Proekologiczne wykorzystanie metanu z kopalń węgla

Transkrypt

1 Proekologiczne wykorzystanie metanu z kopalń węgla prof. dr hab. inż. Stanisław Nawrat mgr inż. Sebastian Napieraj Kraków, PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY ZE ŚRODKÓW UNII EUROPEJSKIEJ

2 1. Wprowadzenie Metanowość bezwzględna polskich kopalń węgla kamiennego jest bardzo wysoka i w 2009r. wynosiła 855,71 mln m 3 CH 4 /rok przy czym podziemne odmetanowanie ujmowało ok. 259,8 mln m 3 CH 4 /rok, a z powietrzem wentylacyjnym z kopalń było odprowadzane do atmosfery 595, 91 mln m 3 CH 4 /rok. 2

3 1. Wprowadzenie Wykorzystanie metanu z pokładów węgla jest bardzo ważne z przyczyn: gospodarczych, co znalazło odzwierciedlenie w Prawie Geologiczno- Górniczym zaliczającym metan pokładów węgla (MPW) do kopalin podstawowych, ekologicznych, gdyż emisja między innymi metanu do atmosfery przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego. 3

4 1. Wprowadzenie W kopalniach metan z pokładów węgla w czasie procesu urabiania węgla wydziela się do powietrza w kopalni i ulega rozrzedzeniu tworząc w szybach wentylacyjnych w wyniku regulacji strumienia powietrza, mieszaniny metanowo powietrzne (MWENT) zwierające od 0,0 do 0,75% metanu na wylotach z szybów wentylacyjnych (0,75% - maksymalna dopuszczalna zawartość metanu w szybach wentylacyjnych określona w polskich górniczych przepisach bezpieczeństwa). 4

5 Metan Pokładów Węgla CBM 1. Wprowadzenie Metan z Odmetanowania CBD Metan w powietrzu wentylacyjnym VAM Metan Resztkowy w węglu Metan w otamowanych wyrobiskach Gaz o zawartości metanu % Gaz o zawartości metanu 0-0,75% Gaz o zawartości metanu 0-100% Gaz o zawartości metanu 0-100% Dodawanie CBD do gazu ziemnego Spalanie kotły węglowe Spalanie z węglem Gaz do wykorzystania po pozyskaniu przez odmetanowanie Spalanie w kotłach węglowych z palnikami gazowymi Spalanie cieplny przepływowy rewersyjny reaktor TFRR W czasie transportu i magazynowania emisja z węgla do atmosfery Spalanie w kotłach z palnikami gazowymi Spalanie cieplny przepływowy rewersyjny reaktor CFRR Spalanie w silnikach gazowych Turbina gazowa CGT Spalanie w turbinach gazowych Mikroturbina Gaz po oczyszczeniu spalany w instalacjach komunalnych Turbina spalanie węgla + VAM Wykorzystanie w innych zakładach 5

6 2. Zasoby metanu pokładów węgla w Polsce Wyszczególnienie Zasoby wydobywalne bilansowe pozabilansowe Zasoby przemysłowe Emisja z wentylacją Wydobycie Złoża udokumentowane ogółem (48 złóż)* w tym złoża w obszarach eksploatowanych (29 złóż) w tym złoża w pokładach poza zasięgiem eksploatacji (19 złóż) , , ,37 169,78 272, , , ,83 169,78 272, , , ,54-0,01 6

7 3. Metanowość polskich kopalń węgla kamiennego W polskich kopalniach węgla kamiennego od wielu lat następuje stopniowy rozwój odmetanowania podziemnego i gospodarczego wykorzystania ujętego metanu w instalacjach energetycznociepłowniczych. Natomiast dużym problemem, nie tylko polskim, ale i światowym, jest utylizacja i gospodarcze wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego (MWENT) kopalń. 7

8 3. Metanowość polskich kopalń węgla kamiennego , ,9 719, ,1 560,5 560,8 553,6 555,9 578,3 559,7 528, ,7 557,0 571,1 575,0 595,8 580,8 610,1 606,7 595, mln m , ,4 286,2 284,6 263,3 252,1 235,2 212,8 201,2 197,5 192,5 205,3 203,6 216,1 222,9 219,3 208,0 227,1 250,9 255,3 289,5 268,8 274, , rok Ujęcie metanu odmetanowaniem Odprowadzenie metanu z powietrzem

9 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 3. Metanowość polskich kopalń węgla kamiennego 9 Wskaźnik ujęcia metanu, % ,0 0,0 Rok Wskaźnik ujęcia metanu

10 4. Metan w powietrzu wentylacyjnym zawartości metanu w szybach wentylacyjnych wahają się od 0,0% do 0,5% i mieszaniny takie o bardzo niskiej zawartości metanu są mało przydatne do energetycznego wykorzystania. W Jastrzębskiej Spółce Węglowej S.A., która prowadzi eksploatację węgla w pokładach o wysokiej metanonośności dochodzącej do 20 m 3 /Mg c.s.w. w wyniku stosowania intensywnej wentylacji w szybach wydechowych zawartości metanu w powietrzu wahają się od 0,1 0,6%. 10

11 4. Metan w powietrzu wentylacyjnym 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Szyb III Szyb IV Szyb V Zawartości metanu w szybie III, IV i V KWK Pniówek 11

12 5. Metody wykorzystania metanu z odmetanowania kopalń w Polsce Metan ujęty w procesie odmetanowania oraz wentylacji kopalń węgla kamiennego może być wykorzystywany gospodarczo jako paliwo gazowe: bezpośrednio w wyniku kontrolowanego wtłaczania do sieci gazu ziemnego, bezpośrednio w palnikach gazowych, kotłach gazowych, silnikach gazowych, turbinach gazowych, pośrednio po wcześniejszym wzbogaceniu sprzedawany do sieci gazowniczych należących do lokalnych przedsiębiorców lub PGNiG. 12

13 5. Metody wykorzystania metanu z odmetanowania kopalń w Polsce Sposoby zagospodarowania gazu z odmetanowania pokładów węgla w energetyce można podzielić na: wytwarzanie ciepła na potrzeby grzewcze i technologiczne przez spalanie gazu w kotłach czy instalacjach technologicznych (np. suszarniach), skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i gorącej wody, 13

14 5. Metody wykorzystania metanu z odmetanowania kopalń w Polsce skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i pary technologicznej, skojarzone wytwarzanie energii elektryczne i czynnika na potrzeby procesów suszarniczych, skojarzone wytwarzanie ciepła, zimna i energii elektrycznej, wytwarzanie energii elektrycznej w układach kombinowanych. 14

15 5. Metody wykorzystania metanu z odmetanowania kopalń w Polsce Lp Kopalnia Ujęcie Straty Wykorzystanie [mln m3/rok] [mln m3/rok] [mln m3/rok] [%] Efektywność wykorzystania 1 Brzeszcze-Silesia 37,4 0,1 37,3 99,8 2 Zofiówka 15,4 0,8 14,6 94,8 3 Pniówek 44,6 5,2 39,4 88,3 4 Jas-Mos 9,6 1,4 8,2 85,4 5 Jankowice 7,8 0,6 7,2 92,3 6 Budryk SA 15,1 4,9 10,2 67,5 7 Halemba-Wirek 7,5 3,3 4,2 56,2 8 Mysłowice-Wesoła 10,2 4,3 5,9 57,8 9 Marcel 3,8 2,1 1,7 44,7 10 Borynia 4,0 1,5 2,5 62,5 11 Krupiński 44,1 24,0 20,1 45,6 12 Staszic 4,6 2,9 1,7 37,0 13 Bielszowice 5,8 3,6 2,2 37,9 14 Sośnica-Makoszowy 15,2 13,0 2,2 14,5 15 Szczygłowice 13,3 11,2 20,1 15,8 16 Wójek-Śląsk 5,2 5,2 0,0 0,0 17 Rydułtowy-Anna 8,0 8,0 0,0 0,0 18 Chwałowice 3,8 3,8 0,0 0,0 19 Knurów 4,4 4,4 0,0 0,0 Razem: 259,8 100,3 159,5 61,4 15

16 5.1.Skojarzony układ energetyczny w KWK Krupiński W 1997r w kopalni Krupiński należącej do Jastrzębskiej Spółki Węglowej został zabudowany został gazowy typu TBG 632 V 16 firmy Deutz połączony z generatorem prądu firmy Van Kaick 16

17 5.1.Skojarzony układ energetyczny w KWK Krupiński 17

18 5.1.Skojarzony układ energetyczny w KWK Krupiński 18

19 5.1.Skojarzony układ energetyczny w KWK Krupiński Dane techniczne silnika gazowego przedstawiają się następująco: paliwo gaz o wydatku 14 m3/min z odmetanowania kopalni Krupiński o stężeniu metanu %, moc elektryczna 3,0 MW, moc cieplna 3,2 MW, W 2005 roku zabudowano drugi silnik tłokowy TCG 2032 V16 firmy Deutz połączony z kolejnym agregatem prądotwórczym. Dane techniczne są następujące: 19

20 5.1.Skojarzony układ energetyczny w KWK Krupiński paliwo gaz o wydatku 17 m3/min z odmetanowania kopalni Krupiński o stężeniu metanu %,moc elektryczna 3,9 MW, moc cieplna 4,2 MW, Energia elektryczna i ciepło wytworzone w trakcie pracy silników gazowych wykorzystywane jest przede wszystkim w: układzie elektro - energetycznym kopalni, sieci ciepłowniczej kopalni. 20

21 5.2. Skojarzony układ energetyczny w KWK Pniówek Dane techniczne skojarzonego układu energetycznochłodniczego w kopalni Pniówek są następujące: dwa silniki gazowe typu TBG 632 V 16 firmy Deutz, paliwo gaz z odmetanowania kopalni Pniówek o wydatku ok. 50 m3/min i o stężeniu metanu %, moc elektryczna 6,4 MW, moc cieplna 7,4 MW. dwie chłodziarki absorpcyjne moc chłodnicza 4660 kw, dwie chłodziarki sprężarkowe moc chłodnicza 1140 kw, moc chłodnicza 5 MW. 21

22 5.2. Skojarzony układ energetyczny w KWK Pniówek UKŁAD ENERGETYCZNO-CHŁODNICZY Metan z kopalni 50 m 3 /min K0MIN Energia elektryczna Ciepło ze spalin 100 C 125 C Chłodnia wentylatorowa 6,3 kv SILNIKI GAZOWE GENERATORY 2 x 3,2 MW el Ciepło z chłodzenia silnika 85 C 70 C POWIERZCHNIA CHŁODZIARKI ABSORPCYJNE 4,7 MWt 4,5 C CHŁODZIARKI SPRĘŻARKOWE 1,2 MWt 300 m 3 /h 1,5 C DÓŁ 300 m 3 /h 18 C schłodzone powietrze CHŁODNICE POWIETRZA 3 C 5 MW ch PODAJNIK SIEMAG Poz. 853m 22

23 5.2. Skojarzony układ energetyczny w KWK Pniówek 23

24 5.2. Skojarzony układ energetyczny w KWK Pniówek 24

25 5.2. Skojarzony układ energetyczny w KWK Pniówek Spółka Energetyczna Jastrzębie w KWK Pniówek" eksploatuje w skojarzonym układzie energetycznym także silnik spalinowy TCG 2032 V16 firmy MWM DEUTZ o mocy elektrycznej 3,9 MW i cieplnej 4,2 MW. 25

26 5.3. Skojarzony układ energetyczny w KWK Budryk Trzy tłokowe silniki gazowe Deutz TBG 620V 20K wraz z generatorami prądu AVK DIG 130 o mocy kw zostały zabudowane w KWK Budryk przez firmę ZPC Żory. Dane techniczne zespołu są następujące: paliwo gaz o wydatku 21 m3/min z odmetanowania kopalni Budryk o stężeniu metanu %, moc elektryczna 4,998 MW, moc cieplna 5,271 MW. 26

27 5.3. Skojarzony układ energetyczny w KWK Budryk Energia elektryczna i cieplna wytworzona w trakcie pracy silników gazowych wykorzystana jest przede wszystkim w: układzie elektro-energetycznym kopalni, sieci ciepłowniczej kopalni. zewnętrznej sieci ciepłowniczej. 27

28 5.4. Skojarzony układ energetyczny w KWK Borynia Spółka Energetyczna Jastrzębie w KWK Borynia" eksploatuje jeden silnik spalinowy firmy GE Jenbacher o mocy elektrycznej 1,819 MW i cieplnej 1,860 MW. 28

29 5.5. Skojarzony układ energetyczny w KWK Halemba-Wirek i KWK Bielszowice KWK Halemba" i KWK Bielszowice" wykorzystują gaz ujmowany odmetanowaniem częściowo w silniku spalinowym firmy GE Jenbacher typu JMS 312GS-B.LC o mocy na wyjściu 543kW i odzyskiwanego ciepła 703kW, oraz częściowo w kotłowniach na potrzeby własne. 29

30 5.6. Wykorzystanie metanu z KWK Brzeszcze Silesia W KWK Brzeszcze ujmowany odmetanowaniem gaz sprzedaje prawie w całości do Zakładów Chemicznych Synthos S.A. Pozostałą niewielką część wykorzystuje do produkcji ciepła za pomocą kotłów wodnych WR-10 i WR-25 z palnikami gazowymi. KWK Silesia sprzedaje część ujmowanego gazu za pośrednictwem spółki Metanel S.A. do Rafinerii Czechowice-Dziedzice, a pozostałą cześć wypuszcza do atmosfery. 30

31 5.7. Wykorzystanie metanu z KWK Sośnica Makoszowy Kompania Węglowa S.A. uruchomiła w 2009r. w KWK Sośnica Makoszowy instalację energetyczną kogeneracyjną Tedom Quanto D 2000 SP (o sprawności całkowitej 84,5 proc.) o mocy elektrycznej 1,95 MW i mocy cieplnej 1,94 MW wykorzystującą gaz z odmetanowania kopalni. 31

32 5.8. Wykorzystanie metanu z KWK Szczygłowice Kompania Węglowa S.A. uruchomiła w 2009r. w KWK Szczyglowice instalację energetyczną kogeneracyjną Tedom Quanto D 2000 SP (o sprawności całkowitej 84,5 proc.) o mocy elektrycznej 1,95 MW i mocy cieplnej 1,94 MW wykorzystującą gaz z odmetanowania kopalni. 32

33 5.9. Wykorzystanie metanu z zlikwidowanej kopalni węgla kamiennego Przykładem wykorzystania zasobów metanu ze zlikwidowanej kopalniach węgla kamiennego jest rozpoczęte w 2004 roku wydobycie metanu ze zrobów zlikwidowanej kopalni węgla kamiennego Morcinek w Kaczycach przez firmę Karbonia PL Sp. z o.o. Z otworu wiertniczego Kaczyce 1/01 metan jest transportowany do Republiki Czeskiej gazociągiem o średnicy 225mm bezpośrednio do sieci odbiorcy czeskiego OKD, DPB, a.s. 33

34 5.9. Wykorzystanie metanu z zlikwidowanej kopalni węgla kamiennego Podjęto także działania w zakresie odwiercenia otworów dla eksploatacji metanu z zlikwidowane kopalni węgla kamiennego Anna Południe ( POLTEXMETAN sp. z o.o.) i kopalni Żory (Cetus sp. z o.o) 34

35 6.Oczyszczanie i wzbogacanie mieszaniny metanowo powietrznej (PSA) W celu stworzenia dalszych możliwości wykorzystania gospodarczego metanu z pokładów węgla została opracowana przez Akademię Górniczo - Hutniczą w Krakowie i Instytut Ciężkiej Syntezy Organicznej w Kędzierzynie instalacja i technologia wydzielania metanu z mieszaniny metanowo-powietrznej uzyskiwanej w procesie odmetanowania pokładów węgla kamiennego 35

36 6.Oczyszczanie i wzbogacanie mieszaniny metanowo powietrznej (PSA) Schemat instalacji wydzielania metanu z mieszaniny metanowo powietrznej 36

37 7. Skraplanie gazu z odmetanowania W KWK Krupiński podejmowane są działania w zakresie budowy instalacji do skraplania metanu z odmetanowania przez firmę LNG Silesia Sp. z o.o. 37

38 8. Technologie wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego Dla warunków występujących w polskich kopalniach wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego jest możliwe jedynie poprzez dodawanie metanu pozyskanego w kopalni w procesie odmetanowania do powietrza wentylacyjnego kierowanego do instalacji spalają metan w reaktorach. 38

39 8. Technologie wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego 39

40 8. Technologie wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego Podstawowymi urządzeniami instalacji umożliwiającej utylizację metanu z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń węgla kamiennego są: urządzenia do pobierania gazów MWENT (powietrze i metan) z szybu wentylacyjnego kopalni, urządzenia do transportu MWENT do reaktorów spalających metan, 40

41 8. Technologie wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego reaktorów spalających metan z MWENT i wytwarzających spaliny zawierające głównie dwutlenek węgla oraz energię cieplną, wymienników ciepła gaz woda, umożliwiających wykorzystanie energii cieplnej dla celów energetycznych np. ogrzewanie lub produkcja energii elektrycznej, kominów odprowadzających spaliny do atmosfery. 41

42 9. Perspektywy gospodarczego wykorzystania i ograniczenia emisji metanu pokładów węgla do atmosfery Problem utylizacji metanu z pokładów węgla kopalń podziemnych, jako paliwa gazowego niskometanowego powinien być pilnie rozwiązany nie tylko z przyczyn negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne człowieka, ale także ze względów na dużą efektywność ekonomiczną. W Polsce dalszy postęp w zakresie utylizacji metanu z pokładów węgla kopalń i ograniczenia emisji metanu do atmosfery jest możliwy do osiągnięcia pod warunkiem rozwiązania następujących problemów: 42

43 9. Perspektywy gospodarczego wykorzystania i ograniczenia emisji metanu pokładów węgla do atmosfery intensyfikacji stosowania odmetanowania pokładów węgla w podziemnych kopalniach węgla kamiennego, zwiększenia inwestycji w zakresie pełnego gospodarczego wykorzystania metanu, jako paliwa niskometanowego w instalacjach ciepłowniczo energetycznych, 43

44 9. Perspektywy gospodarczego wykorzystania i ograniczenia emisji metanu pokładów węgla do atmosfery retencyjnego magazynowania metanu z odmetanowania w podziemnych i powierzchniowych zbiornikach gazu w celu zapewnienia stabilnego ilościowo jakościowo paliwa niskometanowego dla instalacji ciepłowniczo energetycznych, utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń, stosowania technologii oczyszczania z powietrza gazów ujmowanych przez odmetanowanie w celu zwiększenia zawartości metanu w paliwie, 44

45 9. Perspektywy gospodarczego wykorzystania i ograniczenia emisji metanu pokładów węgla do atmosfery handlu emisjami gazu niskometanowego ujmowanego w procesie odmetanowania i odprowadzanego z powietrzem w procesach przewietrzania kopalń węgla kamiennego, prawnego uznania metanu, jako paliwa jak ze źródeł odnawialnych podobnie, jak uczyniły to inne państwa. 45

46 9. Perspektywy gospodarczego wykorzystania i ograniczenia emisji metanu pokładów węgla do atmosfery Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie w konsorcjum z Politechniką Wrocławską w Wrocławiu i Uniwersytetem Marii-Curie Skłodowskiej w Lublinie prowadzą prace badawcze w dotyczące opracowania urządzenia wykorzystującego katalityczne spalanie metanu z powietrza wentylacyjnego z kopalń węgla kamiennego. PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY ZE ŚRODKÓW UNII EUROPEJSKIEJ 46

47 Dziękuję za uwagę 47