11/2014
OW ST AR ZY SZENIE
INŻYNIERÓW I TECHN IKÓ
W
GÓ
N R TW IC A
BARBÓRKA 2014
Pracownikom przemysłu górniczego
z okazji dnia Świętej Barbary
przekazujemy
najserdeczniejsze pozdrowienia
i życzymy pomyślności
w życiu osobistym i zawodowym
Zarząd Główny
Stowarzyszenia Inżynierów
i Techników Górnictwa
oraz
Redakcja „Przeglądu Górniczego”
MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA
PRZEGLĄD GÓRNICZY
założono 01.10.1903 r.
Nr 11 (1104) listopad 2014 Tom 70 (LXX)
*) AGH w Krakowie
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Treść: W artykule przedstawiono główne zadania realizowanego przez Konsorcjum Naukowo-Przemysłowe „Zgazowanie węgla”
Projektu Strategicznego NCBiR pt.: „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”. M.in. zaprezentowano koncepcję procesu tlenowego zgazowania węgla w skali pilotowej, opartą na prowadzeniu procesu w reaktorze ciśnieniowym (CFB) i wykorzystaniu w tym procesie ditlenku węgla w charakterze surowca, jak również rozwijanego w ramach Projektu NCBR procesu podziemnego zgazowania węgla kamiennego.
Abstract: This paper presents the main tasks of the strategic NCBiR Project: “Development of coal gasification technology for high- -efficiency fuel and power production” implemented by the Scientific-Industrial Consortium. The project presents, among others, the idea of the oxygen gasification process, conducted in a pressure reactor on a pilot scale with the use of carbon dioxide as the gasification agent as well as the idea of underground hard coal gasification process developed within the framework of the NCBiR Project.
dr hab. inż. Andrzej Strugała – prof. AGH*)
Badania nad procesem zgazowania węgla
w ramach Projektu NCBiR
Study on coal gasification process within the framework
of the NCBiR Project
Słowa kluczowe:
węgiel, zgazowanie, instalacje pilotowe, projekt R&D, Key words:
coal, gasification, pilot systems, R&D project
Bieżący numer „Przeglądu Górniczego” poświęcony jest w całości badaniom nad procesem zgazowania węgla, prowadzonym w ramach Strategicznego Programu Badań Naukowych i Prac Rozwojowych pt.: „Zaawansowane tech- nologie pozyskiwania energii”, finansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Program ten obej- muje cztery zadania, tj.:
1. Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero- -emisyjnych” bloków węglowych zintegrowanych z wy- chwytem CO2 ze spalin (Lider Konsorcjum – Politechnika Śląska);
2. Opracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytem CO2 (Lider Konsorcjum – Politechnika Częstochowska);
3. Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysoko- efektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej (Lider Konsorcjum – Akademia Górniczo-Hutnicza im. St.
Staszica);
4. Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych
(Lider Konsorcjum – Instytut Maszyn Przepływowych im.
Roberta Szewalskiego PAN).
Zadanie Badawcze nr 3 realizowane jest przez Konsorcjum Naukowo-Przemysłowe, w skład którego wchodzą: Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Główny Instytut Górnictwa w Katowicach, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, Politechnika Śląska w Gliwicach, Katowicki Holding Węglowy S.A., Tauron Polska Energia S.A., Tauron Wytwarzanie SA, Tauron Wydobycie S.A., Grupa Azoty S.A. oraz KGHM Polska Miedź S.A.
Celem tego Zadania Badawczego jest opracowanie optymalnych konfiguracji oraz wytycznych procesowych i projektowych układów zgazowania węgla stanowiących podstawę do budowy krajowych instalacji demonstracyjnych.
W tym zakresie Projekt ukierunkowany został na opracowanie i weryfikację w skali pilotowej procesów:
– ciśnieniowego zgazowania węgla w reaktorze z cyrkulu- jącym złożem fluidalnym CFB przy wykorzystaniu CO2 dla potrzeb zgazowania,
– podziemnego zgazowania węgla kamiennego, opartego na technologii szybowej,
– oczyszczania i konwersji gazu z procesów zgazowania w powiązaniu z usuwaniem CO2.
Oprócz powyższych celów w Projekcie uwzględniono również realizację takich zadań, jak:
– określenie krajowej bazy surowcowej węgla kamiennego i brunatnego dla potrzeb na- i podziemnego zgazowania, – opracowanie modeli symulacyjnych układów kogeneracji
i produkcji energii elektrycznej na bazie gazu ze zgazowania węgla, a w przypadku zgazowania naziemnego także ukła- dów wytwarzania produktów chemicznych i paliw ciekłych, – opracowanie dla warunków krajowych mapy rozwiązań
technologicznych opartych na na- i podziemnym zgazo- waniu węgla,
– ocena efektywności i opracowanie strategii rozwoju technologii naziemnego i podziemnego zgazowania węgla ukierunkowanego na zastosowania energetyczne i w przemyśle chemicznym,
W ramach części projektu, poświęconej podziemnemu zgazowaniu węgla tworzone są podstawy technologii pod- ziemnego zgazowania węgla dla potrzeb produkcji ciepła i energii elektrycznej w średniej mocy. Opracowywana technologia oparta jest na metodzie szybowej, w której zakłada się wykorzystanie istniejącej infrastruktury kopalni dla zgazowania tzw. złóż resztkowych węgla. Kluczowym elementem prac była długotrwała próba zgazowania w geo- reaktorze pilotowym zlokalizowanym w jednym z pokładów KWK „Wieczorek” (rys. 1, 2). Próba ta zakończona została pozytywnym rezultatem, a obecnie trwa wygaszanie reaktora.
Uzyskane wyniki umożliwią dokonanie oceny efektywności procesowej, ekologicznej i ekonomicznej procesu podziemne- go zgazowania węgla w wersji zaproponowanej przez Główny Instytut Górnictwa w Katowicach. Uzyskane wyniki wykorzy- stane zostaną też do opracowania projektu technologicznego oraz studium wykonalności instalacji demonstracyjnej PZW dla produkcji ciepła i energii elektrycznej o mocy ok. 20 MWel.
Ciekawym kierunkiem wykorzystania rozwijanej przez GIG technologii może stać się w przyszłości zaproponowa- na przez AGH tzw. hybrydowa technologia podziemnego zgazowania węgla kamiennego w złożach pozabilansowych z wykorzystaniem istniejącej infrastruktury kopalń likwidowa- nych. Wykorzystuje ona różnorodne techniki przygotowania i eksploatacji pokładów zalegających na dużej głębokości, tj.
poniżej poziomu wydobywczego (klasyczne techniki górnicze i techniki otworowe, szczelinowanie utworów złożowych, odmetanowanie, a następnie zgazowanie węgla). Wdrożenie takiego rozwiązania zapobiegnie bezpowrotnej utracie możli- wości wykorzystania udostępnionych przez istniejące kopalnie bardzo istotnych zasobów węgla kamiennego, a także umoż-
liwi pełniejsze wykorzystanie posiadającego jeszcze dużą wartość majątku likwidowanych kopalń węgla kamiennego.
W ramach części Projektu dotyczącej naziemnego zga- zowania węgla rozwijana jest technologia zgazowania węgla w reaktorze CFB z wykorzystaniem CO2 jako składnika mieszaniny zgazowującej. W ten sposób w praktyce realizo- wana jest koncepcja tzw. chemicznej sekwestracji CO2, czyli wykorzystanie go jako surowca chemicznego. Rozwijany proces zgazowania przebiega w warunkach cyrkulującego złoża fluidalnego (CFB) (rys. 3), do którego wprowadzany jest dodatkowy strumień CO2 (rys. 4). Jest on nośnikiem zarówno tlenu, jak i pierwiastka węgla. Dzięki temu obniża się zużycie zarówno utleniacza, jak i paliwa węglowego. Aktualnie w fazie końcowej znajdują się badania prowadzone w instalacji piloto- wej (skala: do 100 kgwęgla/h) w reaktorze z cyrkulującą warstwą fluidalną, a dotychczasowe wyniki są pozytywne. Wynikiem tej części Projektu będzie opracowanie technologii ciśnieniowego zgazowania węgla (na VI stopniu gotowości wg wytycznych zawartych w Rozporządzeniu MNiSW z 4 stycznia 2011 r.
– Dziennik Ustaw Nr 18, poz.91), opracowanie projektu procesowego instalacji demonstracyjnej oraz studium wyko- nalności instalacji demonstracyjnej dla aplikacji chemicznych i/lub energetycznych. Ponadto należy wspomnieć o takich planowanych rezultatach, jak:
Rys. 1. Infrastruktura powierzchniowa pilotowej instalacji podziemnego zgazowania węgla w KWK „Wieczorek”
Fig. 1. Surface infrastructure of the underground coal gasification pilot system in “Wieczorek” mine
Rys. 2. Charakterystyczny płomień spalanego gazu z procesu podziemnego zgazowania węgla w KWK „Wieczorek”
Fig. 2. Characteristic flame of burning gas from the undergro- und gasification process in “Wieczorek” mine
– wytyczne procesowe dla nowo opracowanej technologii usuwania rtęci z węgla kamiennego i brunatnego na drodze niskotemperaturowej pirolizy.
– technologia termiczno-katalitycznego usuwania smół zawartych w surowym gazie syntezowym powstającym z fluidalnego zgazowania paliw stałych.
– technologie usuwania CO2 z gazów procesowych przy wykorzystaniu procesów absorpcyjnych, adsorpcyjnych oraz pętli chemicznej.
– technologia wysokotemperaturowego odsiarczania gazów procesowych.
Rys. 3. Instalacja ciśnieniowego zgazowania węgla w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym. Hala technologiczna CCTW, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla
Fig. 3. Pressure coal gasification system in the circulating flu- idized-bed reactor. Technological house CCTW, Institu- te of Chemical Processing of Coal
Wspomnieć także należy o ciekawej koncepcji układu elektrociepłowni zintegrowanej ze zgazowaniem węgla w reaktorze z recyrkulacją CO2, opracowanej przez Politechnikę Śląską.
Koncepcja ta przewiduje zgazowanie węgla na podstawie opracowanej przez IChPW technologię. Produkowany w reaktorze fluidalnym gaz jest ochładzany i oczyszczany, a następnie kierowany do turbiny gazowej, w której jest realizowany proces spalania tlenowego. Powstałe spaliny zawierają głównie CO2, parę wodną oraz śladowe ilości in- nych składników. Po wykropleniu pary wodnej otrzymuje się CO2 o czystości pozwalającej na jego transport rurociągowy, przy czym część strumienia CO2 jest zawracana do reaktora zgazowania, część do turbiny gazowej w celu rozcieńczenia utleniacza, a pozostała ilość jest wyprowadzana z układu.
Specyfiką procesu fluidalnego zgazowania węgla jest po- wstawanie karbonizatu stanowiącego jego produkt uboczny.
W celu zwiększenia sprawności całego układu, w opraco- wanej koncepcji powstały karbonizat wykorzystuje się jako paliwo dla kotła fluidalnego. Zastosowaniem takiej koncepcji może być produkcja ciepła dla miejskiego systemu ciepłow- niczego przy maksymalnym wykorzystaniu ciepła odpado- wego pokrywającego zapotrzebowanie podstawowe. Część szczytowa ciepła jest wytwarzana w klasycznym wymien- niku ciepłowniczym zasilanym z upustu turbiny parowej lub w kotle szczytowym. Układ charakteryzuje się korzystnymi wskaźnikami energetycznymi nawet przy uwzględnieniu pełnego wychwytu CO2. Dzięki zastosowaniu kotła szczy- towego maksymalna moc cieplna układu osiąga wartość 220 MWt, natomiast średnioroczna sprawność elektryczna netto kształtuje się na poziomie 29,1 %.
W zakresie określenia bazy surowcowej dla procesów naziemnego zgazowania zdefiniowano dwie grupy parame- trów (tzw. parametry kluczowe i tzw. parametry istotne), determinujących przydatność węgla kamiennego i brunat- nego dla procesów ich zgazowania różnymi metodami. W oparciu o te parametry dla wytypowanych złóż GZW i LZW opracowywane są „Karty technologiczne przydatności węgla do zgazowania” oraz określana wielkość zasobów tych węgli możliwych do wykorzystania w procesie zgazowania.
W zakresie bazy węgli kamiennych dla procesu zgazo- wania podziemnego określono wymagane ich parametry technologiczne, geologiczne, górnicze i geomechaniczne związane z oddziaływaniem na środowisko oraz przebieg procesu zgazowania. Uwzględniając te parametry oraz wyniki szczegółowej analizy dokumentacji geologicznych złóż oraz zawartych w niej map pokładowych, opracowań kartograficz- nych i inwentaryzacji złóż z uwzględnieniem stanu środowiska przygotowywane są „Karty Paszportowe Pokładów” oraz określana jest wielkość zasobów tych węgli (w rozbiciu na GZW i LZW) jako bazy surowcowej dla procesu podziemnego zgazowania. Stwierdzono, że uwarunkowania techniczno- -ekonomiczne i środowiskowe mogą w znacznym stopniu ograniczyć stosowanie technologii PZW na szeroką skalę w obszarach spełniających złożowe kryteria przydatności tej metody. Z tego względu zakres prowadzonych analiz posze- rzono o ocenę bazy zasobowej dla wspomnianej wcześniej hybrydowej technologii podziemnego zgazowania węgla. Pod kątem tej technologii dokonano oceny głęboko położonych zasobów węgla w zakresie stanu rozpoznania zasobów na głębokości poniżej 1000 m, opracowano metodologię oceny zasobowej dla tej metody oraz zweryfikowano ją na przykła- dzie zasobów KWK „Ziemowit”.
Odnośnie do bazy zasobowej węgla brunatnego dla po- trzeb podziemnego jego zgazowania należy podkreślić, że doświadczenia światowe w zakresie tej technologii dotyczą Rys. 4. Spalanie gazu procesowego ze zgazowania węgla przy
wykorzystaniu CO2 (widok pochodni).
Fig. 4. Combustion of the process gas from coal gasification by use of carbon dioxide (the view of gas flare)
praktycznie wyłącznie odmiany węgla brunatnego twardego (metalignitu) o zdecydowanie odmiennych właściwościach fizykochemicznych, podczas gdy nasze zasoby to miękki węgiel brunatny (ortolignit). Z tego względu opierając się na wynikach analizy budowy geologicznej formacji węglonośnej trzeciorzędu na Niżu Polskim opracowano parametry kryte- rialnej oceny przydatności tego właśnie węgla dla potrzeb pod- ziemnego zgazowania oraz dokonano waloryzacji punktowej krajowych złóż węgla brunatnego. Zarekomendowano loka- lizację dla instalacji pilotowej PZW na niewyeksploatowanej
południowo-zachodniej odnodze złoża Turów (rej. Ścinawki), gdzie pod zwałowiskiem wewnętrznym pozostał III pokład ścinawski z zasobami ok. 50 mln Mg węgla brunatnego.
Szczegółowe informacje na temat realizacji Projektu i jego dotychczasowych rezultatów można znaleźć na stronie:
www.zgazowaniewegla.agh.edu.pl. Zamieszczona tam jest też szczegółowa specyfikacja wszystkich publikacji, referatów konferencyjnych, oraz monografii habilitacyjnych, rozpraw doktorskich jak też prac magisterskich i inżynierskich będą- cych rezultatem tego Projektu.
*) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Treść: Podziemne zgazowanie węgla (PZW) jest to technologia zgazowania pokładów węgla in-situ, czyli bezpośrednio w miejscu ich zalegania. Koncepcja PZW jest bardzo podobna do technologii zgazowania węgla na powierzchni, gdzie gaz syntezowy, będący produktem zgazowania, jest wytwarzany w skutek tych samych reakcji chemicznych. Prowadzone w świecie i w kraju badania nad PZW wykazały jednak, że pełna kontrola przebiegu procesu zgazowania jest trudna w realizacji. W artykule przedstawione zostały informacje dotyczące obecnego stanu, realizacji projektów i kierunki rozwoju technologii PZW w ujęciu światowym.
Opisane zostały również wyzwania dla komercyjnego stosowania technologii PZW na podstawie dotychczasowych osiągnięć.
Abstract: Underground coal gasification (UCG) is a gasification process applied to in situ coal seams. The concept of UCG is very similar to surface gasification when syngas is produced through the same chemical reactions. However, studies of UCG have shown that the development of a controllable process is difficult. This paper reviews the status, key concepts and trends in the UCG technology development around the world, discusses the challenges it faces, and summarizes the international approach and technical advances made in the UCG technology.
dr inż. Aleksandra Koteras*) prof. dr hab. inż. Józef Dubiński*)
Obecny stan i kierunki rozwoju technologii podziemnego
zgazowania węgla w świecie
Current status and development trends of underground coal gasification
technology in a global context
Słowa kluczowe:
podziemne zgazowanie węgla, zgazowanie węgla in-situ, czysta energia, technologie przetwórstwa węgla Key words:
underground coal gasification (UCG), in situ coal gasification, clean energy, coal processing technologies
1. Wprowadzenie
Zgodnie z danymi Międzynarodowej Agencji Energe- tycznej węgiel pokrywa obecnie 40 % światowego zapotrze- bowania na energię elektryczną. Jest on jednocześnie źródłem energii pierwotnej, na które zapotrzebowanie rosło najszybciej w ostatnich latach. Głównym tego powodem był niewątpliwie silny wzrost gospodarczy w dynamicznie rozwijających się, krajach świata, których gospodarka opiera się na węglu, ta- kich jak: Chiny, Indie i inne. Węgiel jest bowiem najtańszym źródłem energii, a jego bogate zasoby mogłyby zaspokoić światowe zapotrzebowanie na ten surowiec jeszcze przez 150 lat [8]. Już w XXI wieku globalne zużycie węgla wzrosło z 4762 mln ton w 2000 r. do 7697 mln ton w 2012 r., co stanowi 60% wzrost, czyli średni wzrost o 4% rocznie. W okresie od 2005 r. do 2012 r., tylko same Chiny instalowały każdego dnia ponad 150 MW mocy wytwórczych opartych na węglu [8].
Dużym wyzwaniem dla paliw kopalnych, a szczególnie dla węgla, są rosnące wymagania wobec ochrony środowiska przyrodniczego, a w szczególności ochrony klimatu. Biorąc pod uwagę światowe tendencje w wykorzystaniu paliwa węglowego oraz analizując prognozy w tym zakresie, które wyraźnie wskazują na dominującą rolę węgla w najbliższych dziesięcioleciach, kluczowym staje się opracowanie technolo- gii czystszego i bardziej efektywnego wykorzystania zarówno samego węgla jak i jego zasobów. Spalanie węgla stanowi bowiem o 29,5 % emisji gazów cieplarnianych na świecie [8].
Modernizacja istniejących elektrowni węglowych, budowa nowych bloków o wysokiej sprawności energetycznej, to wyzwania dla współczesnego przemysłu elektroenergetycz- nego. Nadal jednak kluczowym wyzwaniem dla środowisk nauki i przemysłu, pozostaje opracowanie nowych tech- nologii wykorzystania węgla i ich komercjalizacja. Jednym z kierunków w tym zakresie są czyste technologie węglowe, a w tym technologia podziemnego zgazowanie węgla (PZW).
2. Charakterystyka technologii podziemnego zgazowania węgla
Węgiel od wielu już lat jest podstawowym nośnikiem energii wykorzystywanym w elektrowniach dla produkcji prądu elektrycznego, a w ciepłowniach dla produkcji ciepła.
Przy takim zastosowaniu węgla podstawowym procesem jego konwersji na inną formę energii jest jego spalanie. Należy jednak pamiętać, że węgiel posiada znacznie szersze możliwo- ści jego wykorzystania, w tym także w złożonych procesach chemicznych. Schemat wyróżniający podstawowe procesy bazujące na paliwie węglowym i powstające w ich wyniku produkty przedstawia rysunek 1 [11].
Jak widać, jednym z podstawowych procesów wyko- rzystania węgla jest jego zgazowanie, w wyniku którego uzyskiwane są takie produkty, jak: gaz syntezowy i opałowy czy też substytut gazu ziemnego.
Podziemne zgazowanie węgla (PZW) tym różni się od zgazowania w powierzchniowych reaktorach zgazowania, że proces zgazowania ma miejsce bezpośrednio w złożu, a więc w pokładzie węgla zalegającym pod ziemią. Proces ten jest metodą bezpośredniej konwersji węgla do gazu syntezowego bez konieczności wydobycia węgla klasycznym technikami górniczymi. Technologia PZW polega na tym, że węgiel znajdujący się polu podziemnego georeaktora jest poddawany działaniu takich mediów zgazowujących, jak powietrze, tlen, para wodna czy też ich mieszanina, w wyniku czego docho- dzi do silnej reakcji endotermicznej, a więc wymagającej wysokiej temperatury, podczas której powstaje mieszanina składająca się głównie z takich gazów jak: H2, CO, CO2 oraz CH4. Procentowy udział poszczególnych składników w otrzymywanym produkcie gazowym zależy, między innymi, od warunków termodynamicznych, w jakich prowadzony jest sam proces zgazowania oraz od zastosowanych czynników zgazowujących. W praktyce podziemne zgazowanie węgla jest procesem dużo trudniejszym i bardziej skomplikowanym niż mogłoby się to wydawać, stąd ciągle jeszcze wymaga prac badawczych i większej liczby eksperymentów w skali demonstracyjnej, zanim stanie się w pełni komercyjną i do- stępną technologią.
Proces PZW rozpoczyna się od zapalenia pokładu węgla na początku otworu generatorowego. Po wytworzeniu się przodka ogniowego następuje kolejny, ważny etap procesu jakim jest doprowadzenie w to miejsce czynnika zgazo- wującego, co powoduje rozpoczęcie procesu zgazowania.
W miarę jego rozwoju, wysokotemperaturowy front zgazowa- nia przemieszcza się stopniowo wzdłuż otworu spełniającego rolę kanału odprowadzającego gazowe produkty zgazowania [10]. Właśnie taki model rozwoju procesu podziemnego zgazowania pokładu węgla przedstawia rysunek 2.
Rys. 1. Podstawowe procesy i produkty wykorzystania węgla [11]
Fig. 1. Basic processes and products of coal utilization [11]
Rys. 2. Koncepcja podziemnego zgazowania węgla oraz strefy reakcji w kanale zgazowania [14]
Fig. 2. Conception of in situ underground coal gasification pro- cess and coal gasification reaction zones [14]
Technologia podziemnego zgazowania węgla wyróżnia jego dwa podstawowe warianty, różniące się sposobem udo- stępnienia pokładu węgla przeznaczonego do zgazowania, określane mianem metody szybowej i bezszybowej. Metoda szybowa, jak wskazuje sama jej nazwa, polega na udostępnie- niu pokładu węgla szybem. Georeaktor stanowi tutaj wydzie- lony fragment pokładu, do którego poprzez otwory wiert- nicze podawane są media zgazowujące i odbierane produkty zgazowania. Zarówno jedne, jak i drugie są transportowane na powierzchnię odpowiednimi rurociągami zainstalowanymi w wyrobiskach dołowych i szybie. Natomiast, w metodzie bezszybowej, w celu zgazowania pokładu węgla udostępnienie georeaktora polega na wykonaniu z powierzchni otworów wiertniczych stanowiących odpowiednio kanały zasilające i produkcyjne, które są połączone kanałem łączącym wy- konanym w zgazowywanym pokładzie węgla. Ten wariant technologii PZW jest obecnie szerzej rozwijany, głównie ze względu na mający miejsce w ostatnich latach wyraźny postęp w wierceniach kierunkowych. Schematy ideowe metod PZW przedstawiono na rysunkach 3 i 4.
Analizując możliwości podziemnego zgazowania węgla przy wykorzystaniu bezszybowego – otworowego wariantu udostępnienia złoża do zgazowania należy zwrócić uwagę na wiodące obecnie i szeroko rozwijane technologie zgazo- wania. Należy do nich bez wątpienia technologia CRIP (ang.
Controlled Reacting Ignition Point) opracowana w USA w latach 1980÷1990 przez Lawrence Livermore National Laboratory, która wykorzystuje metodę wierceń kierunko- wych i umożliwia zasilanie generatora PZW czynnikiem zga- zowującym w ściśle określonym punkcie pokładu, za pomocą giętkiego przewodu stalowego. W miarę jak spadają parametry otrzymywanego gazu, punkt zasilania jest przesuwany, co umożliwia dalsze zgazowanie pokładu [22].
Nieco inną technologią jest opracowana, na bazie do- świadczeń radzieckich przez firmę Ergo Exergy, technologia εUCG (ang. εUnderground Coal Gasification), z sukcesem zastosowana w projekcie podziemnego zgazowani węgla w Chinchilla. Metoda ta szeroko wykorzystuje wiele nowo- czesnych metod wiertniczych, w tym precyzyjnych otworów kierunkowych, jak i konwencjonalnych otworów pionowych i pochyłych, przy jednoczesnym zastosowaniu różnych me- diów zgazowujących, dobieranych optymalnie do warunków prowadzonego procesu [21]. Najprościej mówiąc, w techno- logii εUCG udostępnianie pokładu węgla wykonywane jest poprzez wywiercenie dwóch otworów pionowych, z których jeden jest otworem zasilającym, a drugi produkcyjnym.
Otwory te łączy się otworem kierunkowym, usytuowanym w zgazowywanym pokładzie węgla.
Nową technologią jest technologia SWIFT (ang. Single Well Integrated Flow Tubing), która opracowana została przez
Portman Energy w 2012 roku i opatentowana w 2013 roku.
Technologia ta wykorzystuje jeden pionowy otwór zarówno do iniekcji mediów zgazowujących, jak i dla odbioru produktów zgazowania. Technologia ta polega na zastosowaniu poje- dynczej osłony do umieszczonych w wewnątrz rurociągów.
Przestrzeń zostaje wypełniona gazem obojętnym, co umożli- wia monitorowanie ewentualnych wycieków oraz zapobiega korozji i transmisji ciepła [22] Ogólny schemat tej technologii przedstawiony został na rysunku 5.
a) b)
Rys. 3. Metoda szybowa na przykładzie metody ślepych otworów – a, oraz schematu zastosowanego dla potrzeb zga- zowania pokładu 501 w KWK Wieczorek – b [17]
Fig. 3. Example of shaft method ˗ blind holes method – a, and the scheme used for the gasification of seam no. 501 in Wieczorek coal mine – b [17]
Rys. 4. Metoda bezszybowa PZW na przykładzie metody CRIP Fig. 4. Shaftless method of UCG based on CRIP method [20][20]
3. Światowe doświadczenia w zakresie technologii PZW Jeśli ograniczymy się do procesu pozyskiwania gazu z wę- gla to należy zauważyć, że sama idea tego procesu zrodziła się ponad 200 lat temu, i była szeroko wykorzystywana zarówno w Europie jak i Ameryce [3]. Lata 60-te XIX wieku to już intensywny rozwój technologii pozwalających wykorzystać gaz z węgla. W 1883 roku przez angielskiego przemysłowca i chemika Ludwiga Monda została opracowana metoda zgazo- wania węgla powietrzem [19]. W zdecydowanie późniejszych latach, podczas II wojny światowej, proces zgazowania był szeroko stosowany do konwersji węgla przy zastosowaniu syntezy Fischera˗Tropscha. W kolejnych latach proces gazyfikacji węgla wykorzystywano w celu jego konwersji w wodór, a następnie do produkcji amoniaku i nawozów, czy też w innych gałęziach przemysłu chemicznego. Skala możliwych zastosowań produktów procesu zgazowania węgla jest szeroka. Gaz syntezowy o wysokiej zawartości H2 i CO Rys. 5. Schemat technologii SWIFT), na podstawie: [16]
Fig. 5. Scheme of SWIFT technology (Single Well Integrated Flow Tubing), based on: [16]
jest cennym surowcem przemysłu chemicznego dla różnych rodzajów i typów syntez chemicznych. Przemysł energetycz- ny wykorzystuje proces zgazowania węgla stosunkowo od niedawna, głównie za sprawą wprowadzenia technologii ze zastosowaniem bloku gazowo-parowego zintegrowanym ze zgazowaniem paliwa węglowego (ang. Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC)) [3].
Powracając do technologii podziemnego zgazowania węgla należy podkreślić, że pierwsze koncepcje przepro- wadzenia zgazowania węgla w warunkach złożowych zo- stały przedstawione już w 1868 roku przez Carla Wilhelma Siemensa, który przed Chemical Society of London su- gerował taką możliwość. Idea ta została rozwinięta kilka dekad później, między innymi, przez słynnego uczonego, rosyjskiego chemika Dimitri Mendelejewa. Pierwsze lata XX wieku to, między innymi, opatentowanie zgazowania węgla jako metody wykorzystania jego niewydobywalnych zasobów przez Anasona Bettsa w latach 1909÷1910 oraz pierwsze plany przeprowadzenia eksperymentu podziemne- go zgazowania w kopalni w Wielkiej Brytanii [2, 3], który jednak z powodu wybuchu I wojny światowej nie doszedł do skutku. Koniec lat 20. ubiegłego wieku i lata późniejsze to intensywne prace nad technologią podziemnego zgazo- wania węgla w dawnym ZSRR, gdzie eksperymenty były prowadzone, między innymi, w basenie Podmoskiewskim (1933) i Donieckim, gdzie w 1935 roku powstała również pierwsza instalacja pilotowa. W latach 50. XX wieku w ZSRR działało już pięć instalacji przemysłowych. Obecnie pracują tylko dwie: Jużno˗Abinskaja na Syberii i Angren w Uzbekistanie, gdzie roczna produkcja gazu osiąga 1,5 mld m3. W latach 40. i 50. XX wieku technologię PZW zaczęto rozwijać w USA, przy czym szczególnie intensywne prace były prowadzone w latach 1973÷1989 w Lawrence Livermore National Laboratory, gdzie wykonano testy i próby w kilku zagłębiach węglowych. W drugiej połowie XX wieku badania nad technologią PZW oraz praktyczne próby jej zastosowania miały miejsce również w wielu innych krajach świata, a mia- nowicie: Belgii, Maroko, Wielkiej Brytanii, Francji, Hiszpanii, Nowej Zelandii, Australii, Indiach, RPA i Polsce. Powstała nawet w 1988 roku Europejska Grupa Robocza ds. PZW.
W Polsce do badań nad technologią podziemnego zga- zowania węgla przystąpiono już w latach końcu lat 40-tych ubiegłego wieku. W 1948 roku polscy inżynierowie, na zasa-
dach partnerskich, zostali włączeni do badań nad PZW prowa- dzonych w Belgii. Dalsze badania w latach 50-tych i dalszych były kontynuowane w ówczesnym Zakładzie Górniczym Głównego Instytutu Górnictwa, gdzie dla ich prowadzenia utworzono specjalny Dział Zgazowania Podziemnego [6].
Obecnie technologia podziemnego zgazowania węgla i jej dalszy rozwój jest obiektem zainteresowania wielu wę- glowych gospodarek świata i pracujących dla nich instytucji naukowo-badawczych. Wśród krajów zainteresowanych tą technologią należy wymienić głównie Australię, ale także Nową Zelandię, RPA, Chiny, USA, Polskę, kraje Europy Wschodniej, Indie, Indonezję, Wietnam, Pakistan i Wielką Brytanię, która niedawno wydała wiele pozwoleń także na wykorzystanie technologii PZW poza lądem [20]. Miejsca przeprowadzonych prób podziemnego zgazowania węgla na świecie i zrealizowane w tym zakresie projekty przedsta- wione zostały na rysunku 6. Osiągnięcia w zakresie techno- logii PZW zostaną przedstawione w kolejnym rozdziale na przykładzie doświadczeń wybranych krajów.
3.1. Chińska Republika Ludowa
Chiny mogą pochwalić się długą historią badań i prac nad rozwojem technologii PZW, a także prowadzonymi w tym zakresie projektami pilotowymi. Międzynarodowa organizacja UCG Association szacuje, że na terenie Chin zlokalizowanych jest Obecnie około 30 projektów PZW, znajdujących się w różnych fazach przygotowań. Chińskie źródła literaturowe podają natomiast, że obecnie na tere- nie Chin działać może nawet ponad 50 instalacji PZW [4].
Chińskie doświadczenia w zakresie PZW, poza opisanymi już wcześniej próbami, koncentrują się głównie wokół stworzonego w 1980 roku, na zasadzie konsorcjum nauko- wo-przemysłowego, Programu Podziemnego Zgazowania Węgla. Wśród wiodących jednostek naukowo-badawczych znalazły się, między innymi: China University of Mining and Technology w Pekinie (UCG Engineering Research Center of Coal Industry), China University of Mining and Technology w Xuzhou (Underground Coal Gasification and Clean Coal Energy Research Institute).
Do głównych projektów PZW należy zaliczyć instalację należącą do Xinwen Coalmines Group w Lai-wu w prowin- cji Shandong oraz instalację w kopalni węgla brunatnego
Rys. 6. Światowe próby PZW, na podstawie: [2]
Fig. 6. UCG Projects Worldwide, based on: [2]
Gonygon w Wulanchabu położonej w Północnej części Mongolii Wewnętrznej.
Pierwsza z tych instalacji działa od 1998 roku. Dzienna produkcja gazu ze zagazowania węgla wynosi 50 000 m3. Otrzymany gaz zostaje oczyszczony i następnie wykorzy- stywany do celów gospodarczych. Zgazowanie jest prowa- dzane w pokładzie węgla o grubości do 2 m, zalegającym na głębokości 300 m. Teren nad goereaktorem jest obszarem zabudowanym. Proces zgazowania jest prowadzony głownie przez dostarczanie powietrza, okresowo z dodatkiem tlenu, poprzez 2 otwory iniekcyjne zlokalizowane w odległości 300 m od siebie. Otwór produkcyjny znajduje się pomiędzy otworami iniekcyjnymi. Przybliżony skład chemiczny gazu otrzymywanego w procesie zgazowania to: H2 – 43 %; N2 –12
%; CO – 10 %; CH4 – 14 %; CO2 – 21 %. Wartość opałowa gazu nie przekracza 10 MJ/m3 [4].
Xinwen Coalmines Group w prowincji Shandong posiada 5 instalacji do podziemnego zgazowania węgla, które dostar- czają gaz do 25 000 gospodarstw domowych w okolicy kopalń.
W kopalniach Suncun i E’zhuang gaz jest wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej przy użyciu 4 jednostek wytwórczych o mocy znamionowej 400 kW na jednostkę [4].
Z kolei instalacja w kopalni węgla brunatnego Gonygon w Wulanchabu bazuje na gazyfikacji pokładu węgla o miąższości 12÷20 m, położonego na głębokości około 200 m. Proces zga- zowania odbywa się przez otwory wywiercone z powierzchni, które są zlokalizowane w odległościach od 12 do 20 m. Ilość otrzymanego gazu oscyluje w granicach 150 000 m3/dobę, a jego kaloryczność to 5 MJ/m3. Obecnie prowadzone są prace mające na celu osiągnięcie wielkości produkcji gazu około 1 mln m3/dobę. Gaz uzyskany z gazyfikacji jest używany głównie do produkcji energii elektrycznej w silnikach gazo- wych. System produkcji jest stale doskonalony poprzez stałe monitorowanie podstawowych parametrów technologicznych procesu zgazowania i oczyszczania gazu.
W ostatnim okresie notuje się w Chinach chęć realizacji wielu nowych projektów. Do jednego z nich należy, między innymi, zatwierdzony przez rząd chiński projekt podziem- nego zgazowania węgla w zagłębiu Haoqin, w środkowej Mongolii, która należy do Zhengzhou Coal Industry Group (Zhengmei Group). Projekt ten ma być realizowany wspólnie z firmą Carbon Energy, która na bazie swojej technologii ma stworzyć instalację demonstracyjną. Przedmiotowe zagłębie węglowe obejmuje swym zasięgiem około 184 km2, a jego zasoby szacowane są na 3,1 mld ton węgla [5].
3.2. Republika Południowej Afryki
Duże zainteresowanie technologią podziemnego zgazo- wania węgla obserwowane jest w ostatnim okresie również w RPA. Jednak należy zauważyć, że inicjatywy w zakresie PZW nie są w tym rejonie świata nowością. Pierwsze próby zgazowania były już prowadzone w latach 60. XX wieku przez firmę Sasol. Do sukcesów tej firmy należą pierwsze próby zgazowania węgla do cieczy – CTL (Coal to Liquid).
Obecnie Sasol i Eskom podejmują próby usprawnienia tech- nologii PZW w celu podniesienia jej efektywności. Pierwsza instalacja PZW – projekt Majuba (rys. 7), ruszyła w RPA w 2007 roku, a jej budowę poprzedził szereg projektów badawczych prowadzonych od 2002 roku, mających na celu weryfikację możliwości wykorzystania PZW do produkcji energii. Pozytywne wyniki tych badań doprowadziły do budowy instalacji pilotażowej, która pozwoliła z początkiem 2007 roku na osiągnięcie wydajności 5000 Nm3/godz. gazu uzyskiwanego w procesie PZW [18]. Obecnie instalacja ta pozwala na produkcję wysokiej jakości gazu syntezowego, który używany jest do wytwarzania energii w istniejącym
bloku 4110 MW. Eskom planuje w tym rejonie budowę do 2020 roku nowego bloku 2100 MW [21].
3.3. Australia
Jednym z najbardziej znanych i rozpoznawalnych w świe- cie projektów PZW jest instalacja pilotowa w miejscowości Chinchilla, uruchomiona przez australijską firmę Linc Energy, która bazuje na technologii dostarczonej przez Ergo Exergy.
W latach 1999÷2002 były tam prowadzone próby podziem- nego zgazowania węgla. Instalacja obejmowała 9 otworów iniekcyjnych i produkcyjnych oraz 19 otworów monitorują- cych i prowadzona była na złożu węgla położonym na średniej głębokości około 140 m. [15]. Prowadzone próby trwały 30 miesięcy, w czasie których zgazowanych zostało około 35 000 ton węgla, osiągając maksymalną produkcję gazu na poziomie 80 000 Nm3/godz. [15]. W kolejnych latach trwały prace nad rozbudową instalacji podziemnego zgazowania węgla wraz z demonstracyjnymi instalacjami do produkcji paliw syn- tetycznych w technologii Gas-to-Liquids (GTL) o kolejne, dodatkowe trzy moduły. W 2007 roku uruchomiono trzeci z modułów, który pozwolił na produkcję paliw syntetycznych z wykorzystaniem technologii GTL na bazie otrzymanego ze zgazowania węgla gazu syntetycznego. Moduł ten jest już jednak wyeksploatowany. Obecnie działa już moduł 4, który produkuje syngaz. Firma Linc Energy połączyła technologię GTL z uzyskiwanym ze zgazowania węgla gazem. W rezulta- cie, otrzymany ze zgazowania gaz syntetyczny jest poddawany konwersji chemicznej do ropy syntetycznej metodą syntezy GTL Fischer˗Tropsch.
Wśród innych działających w Australii instalacji nale- ży wymienić instalację pilotową Bloodwood Creek firmy Carbon Energy Ltd. Instalacja Bloodwood Creek pozwoliła na udaną produkcję gazu syntezowego już w 2008 roku, wykorzystując przy tym metodę (CRIP). W trwającej 100 dni próbie osiągnięto poziom zgazowania węgla około 150 ton/dziennie. Po tym sukcesie uruchomiono kolejne dwa moduły instalacji oraz wybudowano blok energetyczny o mocy 5 MW [13]. Niewątpliwym sukcesem tego projektu było włączenie w 2012 roku wygenerowanej na bazie synga- zu energii elektrycznej do sieci energetycznej [na podstawie danych UCG Association].
3.4. Federacja Rosyjska
Rosja ma duże doświadczenia związane z badaniem i roz- wojem technologii podziemnego zgazowania węgla. Jak już wspomniano intensywne badania i pierwsze próby zgazowania Rys. 7. Instalacja PZW w elektrowni Majuba w Mpumalanga Fig. 7. Majuba UCG project at the Majuba power station in
Mpumalanga
w skali pilotowej w warunkach naturalnych przeprowa- dzone zostały na węglu brunatnym (Mosbas) oraz na wę- glach bitumicznych (Donbas, Kuzbas) w byłym Związku Radzieckim, już w latach 20. i 30. ubiegłego wieku.
W latach 1935÷1941 na terenie obecnej Rosji realizowanych było 9 projektów pilotażowych podziemnego zgazowania węgla w zagłębiach Mosbasu, Donbasu i Kuzbasu. Z kolei w latach 1946÷1996 działało 5 instalacji przemysłowych i prowadzono 2 próby pilotowe, wśród których 4 obejmowały zgazowanie węgla brunatnego, a 3 – węgli bitumicznych.
Działania te zaskutkowały uzyskaniem 50 mld m3 gazu oraz zgazowaniem 15 mln ton węgla [9]. Po tym okresie ma miej- sce w Rosji dominacja gazu ziemnego, co hamuje rozwój technologii PZW i raczej niewiele działo się w tym zakresie.
Należy jednak odnotować, że w 2013 roku australijska firma Linc Energy i rosyjska Yakut Minerals podpisały umowę na zbadanie możliwości uruchomienia wspólnego projektu PZW w Autonomicznym Regionie Chukotka. Projekt będzie mógł być realizowany po wybraniu lokalizacji i rozpoznaniu złoża odpowiedniego dla technologii PZW [12].
4. Bariery i wyzwania dla podziemnego zgazowania węgla Analiza światowych projektów PZW i uzyskanych na tej podstawie doświadczeń pozwala spojrzeć krytycznie na ten proces, z którym wiąże się wiele nadziei w zakresie bardziej efektywnego wykorzystania bogatych zasobów tego surowca, a tym samym sformułować pewne bariery stojące przed technologią PZW oraz wyzwania dla ich pokonania.
Technologia podziemnego zgazowania węgla wymaga bo- wiem nie tylko bardzo dobrego przygotowania technicznego projektu, budowy instalacji czy też samego prowadzenia procesu, ale także wymaga uwzględnienia wszystkich czynników środowiskowych mogących mieć wpływ na sam przebieg procesu, jak również jego wpływ na różne elementy środowiska. Pierwszym i kluczowym czynnikiem warunku- jącym prawidłowy przebieg procesu i jego bezpieczeństwo są warunki geologiczne wybranej lokalizacji georeaktora i jego otoczenia. Wśród podstawowych kryteriów geologicznych opisujących złoże odpowiednie do zastosowania technologii PZW należy wymienić [7]:
– ogólną charakterystyką złoża: typ złoża opisaną przez jego budowę geologiczną, liczbę pokładów nadających się do zgazowania i ich sumaryczną grubość oraz rodzaj nadkładu,
– charakterystykę pokładu węgla przeznaczonego do zga- zowania: tj.: jego grubość i upad,
– budowę petrologiczną pokładu węgla przeznaczonego do zgazowania, charakteryzującą parametry jakościowo-che- miczne istotne z uwagi na jakość powstających produktów zgazowania (m.in. zawartość wilgoci, popiołu, części
lotnych, zawartość siarki, wartość opałowa, zawartość pierwiastków szkodliwych),
– właściwości strukturalne oraz teksturalne skał otacza- jących pokład węgla przeznaczony do zgazowania, w tym parametry opisujące: litologię skał stropowych i spągowych, ich cechy strukturalno-teksturalne, budo- wę petrograficzną w aspekcie zapewnienia szczelności georeaktora PZW oraz wyniki analizy zmian parametrów skał pod wpływem wysokich temperatur powstających w georeaktorze PZW,
– zaburzenia tektoniczne, a w tym ich położenie w stosun- ku do georeaktora PZW (problem bezpieczeństwa PZW związany z możliwością migracji produkowanych gazów strefami uskokowymi),
– zaburzenia sedymentacyjne definiujące ciągłość pokładu węgla (wymycia, ścienienia, rozszczepienia pokładu), mogące mieć wpływ na przebieg procesu PZW,
– warunki hydrogeologiczne złoża określone przez pa- rametry opisujące właściwości hydrogeologiczne skał i determinujące ich przepuszczalność, takie jak porowa- tość, szczelinowatość, przepuszczalność, odsączalność czy też wodochłonność; są one niezwykle istotne, zwłaszcza w aspekcie możliwości migracji ubocznych produktów zgazowania,
– zagrożenia naturalne mogące wystąpić w miejscu PZW – takie jak: sejsmiczne, tąpaniami, metanowe, pożarowe, wodne.
Analizując doświadczenia światowe w tym zakresie zosta- ły opracowane kryteria dla właściwego wyboru miejsca loka- lizacji georeaktora PZW. W tabeli 1 przedstawiono te kryteria w odniesieniu do podstawowych wybranych parametrów.
Inną grupą barier dla prowadzenia PZW są uwarunkowania środowiskowe, czyli te które mogą wynikać z potencjalne- go wpływu procesu na poszczególne elementy środowiska przyrodniczego. Źródła tych zagrożeń są ściśle związane z warunkami zalegania złoża, wyrobiskami górniczymi, atmosferą kopalnianą oraz powierzchnią nad georeaktorem.
Ogólny schemat obrazujący zależność między produktami procesu PZW, a elementami środowiska naturalnego został przedstawiony na rys. 8 [1].
Wśród podstawowych zagrożeń dla środowiska przyrod- niczego należy wskazać możliwość zanieczyszczenia wód podziemnych. Produktami ubocznymi zgazowania węgla są bowiem liczne zanieczyszczenia, do których zaliczyć należy przede wszystkim związki aromatyczne takie jak: benzen, toluen, etylobenzen, ksyleny, fenole oraz wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Istnieje również wysokie ryzyko uwalniania się znacznych ilości metali ciężkich z popiołów powstających w trakcie prowadzenia procesu. Wysokie tempe- ratury panujące w reaktorze podczas prowadzenia zgazowania oraz znaczne rozgrzanie górotworu może istotnie wpływać na wzrost przepuszczalności skał, ułatwiając tym samym Tablica 1. Podstawowe kryteria dla podziemnego zgazowania węgla, według różnych opracowań
Table 1. Basic criteria for underground coal gasification according to various studies
Parametr Andrew Beath
z CSIRO Exploration
& Mining
Peter Sallans z Liberty Resources Limited
Armitage M.
i Burnard K.
(warunki europejskie):
Głębokość 100÷600 m 100÷1400 m 600÷1200 m
Miąższość ponad 5 m ponad 3 m > 2 m
Zawartość popiołu > 60%; > 60% –
Nieciągłości, zaburzenia
pokładu minimalne minimalne filar ochronny od opuszczonych
zrobów
w pracujących kopalniach: 500 m Poziomy wodonośne całkowita izolacja całkowita izolacja pionowa odległość do zbiorników
wód podziemnych: 100 m
migrację zanieczyszczeń do warstw wodonośnych. Wysoka mobilność zanieczyszczeń w otoczeniu georeaktora spowo- dowana jest występowaniem wielu różnych naturalnych oraz sztucznie wytworzonych spękań górotworu, powstających pod wpływem działania czynników termicznych i mechanicznych związanych z procesem PZW [10]. Do kluczowych zagadnień będących wyzwaniem dla komercjalizacji technologii należą również: kontrola przebiegu procesu zgazowania, jego opty- malizacja i efektywność poparta efektami ekonomicznymi.
5. Wnioski
1. Węgiel pokrywa obecnie 40 % światowego zapotrze- bowania na energię elektryczną, a bogate zasoby węgla kamiennego i brunatnego w świecie mogą być gwarantem dla stabilnego pozyskiwania energii jeszcze przez wiele dziesięcioleci.
2. Coraz bardziej powszechny jest pogląd, że węgiel jako specyficzny surowiec nie powinien być wykorzystywany wyłącznie w celach energetycznych czy też ciepłowni- czych poprzez jego spalanie, posiada bowiem ogromny niewykorzystany dotychczas potencjał innych zastosowań energochemicznych, do których kluczem są procesy jego konwersji, takie jak zgazowanie czy też uwodornienie.
3. Światowe doświadczenia wskazują, że technologia podziemnego zgazowania węgla jest jedną z najbardziej przyszłościowych opcji pełniejszego wykorzystania jego zasobów, szczególnie tych, które nie są osiągalne ze względów technicznych i ekonomicznych dla klasycznych technologii eksploatacji pokładów węgla.
4. Pomimo wielu już lat doświadczeń przeprowadzonych w różnych częściach świata, technologia podziemnego zgazowania węgla nie jest jeszcze w pełni dojrzała do jej powszechnego zastosowania w skali przemysłowej.
5. Istnieje wiele uwarunkowań wynikających, między in- nymi, z budowy geologicznej złoża, lokalizacji miejsca zgazowania, uwarunkowań technicznych i środowi- skowych, które decydują zarówno o bezpieczeństwie i pełnej kontroli procesu PZW, jak i o opłacalności tego przedsięwzięcia w skali przemysłowej.
6. Przed środowiskiem naukowym i przemysłowym stoi jeszcze wiele wyzwań, których realizacja stwarza niepo-
wtarzalną szansę dla na powstanie efektywnej i bezpiecz- nej technologii XXI wieku służącej pozyskiwaniu energii z pokładów węgla.
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”.
Literatura
1. Baron R., Kabiesz J., Koteras A.: Wybrane aspekty ryzyka środowi- skowego związanego z procesem podziemnego zgazowania węgla [w]:
„Zagrożenia i technologie” pod red. J. Kabiesz, 2013.
2. Bhutto A. W., Bazmi A. A., Zahedi G.: Underground coal gasification:
From fundamentals to applications, Progress in Energy and Combustion Science 39, 2013, 1.
3. Breault R. W.: Gasification Processes Old and New: A Basic Review of the Major Technologies, Energies 2010, 3(2).
4. Chuantong L., Jiu H: Experimental Study on Running of Underground Coal Gasification Power Generation System [w]: materiały konferen- cyjne: International Conference on Coal Science and Technology, IEA Clean Coal Centre , Nottingham, 2007.
5. Creamer Media: Carbon Energy signs UCG deal in China, 8th May 2013, dostęp w dniu: 29.05.2014.
6. Dubiński J., Stańczyk K., Cybulski K., i inni: Podziemne zgazowanie węgla – doświadczenia światowe i eksperymenty prowadzone w KD Barbara. Polityka Energetyczna, tom 13, zeszyt 2, 2010.
7. Frejowski A, Myszkowski J.: Wybrane kryteria geologiczne determinu- jące zastosowanie dostępnych technologii górniczych dla podziemnego zgazowania węgla kamiennego, [w]: „Zagrożenia i technologie” red. J.
Kabiesz, Główny Instytut Górnictwa, 2012.
8. International Energy Agency: Medium-Term Coal Market Report 2013
˗ Executive Summary, OECD/IEA, 2013 dostępne w internecie, dostęp w dniu: 04.06.2014
9. Kreynin E.: International UCG Practices Overview: New Russian Method and Its Engineering Solutions, Joint-stock company “Gazprom Rys. 8. Zagrożenia dla poszczególnych elementów środowiska wynikające z procesu PZW [7]
Fig. 8. Threats to individual (respective) elements of the environment resulting from the UCG process [7]
promgaz”, Online: http://archive.zeuslibrary.com/ucg2011/presentation- s/02Kreynin_Gazprom_Presentation.pdf, dostęp w dniu: 20.05.2014.
10. Kapusta K., Stańczyk K.: Uwarunkowania i ograniczenia rozwoju pro- cesu podziemnego zgazowania węgla w Polsce. Przemysł Chemiczny 2009, 88/4
11. Karcz A., Ściążko M.: Energochemiczne przetwórstwo węgla do paliw ciekłych. Wiadomości Górnicze, nr 2, Katowice 2007.
12. Kiryukhina Y.: Australian company to launch innovative coal-to-gas project in Russia, Russia Beyond The Headlines: August 15, 2013 RBTH Asia Pacific, Online: dostęp w dniu 29.05.2014.
13. Neville A.: Underground Coal Gasification: Another Clean Coal Option, Electric Power, Business and Technology for the Global Generation Industry, 07/01/2011 JD, www.powermag.com, dostęp w dniu 20.05.2014.
14. Self S., Reddy B., Rosen M.:Review of underground coal gasification technologies and carbon capture, International Journal of Energy and Environmental Engineering, 2012.
15. Shafirovich E.. Varma A.: Underground Coal Gasification: A Brief Review of Current Status, Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 48 (17).
16. Stojcevski A., Harish Kumar RN, Devamanokar Lakshmanan Udayakumar, Maung Than Oo A.: Underground Coal Gasification: an alternate, Economical, and Viable Solution for future Sustainability, International Journal of Engineering Science Invention, Vol. 3, Issue 1, 2014 17. Strugała A., Czaplicka-Kolarz K., Ściążko M.: Projekty nowych techno-
logii zgazowania węgla powstające w ramach Programu Strategicznego NCBiR, „Polityka Energetyczna”, tom 14, zeszyt 2, s. 375˗390.
18. Van der Riet M.: Underground coal gasification., Eskom Research and Innovation Department, Online: http://www.ee.co.za, dostęp w dniu 24.05.2014.
19. Wikipedia za: Google book: Mond Gas. R.D. Wood & Co. Retrieved 14 Nov 2012.
20. http://www.ucgassociation.org
21. http://ergoexergy.com/about_us_ourb_projects_eskom.htm 22. http://en.wikipedia.org
*) AGH w Krakowie
UKD 622.332: 622.1: 550.8
Środowisko, technologia, ekonomia – czynniki określające
perspektywę zagospodarowania polskich złóż węgla
brunatnego z wykorzystaniem procesu zgazowania
Environment, technology, economics – the factors determining prospects
of the use of Polish lignite deposits in a gasification process
Treść: W artykule przedstawiono główne uwarunkowania technologiczno-złożowe i środowiskowe kwalifikacji złóż węgla brunatnego w Polsce przydatnych do podziemnego zgazowania. Uwarunkowania te określono przyjmując założenie, że ich spełnienie pozwoli na podziemne zgazowanie węgla, w wyniku którego uzyska siępalny gaz palny możliwy do dalszego wykorzystania w procesach energetycznych lub chemicznej syntezy. Określone uwarunkowania (kryteria) mają charakter kryteriów wstępnych, gdyż w dotychczasowej historii podziemnego zgazowania na świecie nie są znane udane próby podziemnego zgazowania tego typu węgli brunatnych.
Abstract: This paper presents the main technological, geological and environmental conditions of qualification of brown coal deposits in Poland which are suitable for underground gasification. The conditions were determined by assuming that the coals would meet them and can undergo the underground gasification process, resulting in the production of combustible gas suitable for further use in energy generation processes or chemical synthesis. The presented conditions (criteria) are only preliminary, as in the world’s history of underground gasification there were no successful attempts of gasification of this type of brown coal.
prof. dr hab. inż. Zbigniew Kasztelewicz*)
dr inż. Stanisław Hajdo*) dr inż. Krzysztof Polak*)
dr inż. Kazimierz Różkowski*) dr inż. Grzegorz Galiniak*)
Słowa kluczowe:
węgiel brunatny, podziemne zgazowanie węgla Key words:
brown coal, underground coal gasification
1. Wprowadzenie
Istotnym problemem strategicznym dla Polski jest za- pewnienie bezpieczeństwa energetycznego. Wśród rozpatry- wanych elementów tego zabezpieczenia centralne miejsce zajmuje wykorzystanie krajowych surowców energetycznych, głównie węgla brunatnego i węgla kamiennego. W Polsce ponad 90 % energii elektrycznej produkowane jest w oparciu o spalanie węgla. Przy czym sam węgiel brunatny (wydobycie blisko 60 mln Mg rocznie) dostarcza w kraju ponad 33 % relatywnie najtańszej energii elektrycznej. Polska jest jednym z krajów, które posiadają udokumentowane i wciąż nieza- gospodarowane duże bilansowe zasoby węgla brunatnego.
W naszym kraju rozpoznano ponad 150 złóż i obszarów wę- glonośnych, udokumentowano ponad 20 mld Mg zasobów w złożach pewnych, ponad 60 mld Mg w zasobach oszacowa- nych, a możliwości występowania paliwa w obszarach poten- cjalnie węglonośnych ocenia się na ponad 140 mld Mg. Jednak nie ma wątpliwości, że aby utrzymać obecny udział produkcji energii elektrycznej w bilansie energetycznym kraju z tego najtańszego źródła energii, należy wprowadzać tzw. czyste technologie węglowe. Już dzisiaj można to osiągnąć poprzez gruntowne modernizacje starych bloków energetycznych, czy też budując nowe bloki o sprawności netto dochodzącej do 45 % przy nadkrytycznych parametrach pary. Obiecującą technologią jest także produkcja energii elektrycznej w ukła- dach gazowo-parowych, zintegrowanych ze zgazowaniem węgla (IGCC). Naziemne zgazowanie węgla brunatnego w oparciu o technologię IGCC może być kierunkiem rozwoju energetyki wielkich mocy łączącym możliwość wykorzystania strategicznych zasobów, tj. węgla i gazu ziemnego konwen- cjonalnego lub niekonwencjonalnego. Niemniej istotnym oraz ważnym zagadnieniem jest odpowiedź na pytanie, czy w Polsce istnieje alternatywa dla dotychczasowego zagospo- darowania złóż węgla brunatnego w oparciu o technologię innowacyjną, za jaką w niektórych kręgach uważane jest podziemne zgazowanie węgla. Mała skala zastosowania tej technologii w świecie i brak własnych doświadczeń sprawia, że wiarygodna odpowiedź na to pytanie jest jeszcze odległa w czasie. Zastosowanie technologii podziemnego zgazowania możliwe jest tylko w określonych warunkach górniczo-geolo- gicznych i środowiskowych (kryteriach) zalegania zasobów węgla przeznaczonego do zgazowania. Skala zagospodaro- wania natomiast zależeć będzie od wielkości zasobów złóż nadających się do zgazowania, czyli spełniających te warunki.
Zależy ponadto od możliwości zastosowania i opanowania tej technologii w zakresie najlepszych dostępnych praktyk mogących zapewnić racjonalność ekonomiczną oraz akcep- towalność środowiskową i społeczną [6, 7, 8]
Dla każdej z wymienianych technologii konieczny jest dostęp do tego paliwa, jakim są złoża węgla brunatnego. Duże zasoby tej kopaliny umożliwiają określenie bardzo wielu wariantów ich wykorzystania w przyszłości, ale już dzisiaj należy dokładać wszelkich starań, aby móc w pełni wykorzy- stać ich potencjał. Chodzi tu głównie o zabezpieczenie złóż, które powinny być traktowane jako trwały zasób strategiczny kraju, objęty szczególną ochroną prawną.
W artykule prezentuje się najważniejsze uwarunkowania technologiczno-złożowe, środowiskowe oraz ekonomiczne kwalifikacji złóż węgla brunatnego do podziemnego zgazowania.
2. Istota i uwarunkowania metody podziemnego zgazo- wania węgla
Zgazowanie jest procesem chemicznym zmiany paliwa stałego lub ciekłego w palny gaz, który może być wykorzy-
stany do produkcji energii cieplnej lub elektrycznej albo sta- nowić surowiec do produktów chemicznych, takich jak wodór, metanol czy gaz syntetyczny. Na świecie istnieje ponad 160 dużych instalacji zgazowania, jednak są to powierzchniowe instalacje zgazowania węgla wydobywanego konwencjonal- nymi metodami. Produkują one równowartość około 50 tys.
MW syngazu [12]. Natomiast podziemne zagazowanie węgla polega na zmianie fazy stałej w mieszaninę gazów palnych bezpośrednio w złożu. Część warstwy węglowej, w której zachodzi proces zgazowania stanowi tzw. gazogenerator.
Połączenie z powierzchnią odbywa się za pomocą wyrobisk doprowadzających media zgazowujące (powietrze, tlen i/lub parę wodną) i odprowadzających powstałą mieszaninę gazów palnych na powierzchnię (otworów pionowych, otworów kie- runkowych, wyrobisk podziemnych pionowych i poziomych).
Istota metod geotechnologicznych polega na nieskom- plikowanym sposobie udostępniania złoża. Eksploatację prowadzi się najczęściej przy wykorzystaniu otworów wiertniczych, z czego wynika wiele udogodnień, ale także i problemów. W dotychczasowej, blisko stuletniej, praktyce podziemnego zgazowania węgla (PZW) na świecie, otwory były wiercone w różnych konfiguracjach rozmieszczenia i nachylenia. Eksploatacja pionowymi otworami ewoluowała od pojedynczych gazogeneratorów do rozmieszczenia otwo- rów zasilających i odbierających w regularnej siatce o module do 25 m. Rozwój techniki wiercenia otworów spowodował opracowanie i zastosowanie gazogeneratorów z kombinacją otworów pionowych inicjujących (lub odbierających) i kie- runkowych z podciąganiem rur zasilających i odbierających.
Daje to możliwość istotnego zwiększenia odległości między otworami, przez co eliminuje się ich usytuowanie w obszarze kumulacji naprężeń w osiadającym nadkładzie nad zgazowa- nym złożem, a tym samym ogranicza istotnie możliwość ich zniszczenia. Przemieszczanie się czynników zgazowujących węgiel, a później gazu w złożu, wykorzystuje naturalną gazo- przepuszczalność złoża węgla, która dodatkowo zwiększa się wskutek ubytku masy węgla oraz na skutek przepływu wód podziemnych przez strefę zgazowaną [6]. Często koniecz- ne jest wykonywanie specjalnych połączeń w złożu w celu uformowania kanału zgazowania. Szczegółowe rozwiązania techniczne przedstawiono w wielu pracach [5, 7, 13, 14]
Zarysowana istota procesu podziemnego zgazowania węgla jako technologii zagospodarowania złóż węgla dla produkcji gazu energetycznego, w odniesieniu do metod konwencjonalnych jego eksploatacji ma wiele zalet i wad, które zostały wypunktowane w wielu publikacjach. Jednakże właśnie wady technologii PZW będą głównymi czynnikami, które trzeba uwzględnić przy określeniu kryteriów techno- logicznych i złożowych dla weryfikacji krajowej bazy złóż węgla brunatnego, by zapewnić możliwość ich neutralizacji.
Wśród wad podziemnej gazyfikacji węgla wymienić należy m.in. [6]:
– brak pełnej kontroli procesu eksploatacji na poziomie podobnym, jak w przypadku metod konwencjonalnych bądź zgazowania prowadzonego na powierzchni;
– wpływ na środowisko naturalne (zanieczyszczenie warstw wodonośnych produktami spalania, osiadanie powierzchni terenu);
– działanie trujące i własności wybuchowe powstających substancji gazowych;
– ograniczone możliwości reakcji na powstające zagrożenie dla środowiska, wynikające z opóźnionej w czasie kontroli skutków środowiskowych eksploatacji;
– wahania stabilności procesu podziemnego zgazowania w czasie, powodujące problemy w utrzymaniu stałej ja- kości produktu końcowego.
W odniesieniu do metod konwencjonalnych podziemne zgazowanie posiada również i zalety [4]:
– mniejsze koszty i krótki czas udostępniania, co umożliwia eksploatację złóż pozabilansowych dla konwencjonalnych metod wydobycia;
– mniejszy zakres przekształceń powierzchni terenu (eks- ploatacja selektywna);
– brak konieczności wydobywania i składowania skał płon- nych w postaci odpadów na powierzchni terenu;
– brak konieczności transportu węgla na powierzchnię;
– brak powierzchniowych instalacji zgazowania;
– pozostawienie produktów spalania pod powierzchnią ziemi;
– redukcja emisji zanieczyszczeń do środowiska SOx, NOx, metali ciężkich i pyłów;
– możliwość składowania CO2 w pustkach poeksploatacyj- nych.
3. Ocena możliwości zastosowania zgazowania podziem- nego złóż węgla brunatnego w Polsce
W dotychczasowej ponad stuletniej historii doświadczeń podziemnego zgazowania węgla pracowało kilkadziesiąt instalacji testowych i pilotowych o czasie prowadzenia eksperymentów od kilkunastu dni do kilku lat [1, 3, 4, 6, 13, 14]. Tylko pojedyncze instalacje przemysłowe praco- wały w dłuższym czasie, tj. do kilkudziesięciu lat. Chociaż przeważająca większość prób dotyczyła zgazowania węgla kamiennego, to najbardziej optymistyczne rezultaty osiągnięto jednak przy zgazowaniu węgla brunatnego (Angren, Zagłębie Podmoskiewskie, Chinchila – Australia) [7, 8] Zestawienie najistotniejszych realizacji podziemnego zgazowania węgla brunatnego i jego niektórych parametrów jakościowych przedstawiono w tablicy 1.
Przez określenie „węgiel brunatny”, które w Polsce jest określeniem tradycyjnym i potocznym, należy rozumieć w pojęciu klasyfikacji międzynarodowej (UN-ECE) orto-li- gnity, meta-lignity i węgiel subbitumiczny, czy też wg DIN węgiel brunatny miękki, matowy i błyszczący, których wartość energetyczna zawarta jest w przedziale 6,7 MJ/kg ÷25MJ/kg [15]. Złoża, na których prowadzono udane próby PZ odpowia- dały zazwyczaj węglom brunatnym matowym opisywanym w klasyfikacji DIN, a w klasyfikacji UN-ECE, meta-lignitom.
Natomiast krajowe węgle brunatne, wg klasyfikacji DIN, zaliczane są przeważnie do węgli miękkich odpowiadających w skali UN-ECE orto-lignitom. Z przeprowadzonych stu- diów literaturowych wynika, że w dotychczasowej praktyce podziemnego zgazowania nie prowadzono udanych ekspery- mentów czy prób przemysłowych podziemnego zgazowania o większej skali, na złożach o wartości energetycznej odpo-
wiadającej polskim złożom węgla brunatnego. W prowadzo- nych próbach zgazowania na złożu Sinelnikowski wartość opałowa węgla wynosiła tylko 8,0 MJ/kg. Niestety brak jest szczegółowych danych dotyczących uzysku gazu, a nawet informacji czy eksperyment w ogóle się powiódł. Natomiast w literaturze rosyjskojęzycznej niepublikowanej, formuło- wane były oceny, że proces podziemnego zgazowania na złożach o cieple spalania poniżej 10 MG/kg zachodzi trud- no. Fakt ten wskazuje, że mimo podatności na zgazowanie naszych węgli brunatnych, ograniczone możliwości kontroli i przebiegu zgazowania pod ziemią mogą być główną barierą aplikacji tej metody dla ich zagospodarowania. Wyniki analizy dotychczas zrealizowanych eksperymentów podziemnego zgazowania węgla brunatnego wskazują, że w pełni udane próby zgazowania prowadzono dotychczas:
– na złożach zalegających na głębokościach do max. 250 m, – na złożach o stosunkowo niedużej miąższości, w zakre- sie od 0,5 do 24 m, eksploatacja pokładów o miąższości poniżej 1 m stwarzała problemy techniczne,
Ponadto w udanych eksperymentach:
– minimalna wartości opałowa węgla wynosiła 11,8 MJ/kg.
– najbardziej korzystne rezultaty eksperymentów uzyski- wano dla meta-lignitów i węgli podbitumicznych, tzn.
o wartości opałowej powyżej 15 MJ/kg, a także węgli bitumicznych o wartości opałowej dochodzącej do 25 MJ/
– zgazowywane węgle charakteryzowały się ponadto wil-kg.
gotnością, zawartością popiołu i zawartością substancji lotnych zazwyczaj poniżej 35 %.
Na podstawie wyników z większości prowadzonych na świecie projektów podziemnego zgazowania węgla sformu- łowano kryteria technologiczno-złożowe i środowiskowe określające warunki prowadzenia podziemnego zgazowa- nia węgla, czyli także stanowiące kryteria dla kwalifikacji złóż dla tego sposobu zagospodarowania. Nie są to kryteria zgeneralizowane, lecz tylko uwzględniające specyfikę złóż w rejonie podziemnej gazyfikacji i miejscowe uwarunko- wania środowiskowe charakterystyczne dla regionu świata, w którym eksperymenty były prowadzone [16]. Wobec braku dotychczas jednoznacznego potwierdzenia praktycznej możli- wości zgazowania podziemnego węgli brunatnych miękkich, odpowiadających występującym w Polsce typom, najważniej- szym powinno być przygotowanie programów badawczych i eksperymentów podziemnego zgazowania na wytypowanych złożach węgla brunatnego.
Skuteczne, stabilne i bezpieczne sterowanie procesem podziemnego zgazowania oraz minimalizacja wystąpienia zakłóceń i ich negatywnego oddziaływania na środowisko wymaga szczegółowej znajomości budowy geologicznej złoża i równie szczegółowego rozpoznania warunków hy- drogeologicznych w jego otoczeniu. Należy tu podkreślić, Tablica 1. Parametry jakościowe węgla w eksperymentach podziemnego zgazowania [6]
Table 1. Quality parameters of coal during the experiments of underground gasification [6]
Lokalizacja/Nazwa Rodzaj węgla UN-
ECE Wilgotność węgla
%
Zawartość popiołu
%
Substancje lotne
%
Wartość energetyczna
węgla MJ/kg
Jóźno-Abińsk Subbitumiczny 2,5 ÷ 8,0 2,3 ÷ 5,2 27,0 ÷ 32,0 21,0 ÷ 25,0
Lisiczańsk Subbitumiczny 12,0 ÷ 15,0 7,0 ÷ 17,0 39,0 ÷ 40,0 20,0 ÷ 23,0
Chinchila Subbitumiczny 10,0 19,3 40,0 23,0
Taszkient (Angren) Meta-lignite 35,0 12,2 33,0 15,1
Tula, Podmoskownaja 1 Orto-lignite 30,0 34,3 44,5 11,8
Szatsk,
Szatskaja 1 Orto-lignite 30,0 26,0 38,1 11,1
Sinelnikowsk Orto-lignite 55,0 23,8 65,5 8,0
