Tytuł. Proekologiczne wykorzystanie metanu z kopalń węgla. Autorzy: prof. dr hab. inż. Stanisław Nawrat mgr inż. Sebastian Napieraj

Transkrypt

1 1 Tytuł Proekologiczne wykorzystanie metanu z kopalń węgla Autorzy: prof. dr hab. inż. Stanisław Nawrat mgr inż. Sebastian Napieraj

2 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 [1]. Metan wydzielający się z pokładów węgla w kopalniach jest za pomocą wentylacji i odmetanowania odprowadzany na powierzchnię. W przypadku gazu ujętego przez odmetanowanie jest on w dużej części wykorzystywany, jako paliwo niskometanowe dla różnego rodzaju instalacji ciepłowniczo-energetycznych np. dla kotłowni z kotłami gazowymi i węglowo - gazowymi oraz z silnikami i turbinami gazowymi, suszarni gazowych. W kopalniach metan towarzyszący eksploatacji kopaliny podstawowej węgla kamiennego nie ujęty przez odmetanowanie w większej części wydziela się do powietrza wentylacyjnego tworząc mieszaniny metanowo powietrzne o różnym stężeniu metanu. 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. Od wielu lat w polskich kopalniach węgla kamiennego następuje stopniowy, rozwój odmetanowania podziemnego i gospodarczego wykorzystania ujętego metanu w instalacjach ciepłowniczo energetycznych. Urządzenia energetyczno ciepłownicze zasilane paliwem gazowym wymagają paliwa ustabilizowanego w zakresie jakościowym i ilościowym. Gaz niskometanowy ujmowany przez odmetanowanie cechuje się dużą zmiennością jakościową i ilościową w czasie wynikającą z uzależnienia efektywności odmetanowania głównie od eksploatacji górniczej. Zaburzenia parametrów jakościowo-ilościowych paliwa wpływają negatywnie na pewność ruchową i ciągłość pracy gazowych instalacji ciepłowniczo-energetycznych. W polskich kopalniach węgla kamiennego od wielu lat następuje stopniowy rozwój odmetanowania podziemnego i gospodarczego wykorzystania ujętego metanu w instalacjach ciepłowniczo - energetycznych. W polskim i światowym górnictwie dużym problemem jest utylizacja i gospodarcze wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń (MWENT). 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). Na świecie prowadzone są intensywne prace badawczo rozwojowe, które doprowadziły do opracowania wielu technologii i urządzeń, pozwalających przeprowadzać proces spalania metanu o niskiej jego koncentracji. Główne kierunki wykorzystania metanu z kopalń węgla kamiennego przedstawia rys. 1.1.

3 3 Metan Pokładów Węgla CBM 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 Rys. 1.1 Główne kierunki utylizacji metanu z kopalń kopalń wegla kamiennego

4 2. Zasoby metanu pokładów węgla w Polsce 4 Węgiel jest kopaliną użyteczną o strukturze porowatej. W wyniku procesów absorpcji, adsorpcji i chemisorpcji w porach i na ich powierzchni mogą być akumulowane gazy złożowe (głównie metan i dwutlenek węgla). W złożach węgiel kamienny występuje zazwyczaj w formie pokładów. W Polsce metan pokładów węgla (CBM) występuje głównie w złożach Górnośląskiego Zagłębia Węglowego - stopień rozpoznania zasobów i stan zagospodarowania, a także wielkość wydobycia zestawiono w tabeli 2.1. Wielkości zasobów trudno w sposób jednoznaczny umiejscowić ze względu na przebiegające procesy filtracji gazu w pokładach jak i między pokładami a także przez nadkład do atmosfery. Tabela 2.1. Zasoby metanu pokładów węgla (CBM) w mln m3 [1] Wyszczególnienie Złoża udokumentowane ogółem (48 złóż)* w tym złoża w obszarach eksploatowanych (29 złóż) w tym złoża w pokładach poza zasięgiem eksploatacji (19 złóż) Zasoby wydobywalne bilansowe pozabilansowe Zasoby przemysłowe Emisja z wentylacją Wydobycie , , ,37 169,78 272, , , ,83 169,78 272, , , ,54-0,01 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 energetyczno-ciepłowniczych. Natomiast dużym problemem, nie tylko polskim, ale i światowym, jest utylizacja i gospodarcze wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego (MWENT) kopalń. W polskich kopalniach węgla kamiennego metanowość bezwzględna od roku 2001 systematycznie rocznie mimo zmniejszania się ilości kopalń oraz wydobycia. Metanowość wentylacyjną, z odmetanowania oraz bezwzględną polskich kopalń węgla kamiennego w latach przedstawia rys 2.1. Z rys. 2.1 wynika, że roczne zasoby metanu w powietrzu wentylacyjnym kopalń węgla kamiennego w roku 2009 wynosiły ok. 595, 91 mln m 3.

5 mln m ,3 283,4 286,2 284,6 263,3 252,1 235,2 212,8 201,2 197,5 192,5 205,3 203,6 216,1 222,9 219,3 208,0 227,1 250,9 255,3 289,5 268,8 274,2 259, , ,9 719, ,1 560,5 560,8 553,6 555,9 578,3 559,7 528, ,7 557,0 571,1 575,0 595,9 580,8 610,1 606,7 595, rok Ujęcie metanu odmetanowaniem Odprowadzenie metanu z powietrzem Rys Metanowość kopalń węgla kamiennego w latach [1] Wskaźnik ujęcia metanu w kopalniach węgla kamiennego w Polsce w latach przedstawia rys ,0 30,0 Wskaźnik ujęcia metanu, % 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, Wskaźnik ujęcia metanu Rys Wskaźnik ujęcia metanu w kopalniach węgla kamiennego w Polsce w latach [1] Rok

6 4. Metan w powietrzu wentylacyjnym 6 Polskie przepisy górnicze wymagają, żeby zawartość metanu w powietrzu w szybach wentylacyjnych była niższa od 0,75%. Podstawowym środkiem ograniczania i regulowania zawartości metanu w powietrzu w wyrobiskach górniczych jest doprowadzanie odpowiednio dużych strumieni powietrza. W związku z tym 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%. Na rys przedstawiono zawartości metanu w powietrzu w szybie III, IV i V KWK Pniówek należącej do JSW S.A. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Szyb III Szyb IV Szyb V 0 Rys. 4.1.Zawartości metanu w szybie III, IV i V KWK Pniówek [9] Zmienne w czasie niskie zawartości metanu w powietrzu w szybach wentylacyjnych np. w kopalni Pniówek uniemożliwiają wykorzystywać mieszaninę metanowo powietrzną bezpośrednio w stosowanych przemysłowo urządzeniach energetycznych, jako paliwo. 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. Biorąc pod uwagę infrastrukturę sieci rurociągowych metan z odmetanowania w większości przypadków jest wykorzystany, jako paliwo dla instalacji ciepłowniczo energetycznych zlokalizowanych na terenie kopalń lub w ich bliskim sąsiedztwie. Efektywność wykorzystania metanu w kopalniach węgla kamiennego w 2009 roku przedstawia tab 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),

7 7 skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i gorącej wody, 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. Tab Efektywność wykorzystania metanu w kopalniach węgla kamiennego w 2008 roku [1] 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 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 (rys i 5.2.).

8 8 Rys Silnik gazowy w KWK Krupiński schemat [20] Rys Silnik gazowy 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: 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.

9 5.2. Skojarzony układ energetyczny w KWK Pniówek 9 Kopalnia Pniówek eksploatuje pokłady węgla zalegające na głębokości m pod powierzchnią ziemi i charakteryzujące się bardzo dużym zagrożeniem metanowym oraz wysoką temperaturą pierwotną górotworu O C. Konieczność poprawy warunków pracy pod ziemią stanowiły podstawę decyzji o budowie centralnej klimatyzacji w KWK Pniówek - pierwszej tego typu inwestycji w Polsce. Przeprowadzone obliczenia prognostyczne warunków klimatycznych w wyrobiskach górniczych KWK Pniówek w latach 1999 do 2005 wykazały, że niezbędne jest chłodzenie powietrza w kopalni. Moc chłodnic powietrza koniecznych do zainstalowania w kopalni powinna wynosić około 5 MW. W wyniku przeprowadzonych analiz układów klimatyzacji centralnej wybrano do zastosowania układ skojarzony energetyczno-chłodniczy oparty na silnikach gazowych i generatorach energii elektrycznej oraz chłodziarkach absorpcyjnych i sprężarkowych rys i rys Silniki gazowe zasilane są metanem z odmetanowania kopalni. Ciepło wytworzone w tym procesie wykorzystane jest do przemiany w chłodziarkach absorpcyjnych. Część wytworzonej przez generator energii elektrycznej służy do zasilania sprężarek śrubowych. Pozostała ilość energii elektrycznej i ciepła wykorzystana jest na potrzeby ruchowe kopalni. Instalacja centralnej klimatyzacji w kopalni Pniówek została uruchomiona w 2000 r. Część wytworzonej przez generator energii elektrycznej służy do zasilania sprężarek śrubowych. Pozostała ilość energii elektrycznej i ciepła wykorzystana jest na potrzeby ruchowe kopalni. Dane techniczne skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego 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.

10 10 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 DÓŁ CHŁODZIARKI ABSORPCYJNE 4,7 MWt 4,5 C CHŁODZIARKI SPRĘŻARKOWE 1,2 MWt 300 m 3 /h 1,5 C 300 m 3 /h 18 C schłodzone powietrze CHŁODNICE POWIETRZA 3 C 5 MW ch PODAJNIK SIEMAG Poz. 853m Rys Skojarzony układ energetyczny w KWK Pniówek [4] Rys Skojarzony układ energetyczno-chłodniczy 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 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:

11 11 paliwo gaz o wydatku 21 m3/min z odmetanowania kopalni Budryk o stężeniu metanu %, moc elektryczna 4,998 MW, moc cieplna 5,271 MW. 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 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 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 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 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 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.

12 5.9. Wykorzystanie metanu z zlikwidowanej kopalni węgla kamiennego 12 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. 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) 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 metanowopowietrznej uzyskiwanej w procesie odmetanowania pokładów węgla kamiennego (rys. 6.1.). Rys Schemat instalacji wydzielania metanu z mieszaniny metanowo powietrznej [17] Oznaczenia na rys.5.1. K-01 - sprężarka gazu, V-02 - bufor, V-07 - bufor CH4, PSA I - moduł PSA oczyszczania, VPSA CH4/N2 - Moduł PSA wzbogacania metanu, V-05 - bufor N2, P-06 - pompa próżniowa, K-08 - sprężarka CH4, V-09 - bufor CH4 Gaz z odmetanowania o stężeniu metanu ok. 50% zostaje podany procesowi oczyszczania z powietrza w efekcie tego otrzymuje się gaz o stężeniu metanu wynoszącym ok. 96%, który to gaz posiada parametry wymagane przez komunalne instalacje gazownicze i może być sprzedawany do sieci PGNiG. Adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA) stanowić będzie w przyszłości ważną rolę w wzbogacaniu strumieni gazowych w metan, umożliwi to jego sprzedaż a tym samym ograniczy negatywny wpływ na globalne zmiany klimatyczne i pozwoli na większe wykorzystanie. Badania instalacji w skali półtechnicznej zostały przeprowadzone w KWK Pniówek i wykazały efektywność działania.

13 13 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. 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. Idee kontrolowanego dodawania metanu z odmetanowania do powietrza wentylacyjnego doprowadzanego z szybu wentylacyjnego do instalacji spalającej mieszaninę metanowo powietrzną przedstawia rys Rys Schemat instalacji wykorzystującej metan z powietrza wentylacyjnego jako paliwo dla reaktora Przedstawiona idea została zastosowana w przemysłowej instalacji w kopalni West Cliff w Australii Oczywiście możliwe jest dodawanie gazu ziemnego do strumienia mieszaniny metanowo powietrznej doprowadzanej z szybu wentylacyjnego do reaktora, ale wtedy proces produkcyjny energii cieplnej staje się ekonomicznie mało efektywny.

14 14 Liczne prace badawczo-rozwojowe prowadzone w ostatnich latach doprowadziły do powstania wielu technologii i urządzeń, które umożliwiają wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego, jako paliwa. Jednakże podstawowym problemem jest zapewnienie mieszaniny metanowo powietrznej o koncentracji metanu co najmniej od 0.5% do 1.0%, aby urządzenia reaktory spalające metan mogły pracować ekonomicznie efektywnie. Podstawowymi urządzeniami instalacji umożliwiającej utylizację metanu z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń węgla kamiennego są: 1. urządzenia do pobierania gazów MWENT (powietrze i metan) z szybu wentylacyjnego kopalni, 2. urządzenia do transportu MWENT do reaktorów spalających metan, 3. reaktorów spalających metan z MWENT i wytwarzających spaliny zawierające głównie dwutlenek węgla oraz energię cieplną, 4. wymienników ciepła gaz woda, umożliwiających wykorzystanie energii cieplnej dla celów energetycznych np. ogrzewanie lub produkcja energii elektrycznej, 5. kominów odprowadzających spaliny do atmosfery. Na świecie prowadzone są prace badawczo rozwojowe, których celem jest stworzenie opłacalnych technologii utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń węgla kamiennego. Wśród technologii można wyróżnić: 1. cieplny reaktor przepływowo rewersyjny TFRR (VOCSIDIZER), 2. katalityczny reaktor przepływowo-rewersyjny CERR, 3. adsorpcyjne koncentratory metanu, 4. turbiny z katalitycznym spalaniem CCGT, 5. mikroturbiny gazowe na paliwo o niskiej koncentracji, 6. mikroturbiny gazowe na paliwo o niskiej koncentracji ze spalaniem katalitycznym. Po raz pierwszy Vocsidizer został zademonstrowany w 1994r. w kopalni węgla Thorseby należącej do British Coal w Wielkiej Brytanii, gdzie pracował wykorzystując m 3 /h gazu zawierającego 0,3 0,6% metanu. Od kwietnia 2007 roku przy kopalni BHP Billiton Illawarra w pełni rozpoczęła pracę elektrownia powstała w ramach projektu West Cliff Ventilation Air Methane Project (WestVAMP). Jest to pierwsza na świecie elektrownia wykorzystująca, jako paliwo powietrze wentylacyjne MWENT o niskiej zawartości metanu (rys. 8.2.). Oficjalnego otwarcia dokonał 14 września 2007 roku premier Nowej Południowej Walii Morris Iemma. Koszt instalacji wyniósł 30 mln A$ przy wsparciu Australijskiego Biura ds. Efektu Cieplarnianego (Australian Greenhouse Office) w ramach programu ograniczenia emisji gazów cieplarnianych (Greenhouse Gas Abatement Program) w kwocie 6 mln A$ Rys Elektrownia WestVAMP [3]

15 15 Do produkcji energii elektrycznej instalacja zawierająca reaktory Vocsidizer wykorzystuje m 3 /h powietrza wentylacyjnego MWENT o stężeniu metanu 0,9%. Jest to około 20% strumienia powietrza wentylacyjnego z szybu. Stężenie metanu rzędu 0,9% uzyskiwane jest przez dodatkowe zmieszanie z gazem pochodzącym z odmetanowania. Elektrownia wytwarza około 5 MW energii elektrycznej, jednocześnie ograniczając emisję metanu do atmosfery, w przeliczeniu na CO 2, wynoszącą ton rocznie. 24 września 2007 roku projekt WestVAMP zdobył główną nagrodę Australijskiego Instytutu Energetycznego (Australian Institute of Energy) Excellence Energy Award 2007 w kategorii Energia i Środowisko. Koszt oraz opłacalność zastosowania instalacji Vocsidizer zależy przede wszystkim od stężenia metanu w powietrzu wentylacyjnym, ale także od wielkości tego strumienia, sposobu wykorzystania oraz aktualnych cen uprawnień do emisji CO 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: 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, 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, 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. 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

16 16 Materiał został opracowany dla promocji Projektu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka pt. Proekologiczna utylizacja metanu z kopalń nr UDA-POIG /08-00 Literatura [1] Raporty Roczne ( ) o stanie podstawowych zagrożeń naturalnych i technicznych w górnictwie węgla kamiennego. GIG, Katowice ] Assessment of the Worldwide Market Potential for Oxidizing Coal Mine Ventilation Air Methane. United States Environmental Protection Agency, Washington [3] Technical and Economic Assessment: Mitigation of Methane Emissions from Coal Mine Ventilation Air. United States Environmental Protection Agency, Washington [4] Nawrat S. Możliwości wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń węgla. Miesięcznik WUG,Katowice nr 5/2006. [5] Moore R. Award for Illawarra Coal's world-first power plant. Illawarra Coal - Carbon Steel Materials, Australia październik [16] Marszałek J.. System bezpieczeństwa w podziemnym magazynowaniu gazu. Nowoczesne Gazownictwo 4 (IX) Warszawa [18] Schneider M. Utilization of Natural gas and Biogas in Gas engines - requirements and experiments. Materiały I Konferencji Naukowo - Technicznej Energetyka Gazowa. Szczyrk [19] Skorek J. Ocena efektywności energetycznej i ekonomicznej gazowych układów kogerencyjnych małej mocy. Gliwice [22] Utilization of special gases by Jenbacher gas engines. Materiały firmy Jenbacher AG. Austria - Jenbach. [23] Warmuziński K., Gosiewski K., Tańczyk M., Jaschik M.. Analiza możliwości utylizacji metanu z kopalń węgla kamiennego w Polsce. Polityka Energetyczna, t.6,kraków [24] USTAWA z dnia 4 lutego 1994 r. Prawo geologiczne i górnicze (Dz. U. z 2005 r. Nr 228, poz. 1947, z późn. zm.)