butiran halus (0 mm hingga 2 mm). Alternatif ukuran butiran kasar digunakan jika proses hilir membutuhkan batubara lignit kering dengan ukuran butiran minimum, seperti gasifikasi dalam proses Winkler suhu tinggi atau kokas batubara lignit. Untuk semua proses lain, alternatif ukuran butiran halus biasanya digunakan karena opsi yang jauh lebih menarik baik secara teknis maupun ekonomis. Secara khusus sebagai tahap pengeringan pra di pembangkit listrik konvensional, proses WTA butiran halus menguntungkan, karena batubara lignit kering dengan ukuran butiran maksimal 1 mm sangat halus sehingga dapat digunakan langsung dalam boiler sebagai bahan bakar.

Untuk penggilingan halus langsung yang diperlukan dari batubara lignit run-of-mine, RWE telah mengembangkan proses khusus dengan dua tahap penggilingan yang terhubung secara berurutan untuk pengurangan ukuran butiran batubara lignit mentah dari sekitar kurang dari 80 mm ke nilai yang diinginkan kurang dari 2 mm. Gambar 3b menunjukkan keseluruhan proses alternatif proses WTA butiran halus dengan penggilingan halus aliran dan kompresi uap mekanis terintegrasi untuk menggunakan energi uap dalam proses pengeringan.

Uap air batubara (uap) yang menguap dibersihkan dalam penangkap debu elektrostatis dan direkompresi dalam kompresor menjadi sekitar 4 atmosfer, sehingga uap air dapat digunakan untuk memanaskan exchanger panas yang terpasang dalam pengering (Gambar 3b). Panas sensitif kondensat uap digunakan untuk memanaskan pra batubara lignit mentah ke sekitar 65 °C hingga 70 °C. Oleh karena itu, energi dari uap digunakan untuk mencakup kebutuhan energi pengering.

Gambar 3b Teknologi WTA dengan pemanas pra dan kompresi uap

Beberapa uap air yang dibersihkan direkirkulasi ke pengering untuk fluidisasi batubara lignit mentah. Batubara lignit kering didinginkan jika perlu dan digiling lagi, menggunakan penggiling yang terintegrasi dalam pabrik WTA, ke ukuran butiran kurang dari 1 mm, sehingga dapat digunakan langsung untuk pembakaran dalam boiler pembangkit listrik.

Uap yang berasal dari pengering juga dapat digunakan untuk memanaskan pra air umpan boiler dalam siklus air-uap pembangkit listrik. Juga feasible adalah alternatif biaya rendah (Gambar 3c) tanpa penggunaan uap air. Alternatif ini dapat dipasang untuk meningkatkan CV batubara lignit dengan kelembaban dan abu yang tinggi.

Gambar 3c Alternatif biaya rendah untuk teknologi WTA

Proses WTA ditandai oleh kapasitas spesifik tinggi dan tekanan uap pemanas rendah. Oleh karena itu, output pengeringan yang sangat tinggi dapat dicapai untuk setiap unit pengering. Lebih lanjut, desain hemat ruang dan sistem penggilingan halus terintegrasi untuk batubara lignit mentah dan kering, seluruh pabrik juga tetap relatif kompak.

Keuntungan Pengeringan Batubara Lignit menggunakan Teknologi WTA

Berikut adalah keuntungan pengeringan batubara lignit menggunakan teknologi WTA.

• Efesiensi energi tinggi karena pengeringan pada suhu rendah, dan penggunaan energi dari uap air batubara yang menguap baik melalui kondensasi uap atau kompresi uap mekanis.
• Teknologi yang sangat aman dalam operasi karena pengeringan dalam atmosfer iners. Ini menghindari campuran meledak debu batubara dan udara.
• Unit pengering memiliki kapasitas pengeringan tinggi.
• Desain kompak karena sistem penggilingan halus batubara lignit mentah terintegrasi dan di mana diperlukan penggilingan batubara lignit kering sekunder juga.
• Pemanfaatan uap energi menghindari emisi uap dan debu yang signifikan. Kondensat uap adalah sumber air yang dapat digunakan dalam pabrik.
• Rekayasa pabrik dapat fleksibel dengan respecto ke kebutuhan persyaratan pengeringan.
• Teknologi meningkatkan efesiensi pembangkit listrik sebesar 4 % hingga 6 %, tergantung pada alternatif pengeringan dan kadar kelembaban batubara lignit mentah.