Pilotowa instalacja podziemnego zgazowania węgla

Transkrypt

1 1. Wprowadzenie Pilotowa instalacja podziemnego zgazowania węgla Proces podziemnego zgazowania węgla (PZW) polega na przeprowadzeniu kontrolowanych reakcji pomiędzy węglem pierwiastkowym znajdującym się w pokładzie oraz doprowadzonym z powierzchni czynnikiem zgazowującym. W zależności od czynnika, który stanowi powietrze, tlen, para wodna lub ich mieszanina można uzyskać gaz, którego główne składniki stanowią wodór, tlenek węgla, metan oraz inerty - azot i dwutlenek węgla, o wartości opałowej do MJ/m 3 (przy zastosowaniu powietrza), MJ/m 3 (przy zastosowaniu tlenu).uzyskany gaz, w zależności od składu po oczyszczeniu znajduje zastosowanie dla wytwarzania energii lub jako surowiec chemiczny do produkcji metanolu czy paliw płynnych metodą Fischer- Tropscha. Cykl życia instalacji PZW składa się z trzech etapów: 1. budowy generatora w pokładzie węgla, która polega na wykonaniu otworów (kanałów), którymi doprowadza się czynniki zgazowujące i odbiera produkt gazowy, 2. eksploatacji generatora, którego pierwszym elementem jest zapalenie węgla w określonym miejscu sieci kanałów. Prowadzenie procesu polega na kontrolowanym podawaniu czynników zgazowujących i odbiorze wytworzonego gazu, 3. wygaszania generatora polega na zaprzestaniu podawania czynnika zgazowującego, inertyzacji gazem niepalnym (np. azot), chłodzenie (np. wodą) i ewentualnym wypełnieniu powstałej pustki. W wyniku wieloletnich badań i prób prowadzonych w warunkach rzeczywistych w różnych skalach od PDU do komercyjnej i w różnych krajach (kraje byłego ZSRR, Chiny, Australia, Belgia, Hiszpania, RPA, Kanada) powstały dwie odmiany technologii PZW, różniące się sposobem udostępniania złoża węgla do zgazowania: 1. Metoda otworowa, polegająca na wierceniu pionowych otworów z powierzchni ziemi, które następnie łączy się w pokładzie metodą przepalania, metodą z zastosowaniem wody lub powietrza pod wysokim ciśnieniem, metodą elektrokarbonizacji. Obecnie preferowane jest zastosowanie techniki wiercenia otworów kierunkowych, znanej w przemyśle wydobycia ropy i gazu (Rys. 1). Metoda otworowa stosowana jest przede wszystkim dla pokładów zalegających na dużych głębokościach i które dotychczas nie były eksploatowane.

2 Rysunek 1. Zgazowanie metodą bezszybową 2. Metoda szybowa polegająca na udostępnianiu pokładu otworami wierconymi z istniejących lub specjalnie wykonanych wyrobisk metodami górniczymi. Metoda ma zastosowanie przede wszystkim w pokładach położonych na mniejszej głębokości i dla wykorzystania partii węgla pozostałych po eksploatacji górniczej. Ze względu na uwarunkowania, prace nad rozwiązaniem tego rodzaju prowadzone są w Chinach i na Ukrainie. Na rys. 2 przedstawiono schemat obrazujący zasadę metody szybowej według jednej z koncepcji, tak zwanej metody ślepych otworów Chodnik czynnika zgazowującego 4 Chodnik odprowadzenia gazu 2 Otwory zasilające 5 Główny chodnik udostępniający 3 Otwory ogniowe 6 Georeaktor Rysunek 2. Zgazowanie metodą szybową Polska, ale również inne kraje europejskie posiadają złoża węgla kamiennego, w których zakończono już eksploatację w obszarach górniczych oraz takie, w których 2

3 w dalszym ciągu prowadzone jest wydobycie. Istnieją pewne partie złoża, które ze względów technicznych i ekonomicznych nie nadają się do eksploatacji metodami górniczymi. Na przykład pokłady cienkie, pozostałości w filarach ochronnych, których eksploatacja tradycyjnymi metodami jest nieopłacalna lub niemożliwa, stanowią zasoby do ewentualnego wykorzystania metodą szybową. Z tych względów Polska winna być zatem szczególnie zainteresowane wszelkimi nowoczesnymi technologiami, które w istniejących warunkach gospodarczych, pozwalałaby na bezpieczne i ekonomiczne wykorzystanie takich zasobów. 2. Cel i zakres badań Krajowe zasoby węgla kamiennego skoncentrowane są w GZW i charakteryzują się znacznym stopniem wyeksploatowania w wyniku wieloletniej działalności przemysłu wydobywczego. W celu zwiększenia stopnia wykorzystania zasobów w tym rejonie, Zadanie Badawcze Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej w części poświęconej PZW koncentruje się na opracowaniu technologii przydatnej do zastosowania dla pokładów lub ich części znajdujących się na terenach prowadzonej eksploatacji lub pozostałych po eksploatacji metoda górniczą. Należy zaznaczyć, że Główny Instytut Górnictwa, który jest jednostką wiodącą w tej części prac prowadzonych w projekcie, posiada doświadczenia w zakresie badań technologii PZW z udostępnieniem pokładów z wyrobisk górniczych. W latach 50-tych ubiegłego stulecia przeprowadzono szereg prób zgazowania węgla w skali kilkadziesiąt kg/godz w kopalni Mars w Sosnowcu. W 2010 r. w ramach projektu HUGE (Hydrogen Oriented Underground Coal Gasification for Europe) przeprowadzono wielodobową próbę zgazowania węgla w skali ok. 60 kg/ godz w KD Barbara GIG w Mikołowie. Wyniki tych doświadczeń, w tym obserwacje dotyczące sposobu prowadzenia i zakończenia zgazowania w sposób bezpieczny oraz zasad monitoringu przebiegu procesu zostały wykorzystane przy opracowaniu koncepcji, projektu i w budowie instalacji pilotowej zlokalizowanej w KWK Wieczorek. Zgodnie z założeniami Zadania badawczego Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej przeprowadzenie próby podziemnego zgazowania w warunkach rzeczywistych w skali pilotowej ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia zakładanych rezultatów projektu. Celem próby jest: 1. Sprawdzenie możliwości przeprowadzenia procesu podziemnego zgazowania węgla w warunkach czynnej kopalni 2. Uzyskanie danych dla opracowania projektu technologicznego i wstępnego studium wykonalności instalacji demonstracyjnej PZW 3. Uzyskanie danych dla przeprowadzenia wieloparametrowej oceny eko-efektywności opracowanej technologii Projekt techniczny instalacji oraz założenia technologiczne eksperymentu są opracowywane w oparciu o wyniki badań modelowych oraz prób przeprowadzonych w reaktorze doświadczalnym ex-stu na stanowisku zlokalizowanym w KD Barbara.. Zakres prac związanych z instalacją pilotową, obejmuje wszystkie trzy wspomniane we wprowadzeniu etapy cyklu życia. W szczególności: opracowanie procedur lokalizacji georeaktora w tym zagadnień prawnych i bezpieczeństwa; 3

4 opracowanie dokumentacji niezbędnych dla budowy i eksploatacji georeaktora; wykonanie robót chodnikowych udostępniających rejon wybrany dla wykonania georeaktora; wykonanie niezbędnych instalacji podziemnych, w tym mediów zgazowujących, odbioru produktów, bezpieczeństwa (azotowej, podsadzki, wody) i monitoringu; przeprowadzenie analizy ryzyka przedsięwzięcia; nadzór nad przebiegiem próby; zapewnienie bezpiecznych warunków zakończenia eksperymentu i likwidację poligonu doświadczalnego. Eksperyment przewiduje przeprowadzenie jednej próby zgazowania wyznaczonej partii węgla w pokładzie 501 o miąższości 5 m w KWK Wieczorek należącej do Katowickiego Holdingu Węglowego S. A., przy zastosowaniu powietrza wzbogaconego w tlen, której zasadnicza część od zapalenia złoża do zaprzestania podawania czynników zgazowujących będzie trwała maksymalnie 3 miesiące. 3. Schemat instalacji i parametry procesowe Na rys. 3 przedstawiono Schemat koncepcję ideowy instalacji pilotowej pilotowej. PZW Legenda 1. Separator smoły 2. Zbiornik smoły 3. Zbiornik ścieków 4. Chłodnica 5. Georeaktor 6. Układ posadzki 7. Zbiornik wody 8. Zbiornik i parownica azotu 9. Zbiornik i parownica tlenu 10. Sprężarka powietrza 11. Separator wody 12. Wentylator (sprężarka wodokrężna, sprężarka Roots'a) 13. Komora spalania z palnikiem 14. Pompa wody obiegowej Rysunek 3. Schemat ideowy instalacji pilotowej PZW 5 Dostarczenie czynników zgazowujących oraz odbiór produktów reakcji ze strefy zgazowania w pokładzie realizowany będzie dwoma otworami nawierconymi w kształcie litery V po skosie z wyrobiska wykonanego ok. 2-2,5 m nad pokładem. Rurociąg produktów w początkowej części chłodzony będzie przeponowo wodą, którą zostanie wypełniona część wyrobiska po jego wcześniejszym uszczelnieniu metodą torkretowania. Czynniki zgazowujące dostarczane będą z powierzchni systemem rurociągów w szybie i wyrobiskach: powietrze z kompresora powietrza tlen ze zbiornika ciekłego tlenu z parownicą Ze względów bezpieczeństwa, w rejon zgazowania doprowadzone będą również rurociągi podsadzki i azotu. Wstępne wydzielenie substancji smolistych odbywać się będzie w separatorach umieszczonym w podziemnych wyrobiskach. Produkty gazowe o temperaturze do 400 C 4

5 transportowane będą izolowanym rurociągiem w szybie na powierzchnię, gdzie poddane zostaną kondensacji wody i oczyszczaniu. Oczyszczony gaz kierowany będzie do pochodni. Założone parametry procesowe instalacji pilotowej są następujące: 1. Prędkość zgazowania węgla 600 kg/godz. 2. Ilość zgazowanego węgla w okresie próby ok t 3. Prędkość podawania czynników zgazowujących: - w przypadku wyłącznie powietrza 1230 Nm 3 /h - w przypadku powietrza wzbogaconego w tlen do 60% Nm 3 powietrza Nm 3 tlenu technicznego 4. Ilość uzyskanego gazu ok Nm 3 /h 5. Średni skład gazu o wartości opałowej ok. 4,5 MJ/Nm 3 (±20%) azot 53% obj. dwutlenek węgla 16% obj. tlenek węgla 12% obj. metan 3% obj. wodór 15% obj. tlen 1% obj. Program badań obejmuje przeprowadzenie eksperymentu trwającego około 3 miesiące w celu potwierdzenia przyjętych założeń techniczno-technologicznych procesu. Planuje się bogate wyposażenie instalacji oraz rejonu kopalni w otoczeniu georeaktora w aparaturę kontrolno-pomiarową w celu uzyskania danych dla określenia wskaźników technologicznych (bilans materiałowy, bilans energetyczny) jak również, a może przede wszystkim dla oszacowania wielkości i zasięgu możliwych zagrożeń dla ludzi i środowiska wynikających ze specyfiki procesu. Wyniki prac prowadzonych we wszystkich fazach badań instalacji pilotowej (budowa, eksploatacja, zatrzymanie, likwidacja) stanowić będą najważniejsze źródło danych dla projektu technologicznego instalacji demonstracyjnej. 4.Wpływ uwarunkowań górniczo-geologicznych oraz wentylacyjnych na projektowaną lokalizację georeaktora oraz bezpieczeństwo procesowe podziemnego zgazowania węgla w kopalni Zaprojektowanie technologii podziemnego zgazowania węgla w czynnej kopalni węgla kamiennego wymaga opracowania rozwiązań ukierunkowanych na taką lokalizację georeaktora, aby zminimalizować poziom występowania potencjalnych zagrożeń. Na lokalizację georeaktora w obszarze górniczym kopalni mają wpływ warunki górniczogeologiczne, techniczno-organizacyjne oraz wentylacyjne. KWK Wieczorek została wytypowana do przeprowadzenia w jej obszarze górniczym pilotującej próby podziemnego zgazowania węgla przez Katowicki Holding Węglowy S.A. jednego z członków konsorcjum realizującego projekt strategiczny. Eksperyment podziemnego zgazowania węgla wymaga zaprojektowania takiej lokalizacji georeaktora, aby spełnione były warunki, gwarantujące bezpieczeństwo załogi zatrudnionej w wyrobiskach podziemnych kopalni. W tym przypadku projekt próby podziemnego zgazowania węgla musi objąć szersze spektrum wymagań, kryteriów i rygorów w zakresie lokalizacji georeaktora oraz warunków zapewniających bezpieczeństwo procesowe, niż w stosowanych w świecie technologiach podziemnego zgazowania węgla, udostępniających georeaktor otworami kierunkowymi z powierzchni. Lokalizacja georeaktora w obszarze górniczym czynnej kopalni 5

6 wymaga przeprowadzenia syntetycznej analizy wpływu warunków górniczo-geologicznych oraz wentylacyjnych na wykonalność procesu. Projektowanie lokalizacji oraz eksploatacji georeaktora w kopalni czynnej powinno uwzględnić: - analizę resztek niewyeksploatowanych pokładów w obszarze górniczym kopalni, przy uwzględnieniu kryterium niezbędnej miąższości pokładu, powyżej 1,5m, - określenie wymagań co do przestrzennego usytuowania georeaktora w otoczeniu dokonanej wcześniej eksploatacji oraz czynnych wentylacyjnie wyrobisk kopalni, - usytuowanie georeaktora w sieci wentylacyjnej bezpośrednio związanej z niezależnym prądem powietrza oraz w bliskiej odległości od szybu wydechowego, dla zapewnienia możliwie najkrótszej strefy zagrożenia w przypadku powstania stanu awaryjnego, - możliwość monitorowania w sposób ciągły składu atmosfery w wyrobiskach wentylacyjnie związanych z georeaktorem, - zabezpieczenia organizacyjne przewidziane w trakcie eksploatacji georeaktora, - ocenę ryzyka dla zidentyfikowanych zagrożeń, mogących wystąpić w czasie próby podziemnego zgazowania węgla. Analiza resztek niewyeksploatowanych pokładów w obszarze górniczym KHW S.A. KWK Wieczorek, przy uwzględnieniu wymaganego kryterium miąższości pokładu powyżej 1,5 m, znacznie ograniczyła ilość potencjalnych lokalizacji georeaktora w tej kopalni. Poniżej omówiono wpływ warunków górniczo-geologicznych oraz wentylacyjnych na dokonanie wyboru lokalizacji georeaktora w obszarze górniczym KHW S.A. KWK Wieczorek. W kopalni czynnej prowadzącej roboty górnicze (udostępniające, przygotowawcze, eksploatacyjne, zbrojeniowe i likwidacyjne ścian) bezpieczeństwo zatrudnionej załogi górniczej przebywającej w wyrobiskach ma kluczowe znaczenie dla określenia właściwego miejsca dla georeaktora. 4.1.Wpływ uwarunkowań górniczo-geologicznych oraz wentylacyjnych na lokalizację georeaktora W celu wyznaczenia lokalizacji georeaktora w obszarze górniczym KHW S.A. KWK Wieczorek przeprowadzono analizę resztek niewyeksploatowanych pokładów z uwzględnieniem wymaganej, na podstawie rozeznania literaturowego, miąższości pokładu powyżej 1,5m, stanowiącej kryterium dla przeprowadzenia efektywnej próby podziemnego zgazowania węgla. Przyjęte kryterium miąższości pokładu w parceli przeznaczonej do zgazowania, powyżej 1,5 m, ograniczyło do kilku liczbę potencjalnych lokalizacji georeaktora w obszarze kopalni. W warunkach kopalni czynnej, kolejnym kryterium lokalizacji były wymagania odnośnie przestrzennego usytuowania georeaktora względem dokonanej wcześniej eksploatacji oraz czynnych wentylacyjnie wyrobisk. Georeaktor nie powinien znaleźć się w strefie odprężenia i rozszczelinowania jego otoczenia, z tytułu wcześniej wyeksploatowanych pokładów podebranych lub nadebranych, z uwagi na możliwe niekontrolowane przepływy gazów w trakcie procesu zgazowania węgla. Kierując się kryteriami wyznaczającymi strefy odprężenia i odgazowania prowadzoną eksploatacją pokładów, przeprowadzono analizę możliwości lub eliminacji potencjalnych lokalizacji georeaktora w obszarze górniczym kopalni. W strefie objętej zasięgiem odprężenia i odgazowania, przepuszczalność wzrasta 100, 200 a nawet 400-krotnie, a sieć szczelin powstałych w górotworze umożliwia niekontrolowaną migrację gazów. Zasięgi stref odprężenia dla ścian w dwóch pokładach (pokład 1 i pokład 3), gdzie należy liczyć się z możliwą migracją gazów w przypadku usytuowania wyrobisk georeaktora, 6

7 przedstawiono na rys. 4. Przy takiej lokalizacji będzie występowało potencjalne zagrożenie w czynnych wyrobiskach ze strony migrujących z georeaktora gazów, a na ich przepływy wpłynie pole potencjałów aerodynamicznych w sieci wentylacyjnej. Wartości potencjałów aerodynamicznych w sieci wentylacyjnej kopalni, w przypadku bliskiej odległości georeaktora od strefy odprężonej, mogą być przyczyną niekontrolowanych przepływów powietrza do georeaktora lub gazów z georeaktora podczas procesu zgazowania węgla. Nie bez znaczenia, dla niepożądanych i niekontrolowanych przepływów gazów, są czynne wentylacyjnie wyrobiska, znajdujące się w zbyt bliskiej odległości od georeaktora. Takie usytuowanie wyrobisk może być przyczyną zarówno migracji powietrza do georeaktora, jak i wypływu produktów zgazowania do czynnych wyrobisk kopalni. W nieodprężonym pokładzie za bezpieczną należy uznać odległość co najmniej 20 m pomiędzy georeaktorem a czynnym wentylacyjnie wyrobiskiem, co przedstawiono w pokładzie 3 (rys.4). Analiza przestrzennego ukształtowania się stref odprężenia powstałych na skutek dokonanej wcześniej eksploatacji oraz czynnych wyrobisk w otoczeniu potencjalnych lokalizacji georeaktora w obszarze górniczym KHW S.A. KWK Wieczorek, pozwoliła na wskazanie miejsc, w których podczas przebiegu procesu zgazowania węgla nie wystąpią niekontrolowane zjawiska. h g pokład eksploatowany 1 zroby ściany pokład 2 wytypowany do zgazowania projektowany georeaktor h d możliwość przenikania gazów pomiędzy pokładem 2, a strefą odprężenia ścianą w pokładzie 3 brak możliwości przenikania gazów pomiędzy pokładami 1, 2 i 3 możliwość przenikania gazów pomiędzy strefą odprężenia ścianą w pokładzie 1 a pokładem 2 h g ŚCIANA ŚCIANA wyrobiska czynne możliwość przenikania gazów pomiędzy georeaktorem a czynnym wyrobiskiem w pokładzie 3 pokład eksploatowany 3 wytypowany do zgazowania zroby ściany h d odległość >20 m projektowany georeaktor brak możliwości przenikania gazów pomiędzy georeaktorem a czynnym wyrobiskiem w pokładzie 3 Rys.4. Kryteria wymagań co do przestrzennego usytuowania georeaktora w otoczeniu dokonanej wcześniej eksploatacji oraz czynnych wyrobisk odległość <20 m Kolejnym czynnikiem decydującym o lokalizacji georeaktora powinno być jego właściwe usytuowanie w sieci wentylacyjnej kopalni. Powstanie stanów awaryjnych podczas pracy georeaktora może być przyczyną wystąpienia zagrożenia gazowego w wyrobiskach, tym samym rozległość oraz długość strefy zagrożenia ma znaczenie dla bezpieczeństwa procesowego. Projekt lokalizacji georeaktora powinien uwzględnić następujące uwarunkowania wentylacyjne: - usytuowanie georeaktora w sieci wentylacyjnej, które zapewni możliwie najkrótszą strefę zagrożenia w przypadku powstania stanu awaryjnego, 7

8 - lokalizacja georeaktora w niezależnym prądzie powietrza lub w bezpośrednim sąsiedztwie poziomu wentylacyjnego i szybu wydechowego, - zapewnienie stabilności prądów powietrza w wyrobiskach wentylacyjnie związanych z georeaktorem. Analiza warunków górniczo-geologicznych oraz wentylacyjnych w rejonach potencjalnych miejsc lokalizacji georeaktora w obszarze górniczym KHW S.A. KWK Wieczorek, pozwoliła na wybór najkorzystniejszego miejsca w pokładzie 501 na poziomie wentylacyjnym 400 m. Georeaktor będzie usytuowany w parceli pokładu 501 w południowo-wschodniej części obszaru górniczego, w rejonie szybu wentylacyjnego Wschodni na poziomie 400 m. Pokład 501 o miąższości 5 m i nachyleniu 5 o w kierunku południowo-zachodnim zostanie udostępniony z przekopu wentylacyjnego z poziomu 400 m do pokładu 510. Na wycinku mapy pokładu 501 (rys.5) naniesiono projektowane udostępnienie georeaktora wyrobiskiem badawczym wraz z otworami technologicznymi 200 m (linie przerywane). Bardziej szczegółowo, udostępnienie pokładu 501 wyrobiskiem badawczym oraz dwoma otworami, przedstawiają przekroje - pionowy i poziomy (rys.6). Wyrobisko badawcze udostępniające georeaktor w pokładzie 501 o długości około 80 m zostanie wykonane z przekopu wentylacyjnego z poziomu 400 m do pokładu 510. Początkowy odcinek drążonego wyrobiska będzie prowadzony po wzniosie +18 o a następnie po upadzie (rys.7) do odległości 2,5 m jego spągu od pokładu 501. Przy zachowaniu ww. odległości do końca drążenia, chodnik badawczy będzie prowadzony nad pokładem 501. Udostępnienie pokładu 501 nastąpi z wyrobiska badawczego dwoma otworami o średnicy 200 i 300 mm wykonanymi przez półkę skalną o długości 20 m, a następnie w pokładzie 501 (rys.6). Sposób udostępnienia georeaktora dwoma otworami w kształcie litery V pozwala zapewnić doprowadzenie czynników do procesu zgazowania jednym otworem i odprowadzenie produktów zgazowania drugim, przy jednoczesnym zapewnieniu izolacji georeaktora półką skalną od wyrobiska badawczego. otwory technologiczne o 200 mm i 300 mm otwór o 85 mm Rysunek.5. Wariant udostępnienia pokładu 501 wyrobiskiem badawczym oraz dwoma połączonymi otworami badawczymi 200 i 300 mm z w kształcie litery V 8

9 linia załamania przekroju linia załamania przekroju przekop went. z poz. 400 m w skale płonnej w węglu pokładu chodnik wyrobisko badawczy badawcze dla udostępnienia georeaktora 5,5 m 2,5 m pokład 501 otwory technologiczne 200mm i 300 mm otwory technologiczne o 200 mm połączone otwory technologicz o średnicy 200 mm wykonane w kształcie litery V w skale płonnej ok.20m przekop wentylacyjny poz.400 m c hodnik badawczy chodnik badawczy 30 m otwory otwory technologiczne 200mm o mm i 300 mm węgiel pokładu 501 Rysunek 6. Projektowane udostępnienie pokładu 501 wyrobiskiem badawczym oraz dwoma otworami technologicznymi o średnicy 200i 300 mm [3] -140,0 pokład ,7 sp. ch ,0 sp. ch. 18 poziom wody -150,0 sp. ch. chodnik badawczy i 300mm pokład 501 Rysunek 7. Projekt niwelacji wyrobiska badawczego udostępniającego georeaktor w pokładzie 501 W spągu pokładu 501, w odległości minimalnej około 22 m od projektowanego georeaktora, jest zlokalizowana dowierzchnia 4, natomiast w odległości około 20 m na południowy zachód, nieczynne podsadzone wyrobisko (rys.8). W pokładzie 510, w odległości minimalnej 28 m, przebiega dowierzchnia transportowa a bezpośrednio poniżej są usytuowane nieczynne podsadzone chodniki, wykonane po spągu pokładu. Odległość minimalna szybu wydechowego Wschodni od rejonu projektowanych robót wynosi około 140 m. Planuje się wykonanie otworu 85 mm z dowierzchni transportowej w pokładzie 510 do georeaktora. Otwór 85 mm zostanie wykonany do wierzchołka połączonych otworów technologicznych 200 i 300 mm (rys.5). Przez otwór ten zostanie zapalony węgiel, a trakcie procesu będzie prowadzony monitoring ciśnienia w georeaktorze. 9

10 Usytuowanie georeaktora w sieci wentylacyjnej KHW S.A. KWK Wieczorek przedstawiono na wycinku uproszczonego schematu przestrzennego przewietrzania kopalni (rys.8) z naniesieniem szybów wdechowych, wydechowych i oddziałów wydobywczych, ponadto zaznaczono kierunki oraz wydatki powietrza odprowadzanego na poziom 400 m do szybów Giszowiec i Wschodni. Rysunek 8. Uproszczony schemat przestrzenny przewietrzania wyrobisk KWK Wieczorek w otoczeniu georeaktora z naniesionymi kierunkami oraz wydatkami powietrza Przewietrzanie rejonu projektowanego georeaktora będzie prowadzone zatem prądem powietrza wytwarzanym przez wentylator główny przy szybie wydechowym Giszowiec. Aktualny sposób rozprowadzenia powietrza w sieci wentylacyjnej jest dostosowany do występującej obecnie rejonizacji pól eksploatacyjnych. Zdolność sieci wentylacyjnej KWK Wieczorek pozwala na stabilne przewietrzanie rejonów eksploatacyjnych. Nadmienić należy, że wydatek powietrza 510 m 3 /min, płynącego przekopem wentylacyjnym z poziomu 400 m do pokładu 510 w sąsiedztwie georeaktora, nie potwierdza wysokiej zdolności wentylacyjnej tej bocznicy. W warunkach wystąpienia stanu awaryjnego, znaczne zwiększenie wydatku powietrza w rejonie georeaktora będzie utrudnione. Przekop wentylacyjny nr 005 oraz przekop wentylacyjny z poziomu 400 m do pokładu 510 są bocznicami przekątnymi pomiędzy podsieciami wentylacyjnymi szybów Giszowiec i Wschodni. Wentylatory główne przy szybie Giszowiec charakteryzują się znacznie mniejszym spiętrzeniem Podziemne zgazowanie węgla nakłada obowiązek opracowania kryteriów, rygorów i zasad na etapie projektowania procesu, obejmujących zagrożenia: - wybuchowe w rurociągu odprowadzającym produkty zgazowania, - wentylacyjno-gazowe w wyrobiskach na drodze odprowadzenia powietrza z georeaktora w trakcie procesu zgazowania oraz przy uwzględnieniu stanów awaryjnych, - pożarem endogenicznym w pokładzie na kontakcie z rurociągiem odprowadzającym produkty zgazowania, 10

11 - klimatyczne w wyrobiskach z zabudowanym rurociągiem odprowadzającym produkty zagazowania. Identyfikacja zagrożeń, jakie mogą wystąpić w trakcie przebiegu procesu podziemnego zgazowania węgla, obejmuje szerokie spektrum i musi być uwzględniona na etapie projektowania dla zapewnienia bezpieczeństwa procesowego (rys.9). 5. Identyfikacja zagrożeń podczas eksploatacji georeaktora Zidentyfikowanie wszystkich zagrożeń jakie mogą wystąpić podczas procesu zgazowania w stanie ustabilizowanym oraz awaryjnym dla wybranej lokalizacji georeaktora, pozwoliło na dobór sposobu ich monitorowania oraz zakresu zabezpieczeń w celu zapewnienia bezpiecznych warunków eksperymentu. Analiza zagrożeń, jakie mogą wystąpić podczas eksploatacji georeaktora w KHW S.A. KWK Wieczorek będzie podstawą do opracowania rygorów i zasad bezpieczeństwa dla przebiegu podziemnego zgazowania węgla. Możliwe zagrożenia w trakcie eksploatacji georeaktora, w warunkach normalnej pracy oraz przy wystąpieniu stanu awaryjnego, przedstawiono schematycznie na rys. 9. Oddzielnie zidentyfikowano zagrożenia w wyrobiskach podziemnych podczas eksploatacji georeaktora (blok 2) oraz na powierzchni w sąsiedztwie urządzeń wykorzystujących gaz uzyskany w procesie odgazowania i odprowadzany rurociągiem na powierzchnię (blok 3). W przypadku stanu awaryjnego rurociągu, odprowadzającego produkty zgazowania, lub urządzeń na powierzchni, mogą wystąpić następujące zagrożenia (blok 3): - wybuchem gazu (blok 6), - toksyczne - tlenkiem węgla z tytułu rozszczelnienia rurociągu lub instalacji (blok 7), - skażenia środowiska wyciekiem produktów ciekłych ( zanieczyszczona woda, smoła) z instalacji (blok 8). 11

12 1 Zagrożenia związane z lokalizacją i eksploatacją georeaktora podziemnego zgazowania węgla w czynnej kopalni węgla kamiennego Zagrożenia występujące w geor eaktorze oraz 2 w wyrobiskach podziemnych kopalni węgla 3 kamiennego podczas eksploatacji georeaktora Zagrożenia występujące na powierzchni Zagrożenia 4 wewnątrz 5 georeaktora Zagrożenia w czynnych wyrobiskach kopalni wentylacyjnie związanych z georeaktorem oraz rurociągiem odprowadzający produkty zgazowania Zagrożenia w stanie awaryjnym georeaktora 9 lub rurociągu odprowadzającego 10 produkty zgazowania 6 Zagrożenie wybuchem 7 gazu Zagrożenie toksyczne Zagrożenia w stanie normalnego funkcjonowania georeaktora 8 Zagrożenie skażeniem środowiska ze skraplania produktów zgazowania Zagrożenie wybuchami gazu w georeaktorze Zagrożenie gazowe, wybuchem gazu i pyłu węglowego Zagrożenie powstaniem atmosfery niezdatnej do oddychania Zagrożenie toksyczne Zagrożenie Zagrożenie skażeniem skażeniem środowiska ze ciekłymi skraplania produktami produktów zgazowania zgazowania Zagrożenie pożarem endogenicznym Zagrożenie klimatyczne i temperaturowe ze strony rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania Rysunek 9. Identyfikacja zagrożeń generowanych w procesie eksploatacji georeaktora podziemnego zgazowania węgla 12

13 Zagrożenia, jakie mogą zaistnieć w wyrobiskach podziemnych (blok 2) podzielono na: - zagrożenia wewnątrz georeaktora (blok 4), w tym wybuchowe (blok 11), - zagrożenia w czynnych wyrobiskach kopalni wentylacyjnie związanych z georeaktorem oraz siecią rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania (blok 5). Na uproszczonym schemacie przestrzennym (rys.10) stanowiącym wycinek poziomu wentylacyjnego 400 m wraz z planowaną lokalizacją georeaktora, naniesiono przebieg rurociągów doprowadzających media z powierzchni oraz odprowadzających produkty zgazowania na powierzchnię. Próba podziemnego zgazowania węgla w pokładzie 310 w Kopalni Doświadczalnej Barbara wskazały na możliwość wystąpienia stanu awaryjnego w przebiegającym procesie wewnątrz georeaktora. Zagrożenie gazowe (wybuchowe), mogące zaistnieć w georeaktorze, może być spowodowane wzrostem ciśnienia na skutek podania dużej objętości mediów (tlenu lub powietrza), przy jednocześnie niewystarczającym odbiorze objętości produktów zgazowania i przesyłaniu rurociągiem na powierzchnię. Wzrost prężności gazów, związany ze wzrostem ciśnienia w georeaktorze oraz ich wymieszanie z nadmierną zawartością tlenu i powietrza może doprowadzić do wybuchu mieszaniny powietrzno-gazowej (blok 11). Nadmienić należy, że zalanie wodą odcinka chodnika badawczego udostępniającego georeaktor wraz z 20-metrową półką skalną (rys.7), oddzielającą to wyrobisko od georeaktora w pokładzie 501, uniemożliwia przeniesienie wybuchu do czynnych wyrobisk wentylacyjnie związanych z georeaktorem. Ciśnienie w georeaktorze podczas trwania procesu podziemnego zgazowania węgla, będzie monitorowane czujnikiem, zabudowanym na otworze 85 mm (rys.5) wykonanym z dowierzchni transportowej. Wartości wskazań ciśnienia będą rejestrowane w dyspozytorni na powierzchni i umożliwią sterowanie mediami (powietrze, tlen) oraz gazem odprowadzanym z georeaktora. Zagrożenia, jakie mogą wystąpić w czynnych wyrobiskach kopalni, wentylacyjnie związanych z georeaktorem oraz z wyrobiskami, w których jest zabudowany rurociąg odprowadzający produkty zgazowania na powierzchnię (blok 5), powinny uwzględniać stan normalny (blok 10) oraz awaryjny pracy georeaktora lub rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania (blok 9). Do zagrożeń w stanie awaryjnym odnoszą się zagrożenia ujęte w blokach: 12, 13, 14 i 15, natomiast w stanie normalnym funkcjonowania georeaktora zagrożenia ujęte w blokach 16 i 17. Dla stanu awaryjnego georeaktora lub rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania zidentyfikowano następujące zagrożenia: - wybuchowe (gazu procesowego i w konsekwencji pyłu węglowego (bloki 11 i 12)), - powstanie w chodniku badawczym na odcinku przewietrzanym wentylacją odrębną, atmosfery niezdatnej do oddychania w warunkach awarii wentylacji odrębnej (blok 13), - pożarem endogenicznym w pokładach 418 i 501 z tytułu sąsiedztwa sieci rurociągów odprowadzających produkty zgazowania (blok 16), - klimatyczne na odcinku chodnika badawczego w warunkach awarii wentylacji odrębnej i wzrostu temperatury powietrza od gorących powierzchni (blok 17), - zagrożenie toksyczne tlenkiem węgla we wszystkich wyrobiskach wentylacyjnie związanych z georeaktorem oraz siecią rurociągów odprowadzających produkty zgazowania. Identyfikacja zagrożeń, jakie mogą wystąpić podczas eksploatacji georeaktora podziemnego zgazowania węgla, narzuca konieczność opracowania rygorów, kryteriów i zasad monitorowania przebiegu procesu w warunkach KHW S.A. KWK Wieczorek. Zidentyfikowanie zagrożeń oraz prawdopodobieństwo ich wystąpienia podczas zgazowania wymuszają prowadzenie ciągłego monitoringu z uwzględnieniem uwarunkowań wentylacyjnych sieci kopalnianej. Strefą zagrożenia muszą zostać objęte wyrobiska 13

14 w otoczeniu georeaktora oraz wyrobiska z zabudowanym rurociągiem odprowadzającym produkty zgazowania, jak również wyrobiska wentylacyjnie z nimi związane. Nadmienić należy, że powstanie strefy zagrożenia w kierunku szybów wydechowych Giszowiec lub Wschodni jest zależne od miejsca stanu awaryjnego georeaktora lub/i rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania. Zasięg strefy zagrożenia gazowego musi być natychmiast zidentyfikowany przez osoby kontrolujące i sterujące procesem, wraz z ustaleniem lokalizacji awarii na podstawie wskazań czujników rejestrujących wartości stężeń gazów w wyrobiskach. Na uproszczonym schemacie przestrzennym (rys.11) naniesiono lokalizację czujników anemometrii, gazometrii oraz czujników ciśnienia rejestrujących stan atmosfery oraz stabilność prądów powietrza w wyrobiskach. Rozmieszczenie czujników anemometrii i gazometrii automatycznej w wyrobiskach wentylacyjnie związanych z georeaktorem w pokładzie 501 w KHW S.A. KWK Wieczorek pozwoli na jednoznaczną lokalizacje powstałego zagrożenia lub/i stanu awaryjnego na rurociągu odprowadzającym produkty zgazowania. Stan awaryjny (amputacja rurociągu odprowadzającego gazy z georeaktora) stwarza największe zagrożenie ze strony toksycznego tlenku wegla (blok 14). Przerwanie ciągłości rurociągu jest mało prawdopodobne, aczkolwiek możliwe w przypadku tąpnięcia. Zagrożenie wybuchem pyłu węglowego w wyrobiskach wentylacyjnie związanych z georeaktorem oraz przebiegiem sieci rurociągu odprowadzającego gazy z procesu zgazowania praktycznie można wykluczyć. Pył kopalniany zalegający w tych wyrobiskach zostanie pozbawiony lotności przez zmywanie przekrojów wyrobisk wodą oraz opylanie pyłem kamiennym. Zastosowane środki profilaktyki uniemożliwią powstanie wybuchu pyłu węglowego. Zagrożenie pożarem endogenicznym (blok 16) wynika z przebiegu rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania o temperaturze o C w bliskim sąsiedztwie odsłoniętej powierzchni węgla z pokładów 418 i 510. Występujący w przekroju chodnika badawczego pokład 418, przez zaprojektowaną jego niwelację, będzie w tej części wyrobiska zalany wodą. Pokład 510 zostanie udostępniony otworami wielkośrednicowymi 600 mm, w jednym z których zostanie zabudowany rurociąg odprowadzający produkty zgazowania. Izolacja rurociągu oraz dokładny monitoring zagrożenia pożarowego pozwoli na dokonywanie bieżącej oceny poziomu tego zagrożenia. Zagrożenie klimatyczne może wystąpić w części wyrobiska badawczego przewietrzanego wentylacją odrębną. W przypadku przerwania ciągłości przewietrzania wentylacją odrębną odcinka tego wyrobiska należy liczyć się ze wzrostem temperatury powietrza powyżej 33 o C. Ponadto w takim stanie awaryjnym, przy nieszczelności otoczenia georeaktora, w wyrobisku może dojść do wytworzenia atmosfery niezdatnej do oddychania (blok 13). Nadmienić należy, że monitorowanie składu atmosfery w wyrobisku badawczym, udostępniającym georeaktor, eliminuje potrzebę przebywania osób w tym wyrobisku. Stan awaryjny rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania lub separatorów gazów (blok 15) mogą przyczynić się do skażenia środowiska w wyrobiskach podziemnych oraz na powierzchni. Wykraplanie produktów ciekłych w wyniku oziębienia gazu oraz niwelacja rurociągu w wyrobiskach nie powinny być barierą dla przebiegu procesu podziemnego zgazowania. Przeprowadzona powyżej analiza zidentyfikowanych zagrożeń nie obejmuje całego spektrum szczegółów związanych z bezpieczeństwem, rozpatrywanych na etapie projektowania podziemnego zgazowania węgla w KHW S.A. KWK Wieczorek i jest weryfikowana na bieżąco. 14

15 Rysunek 10. Przebieg rurociągów w wyrobiskach 15

16 Rysunek 11. Schemat monitoringu bezpieczeństwa 16

17 Najważniejsze wnioski wynikające z identyfikacji zagrożeń można podsumować następująco: 1. Identyfikacja zagrożeń, jakie mogą wystąpić w procesie podziemnego zgazowania węgla w czynnej kopalni węgla kamiennego, powinna uwzględnić zagrożenia w stanie normalnym i awaryjnym. 2. Projektowany sposób udostępnienia georeaktora podziemnego zgazowania węgla w pokładzie 501 w KHW S.A. KWK Wieczorek ogranicza możliwość kontaktu przebiegającego procesu w georeaktorze z czynnymi wyrobiskami w jego otoczeniu. 3. Przeprowadzona identyfikacja oraz analiza możliwego wystąpienia zagrożeń wskazuje, że zagrożeniem dominującym w stanie awaryjnym georeaktora lub/i rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania jest zagrożenie tlenkiem węgla. 4. Projektowany sposób monitorowania zagrożeń w wyrobiskach w otoczeniu georeaktora oraz na drogach wentylacyjnie z nim związanych pozwoli w sposób ciągły monitorować przebieg procesu oraz wychwycić miejsce wystąpienia stanu awaryjnego. 6. Układ zasilania georeaktora w media oraz odbioru i oczyszczania gazu procesowego 6.1. Układ zasilania Prowadzenie procesu zgazowania wymaga ciągłego dostarczania do georeaktora czynników zgazowujących. Zgodnie z założeniami, produktem z instalacji ma być gaz niskokaloryczny, uzyskiwany w wyniku reakcji zachodzących pomiędzy substancją węglową oraz tlenem i parą wodną zawartą w podawanym powietrzu. Dla rozpalania georeaktora oraz korygowania składu gazu stosowany będzie tlen lub jego dodatek do powietrza. Dla umożliwienia działań mających na celu utrzymanie kontroli nad reakcją oraz wygaszenie georeaktora w sytuacjach awaryjnych stosowany będzie azot. Układy zasilania w powietrze, tlen i azot zlokalizowane będą na terenie Szybu Wschodniego, w pobliżu budynku Szybu. Przewiduje się zastosowanie: jako źródła powietrza sprężarka o wydajności do około 30 Nm 3 /min i ciśnieniu pracy do 6 atm, jako źródła tlenu przewoźnego zbiornika kriogenicznego o pojemności 20 t wyposażonego w parownicę, jako źródła azotu przewoźnego zbiornika kriogenicznego o pojemności t wyposażonego w parownicę. Przewiduje się dzierżawę w/w urządzeń na czas trwania eksperymentu. Ich rozmieszczenie i sposób połączenia z instalacją opracowany zostanie w projekcie wykonawczym, którego realizacja się rozpoczyna Układ odbioru gazu Zakłada się, że temperatura gazu wyprowadzanego z instalacji na zrębie szybu wyniesie około 400 C. Wybór koncepcji odbioru gazu w wysokiej temperaturze podyktowany został względami bezpieczeństwa. W tych warunkach całość wody procesowej i przeważająca ilość 17

18 smoły wytworzonej w procesie odebrana zostanie w instalacji na powierzchni. W ten sposób zminimalizuje się konieczność obsługi urządzeń w wyrobiskach kopalni. Gorący gaz w kontenerowym układzie odbioru zlokalizowanym na terenie Szybu Wschodniego będzie chłodzony, odpylany, pozbawiony ciekłych substancji, odsiarczany i kierowany do pochodni. Wobec braku możliwości zagospodarowania ciepła na terenie szybu i w świetle ograniczonego czasu trwania eksperymentu spalanie gazu w pochodni wybrano jako rozwiązanie optymalne. Nie mniej przewiduje się możliwość skierowania części gazu do silnika gazowego w przypadku pozyskania przez Instytut takiego urządzenia. Schemat instalacji odbioru gazu przedstawia rys. 12. Rysunek 12. Wstępna koncepcja instalacji powierzchniowej oczyszczania gazów PZW Szczegółowo układy zasilania w media i odbioru gazu zostaną rozpracowane w projekcie wykonawczym, którego realizacja się rozpoczyna. 7.Perspektywy rozwoju technologii Kolejnym krokiem w rozwoju i wdrożeniu technologii podziemnego zgazowania węgla kamiennego w Polsce będzie budowa instalacji demonstracyjnej, którą winien stanowić moduł instalacji przemysłowej. Uwzględniając wspomniany wyżej stan zasobów węgla kamiennego w kraju można przyjąć, że najbardziej interesującą lokalizacją takiej jednostki będą zasoby nieprzemysłowe, ewentualnie pola rezerwowe istniejącej lub zlikwidowanej kopalni, wybranej w oparciu o analizy zasobów oraz analizę wykonalności przedsięwzięcia. Specyfiką kompleksu obejmującego wytwarzanie gazu pod ziemią i jego energetycznego zagospodarowania dla wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej jest jego związanie lokalizacyjne wynikające z nieopłacalności przesyłu gazu niskokalorycznego na dalsze odległości. Dlatego uwzględniając ograniczone zasoby węgla w jednym kawałku, które będą do dyspozycji, uważa się, że podziemne zgazowanie węgla kamiennego 18

19 w warunkach polskich może stanowić źródło zasilania zakładów energetycznych o mocy do 50 MW, pracujących dla zabezpieczenia rynku lokalnego w energię cieplną i elektryczną. Projekt technologiczny instalacji demonstracyjnej zostanie wykonany dla wielkości 20 MW. O słuszności wyboru takiej ścieżki rozwoju podziemnego zgazowania węgla świadczy zainteresowanie spółek węglowych działających na rynku krajowym. Dobitnym przykładem jest zaangażowanie Katowickiego Holdingu Węglowego S.A. w budowę instalacji pilotowej. 8.Stan zaawansowania prac W celu budowy i uruchomienia instalacji pilotowej Katowicki Holding Węglowy S.A., KWK Wieczorek i Główny Instytut Górnictwa prowadzi działania w dwóch obszarach: 1. rozwiązania problemów i uzyskania wszelkich decyzji i pozwoleń wynikających z przepisów Prawa Geologiczno-Górniczego i Prawa Ochrony Środowiska, 2. wykonania projektów i prac technicznych w zakresie budowy poszczególnych elementów instalacji. Ponieważ podziemne zgazowanie węgla jest technologią nie stosowaną dotychczas w polskiej praktyce, brak jest zapisów w krajowym prawodawstwie bezpośrednio się do niej odwołujących. Z tego względu działania formalno-prawne wymagają ścisłej współpracy z Wyższym Urzędem Górniczym, Okręgowym Urzędem Górniczym, Rejonową Dyrekcją Ochrony Środowiska, Urzędem Marszałkowskim i Urzędem Miasta w celu wypracowania odpowiednich formuł umożliwiających realizację przedsięwzięcia. Aktualnie, według stanu na połowę października 2012 r., stan najważniejszych prac przedstawia się następująco: 1. Prace formalno-prawne opracowana została wstępna wersja Projektu Technicznego, który stanowi podstawę wniosku do Komisji d/s Zagrożeń Naturalnych w celu uzyskania ostatecznej opinii zezwalającej na przeprowadzenie eksperymentu; opracowano operat wodno-prawny na wprowadzenie ścieków przemysłowych z instalacji pilotowej PZW na terenie KHW S.A. KWK Wieczorek do urządzeń kanalizacyjnych Koksowni Przyjaźń w Dąbrowie Górniczej stanowiący załącznik do wniosku o wydanie pozwolenia wodno-prawnego w tym zakresie; przygotowano materiały do wniosku zgłoszenia na emisję zanieczyszczeń do powietrza oraz wniosku do aneksu pozwolenia na wytwarzanie odpadów; przygotowywany jest dodatek do planu ruchu kopalni dotyczący przeprowadzenia eksperymentu; opracowywana jest instrukcja przeprowadzenia eksperymentu stanowiąca załącznik do Projektu Technicznego. 2. Prace techniczne prowadzone są prace przygotowawcze do drążenia wyrobiska udostępniającego georeaktor; rozpoczęto drążenie otworów wielkośrednicowych pomiędzy poziomami 400 i 450 dla przeprowadzenia rurociągów technologicznych; w wyniku przetargu wyłoniono wykonawcę Projektu infrastruktury rurociągowej w wyrobiskach i Szybie Wschodnim, w wyniku przetargu wyłoniono wykonawcę Projektu i budowy części powierzchniowej instalacji na terenie Szybu Wschodniego, prowadzone są prace nad kompletowaniem elementów systemu monitoringu bezpieczeństwa w wyrobiskach. 19

20 Sprawna realizacja wymienionych prac warunkuje terminowe rozpoczęcie eksperymentu pilotowego, planowanego na II-gą połowę 2013 r. Literatura 1. Couch G.R.. Underground Coal Gasification r. IEA Clean Coal Centre 2. Cybulski K., Krause E., Stańczyk K.: Warunki bezpieczeństwa dla projektowanego eksperymentu podziemnego zgazowania węgla w Kopalni Doświadczalnej Barbara Głównego Instytutu Górnictwa. XXXIII Międzynarodowa Konferencja Instytutów Bezpieczeństwa Górniczego, Szczyrk, wrzesień Drzewiecki J., Krause E.: Podstawowe założenia budowy generatora PZW w obszarze górniczym KHW S.A. KWK Wieczorek. XVIII Międzynarodowa Konferencja Naukowo- Techniczna Górnicze Zagrożenia Naturalne 2011 nt. Człowiek zagrożenie i bezpieczeństwo, Targanice k. Żywca, 7-10 listopada Kreinin E.W. Podzemnaja gazyfikacja uglej. Osnowy teorii i praktyki,innowacji r, Moskwa, wyd. Taims 5. Rauk J. Kształtowanie się kanału ogniowego w podziemnym zgazowaniu węgla kamiennego. Prace Głównego Instytutu Górnictwa 1959 r., Katowice. Wyd Górniczo-Hutnicze 6. Wiatowski M., Stańczyk K., Świądrowski J., Kapusta K., Cybulski K., Krause E., Grabowski J., Rogut J., Howaniec N., Smoliński A.: Semi-technical underground coal gasification (UCG) Rusing the shaft method in Experimental Mine Barbara. Fuel 99 (2012)