BADANIA INSTALACJI UTYLIZACJI METANU Z KOPALŃ IUMK-100 W JASTRZĘBSKIEJ SPÓŁCE WĘGLOWEJ S.A. W KOPALNI JAS-MOS

Transkrypt

1 GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2012 Tom 7 Zeszyt 4 Stanisław NAWRAT, Sebastian NAPIERAJ AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Górnictwa Podziemnego, al. A. Mickiewicza 30, Kraków BADANIA INSTALACJI UTYLIZACJI METANU Z KOPALŃ IUMK-100 W JASTRZĘBSKIEJ SPÓŁCE WĘGLOWEJ S.A. W KOPALNI JAS-MOS Streszczenie. W kopalniach metan (CBM, ang. Coal Bed Methane) towarzyszący eksploatacji kopaliny podstawowej węgla kamiennego i nieujęty przez odmetanowanie w większej części wydziela się do powietrza wentylacyjnego, tworząc mieszaniny metanowopowietrzne (VAM, ang. Ventilation Air Methane) o różnej koncentracji metanu. Wykorzystanie metanu z pokładów węgla jest bardzo ważne z przyczyn gospodarczych i ekologicznych. W Polsce prowadzone są badania dotyczące gospodarczego wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń do produkcji energii elektrycznej i cieplnej, jednakże występuje wiele barier techniczno-technologicznych oraz ekonomicznych, znacząco utrudniających rozwijanie technologii gospodarczego wykorzystania takiego paliwa. Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Politechnika Wrocławska we Wrocławiu i Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie utworzyły Konsorcjum Utylizacji Metanu z Pokładów Węgla. Celem działalności Konsorcjum jest badanie nowoczesnych technologii umożliwiających utlenianie metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń. Konsorcjum realizuje projekt Proekologiczna technologia utylizacji metanu z kopalń. W artykule przedstawiono wykonane instalacje utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego w skali laboratoryjnej (o symbolu IUMK-1) i półtechnicznej (o symbolu IUMK-100). Przedstawiono wykonane badania pracy instalacji badawczej utylizacji metanu z kopalń, o symbolu IUMK-100, przeprowadzone przy szybie VI KWK Jas-Mos, należącej do Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. RESEARCH OF INSTALLATION OF METHANE UTILIZATION FROM MINES IUMK-100 IN JSW CAPITAL GROUP IN COAL MINE JAS-MOS Summary. The Coal Bed Methane accompanying the extraction of the primary mineral - coal and not captured by drainage for the greater part is excreted in the form of air-methane mixture VAM with different contents of methane. The use of methane from coal seams is very important from an economic and ecological reason. In Poland work is conducted recognizing the economic problem of the use of methane from VAM to produce electricity and heat, but there are a number of technical, technological and economic barriers to development the technology of use such fuel. To meet the challenges of methane emissions from coal mines into the atmosphere, AGH University of Science and Technology in Cracow,

2 48 S. Nawrat, S. Napieraj Wroclaw University of Technology and University of Maria Curie Sklodowska formed 25th of June Consortium Utilization of coal Bed Methane from Underground Mines. The goal of the Consortium is targeting the development of new technologies to enable the oxidation of methane from VAM. The consortium implementing the project Proecological technology of Methane Utilization from Mines. The paper presents made installation for VAM utilization in the laboratory-scale IUMK-1 and pilot-scale IUMK-100. Presented research conducted in coal mine Jas-Mos belonging to JSW using pilot scale installation IUMK Wstęp Każdego roku do atmosfery z powietrzem wentylacyjnym kopalń w Polsce emitowanych jest ok. 600 mln m 3 metanu o wartości opałowej 2,1 * 10 8 GJ i wartości ekonomicznej ok. 1,2 mld PLN (podana ilość gazu pokryłaby zapotrzebowanie na ogrzewanie ok. 300 tys. gospodarstw domowych). Metan jest także gazem cieplarnianym. W związku z problemem emisji metanu do atmosfery (Polska zajmuje szóste miejsce na świecie w globalnej emisji metanu towarzyszącej wydobyciu węgla) Akademia Górniczo- Hutnicza, Politechnika Wrocławska i Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie utworzyły Konsorcjum Utylizacji Metanu z Pokładów Węgla, które realizuje projekt pt. Proekologiczna technologia utylizacji metanu z kopalń, wykonywany w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, działanie , zarejestrowanego pod numerem: POIG /08. W polskim oraz w światowym górnictwie największymi problemami są utylizacja i gospodarcze wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń, gdzie ze względów bezpieczeństwa koncentracja metanu w powietrzu wentylacyjnym w szybach jest relatywnie niska, np. w Polsce wynosi 0,75%. Na świecie prowadzone są także intensywne prace badawczo rozwojowe, które doprowadziły do opracowania technologii i urządzeń, pozwalających przeprowadzać proces spalania mieszanin metanowo-powietrznych o koncentracji metanu poniżej 2%. W Polsce prowadzone są prace badawcze dotyczące gospodarczego wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń do produkcji energii elektrycznej i cieplnej, jednakże występuje wiele barier techniczno-technologicznych oraz ekonomicznych, znacząco utrudniających rozwijanie technologii gospodarczego wykorzystania takiego paliwa. Od wielu lat są również w Polsce prowadzone są analizy i badania: - w Akademii Górniczo-Hutniczej w zakresie odmetanowania pokładów węgla oraz utylizacji metanu z odmetanowania i powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń,

3 Badania instalacji utylizacji metanu z kopalń na Politechnice Wrocławskiej i Uniwersytecie Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie w zakresie katalitycznego utleniania węglowodorów, w tym metanu. Stan zaawansowania prac w wymienionych uczelniach umożliwił podjęcie badań, które pozwoliły zbudować urządzenia do utylizacji metanu z pokładów węgla, w tym z powietrza wentylacyjnego kopalń. W ramach realizowanego projektu pt. Proekologiczna technologia utylizacji metanu z kopalń wykonano instalację w skali laboratoryjnej o symbolu IUMK-1 (Instalacja Utylizacji Metanu z Kopalń o mocy cieplnej 1 kw), pozwalającą utylizować metan z powietrza wentylacyjnego kopalń, która znajduje się w laboratorium Wydziału Chemii Politechniki Wrocławskiej, oraz instalację w skali półtechnicznej o symbolu IUMK-100 (Instalacja Utylizacji Metanu z Kopalń o mocy cieplnej 100 kw), zainstalowaną w kopalni Jas-Mos prototypową instalację badawczą ujmującą gazy z systemu wentylacji kopalni, która dzięki katalitycznemu reaktorowi i wymiennikom ciepła pozwala na utylizację metanu zawartego powietrzu wentylacyjnym kopalni i na produkcję ciepła. 2. Metanowość kopalń węgla kamiennego W polskich kopalniach węgla kamiennego metanowość bezwzględna od 2001 roku systematycznie rośnie mimo zmniejszania się liczby kopalń oraz wydobycia węgla. Metanowość bezwzględna polskich kopalń węgla kamiennego jest bardzo wysoka i w 2011 roku wynosiła 828,8 mln m 3 CH 4, przy czym podziemnym odmetanowaniem ujęto ok. 250,2 mln m 3 CH 4, a z powietrzem wentylacyjnym z kopalń do atmosfery było odprowadzanych 662,5 mln m 3 CH 4 [1]. Metanowość wentylacyjna, odmetanowanie oraz metanowość bezwzględna polskich kopalń węgla kamiennego w latach zostały przedstawione na rys. 2.1 [1].

4 50 S. Nawrat, S. Napieraj Rys Metanowość kopalń węgla kamiennego w latach [1] Fig Methane emission from polish coal mines from 2001 to Projekt utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń Celem projektu jest opracowanie dokumentacji techniczno-technologicznej instalacji do utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń. W związku z dużą wagą ekonomiczną i ekologiczną gospodarczego wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego polskich kopalń węgla kamiennego, a także ze względu na prowadzone badania i doświadczenia na świecie należy uznać za zasadne podjęcie działań związanych z realizacją projektu Proekologiczna technologia utylizacji metanu z kopalń węgla Badania utylizacji metanu w skali laboratoryjnej W trakcie realizacji projektu w celu zbadania podstawowych założeń dotyczących katalitycznego utleniania metanu o koncentracji poniżej 1% wykonano instalację laboratoryjną oznaczoną symbolem IUMK-1, pozwalającą utylizować metan z powietrza wentylacyjnego kopalń. Utlenianie metanu w IUMK-1 zachodzi przy temperaturze złoża od 350 do 600 C i koncentracji metanu w powietrzu wynoszącej 0,4-1,0%. Sprawność chemiczna utleniania metanu wynosiła 97%.

5 Badania instalacji utylizacji metanu z kopalń W instalacji, w celu odbioru ciepła z gazów wylotowych, został zaprojektowany i zabudowany wymiennik ciepła o mocy cieplnej 1 kw. Parametry instalacji laboratoryjnej IUMK-1 (rys. 3.1) to: strumień powietrza Vp = m 3 /h, koncentracja metanu w powietrzu z CH4 = 0,4-1,0 %, wartość opałowa mieszaniny metanowo-powietrznej Wd = 0,14-0,35 MJ/m 3, strumień metanu V CH4 = 0,08-0,2 m 3 /h, energia cieplna Q = 1,4-3,5 MJ/h, moc cieplna użyteczna P = 0,45-0,97 kw. W wyniku badań utleniania metanu w laboratoryjnym reaktorze i wymienniku ciepła dla różnych parametrów podawanego paliwa opracowano dokumentację technicznotechnologiczną Instalacji Utylizacji Metanu z Powietrza Wentylacyjnego Kopalń Węgla Kamiennego IUMK-1. Przedmiotowa dokumentacja była podstawą do wykonania projektu instalacji w skali półtechnicznej o symbolu IUMK-100. Rys Instalacja laboratoryjna o symbolu IUMK-1 Fig Laboratory installation the symbol IUMK-1 Przeprowadzone badania potwierdziły, że instalacja laboratoryjna wykazała poprawność działania i prawidłowość przyjętych założeń dla katalizatorów metalicznych i ceramicznych oraz dla określonej wielkości produkcji ciepła. Instalacja IUMK-1 znajduje się w laboratorium Wydziału Chemii Politechniki Wrocławskiej.

6 52 S. Nawrat, S. Napieraj 3.2. Badania utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń w skali półtechnicznej W wyniku współpracy i uzgodnień Akademii Górniczo-Hutniczej z Jastrzębską Spółką Węglową S.A. próby badania pracy instalacji IUMK-100 przeprowadzono w rejonie szybu VI w KWK Jas-Mos, należącej do Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. W kopalni Jas-Mos w szybie wentylacyjnym VI stężenie metanu w powietrzu wentylacyjnym waha się od 0,04% do 0,2%. Minimalny wydatek metanu w powietrzu wentylacyjnym wynosił 4,75 m 3 /min, maksymalny 12 m 3 /min. Powietrze wentylacyjne wykorzystywane w instalacji utylizacji metanu pobierane jest z dyfuzora przy szybie wydechowym Jas VI kopalni Jas-Mos bez ingerencji w urządzenia przewietrzania kopalni. Powietrze w ilości m 3 /h (16-58 m 3 /min) za pomocą lutni elastycznej ssąco-tłoczącej przesyłane jest do dalszej części instalacji. Powietrze pobrane z dyfuzora trafia do wentylatora promieniowego, następnie w filtrze jest oczyszczane z zanieczyszczeń pyłowych. Po oczyszczeniu trafia do mieszalnika gazów, gdzie następuje ustalenie odpowiedniej koncentracji metanu przez dodanie strumienia metanu z odmetanowania. Następnie metan zawarty w powietrzu jest utleniany w reaktorze w obecności katalizatora w celu odzyskania ciepła z reaktora do wykorzystania energetycznego (rys. 3.2). Rys Schemat instalacji pozyskania i utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego Fig Schematic of installation of methane utilization from VAM

7 Badania instalacji utylizacji metanu z kopalń Instalacja półtechniczna IUMK-100 (rys. 3.4) ma następujące parametry: strumień powietrza V VAM = m 3 /h koncentracja metanu w powietrzu z CH4 = 0,4-1,0% strumień metanu V CH4 = 4,0-12 m 3 /h energia cieplna Q = MJ/h moc cieplna użyteczna P = kw Badania pracy instalacji IUMK-100 utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń były przeprowadzane w czasie od r. do r. Wyniki przeprowadzonych badań potwierdziły możliwość efektywnego energetycznie i autotermicznego (bez dodawania energii z zewnątrz) bezpłomieniowego utleniania metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń o stężeniu od 0,5% do 0,7%. Przykładowe wyniki przeprowadzonych badań (za okres r. wydatek powietrza to 3000 m 3 /min) zostały przedstawione na rys Na rys. 3.5 przedstawiono lokalizację instalacji w odniesieniu do istniejących obiektów kopalni, takich jak szyb, stacja odmetanowania, stacja wentylatorów. Rys Przykładowe wyniki badań pracy instalacji IUMK-100 za okres r. Fig Sample tests results of research installation IUMK-100 between June 2012

8 54 S. Nawrat, S. Napieraj Badania pracy instalacji IUMK-100 w okresie od r. do r. były przeprowadzane dla strumienia gazu o wydatku od 1000 m 3 /min do 3500 m 3 /min oraz stężenia metanu od 0,5 do 0,7%. W celu rozpoczęcia reakcji utleniania metanu z powietrza wentylacyjnego kopalni o stężeniach poniżej 1% w obecności katalizatora, niezbędne jest ogrzanie powietrza wentylacyjnego do temperatury ok. 280 C. W tym celu w instalacji badawczej IUMK-100 zabudowano nagrzewnice elektryczne, które były używane przy rozruchu instalacji, a po ustaleniu parametrów jej pracy wyłączane. Okres rozruchu instalacji wynosi ok. 2 godzin. Dla prezentowanego okresu badań, tj r., instalacja IUMK-100: - zużyła: 283 kwh energii do pracy nagrzewnic, 1560 kwh energii do pracy wentylatora, - wyprodukowała: 7233 kwh energii cieplnej (26 GJ), - zutylizowała: 2772 m 3 metanu, co odpowiada utylizacji 35,41 Mg ekwiwalentu CO 2e. Rys Lokalizacja instalacji utylizacji metanu IUMK-100 przy szybie Jas VI w KWK Jas-Mos Fig Localization of methane utilization installation IUMK-100 in coal mine Jas-Mos, shaft No. VI Opis: 1 stacja odmetanowania, 2 przyłącze gazu z odmetanowania, 3 rurociąg odmetanowania, 4 dyfuzor, 5 lutniociąg pobierający gaz z szybu, 6 filtr przeciwpyłowy, 7 wentylator, 8 mieszalnik gazów, 9 lutniociąg buforowy, 10 komin, 11 instalacja utylizacji metanu, 12 przyłącze instalacji c.o., 13 budynek stacji wentylatorów głównych, 14 nagrzewnice powietrza, 15 droga, 16 szyb kopalniany, 17 rurociąg c.o., 18 zasilanie elektryczne

9 Badania instalacji utylizacji metanu z kopalń Reaktor Mieszalnik gazów Element systemu bezpieczeństwa Lutnia Rys Instalacja utylizacji metanu o symbolu IUMK-100 przy szybie Jas VI w KWK Jas-Mos Fig Installation of methane utilization IUMK-100 in coal mine Jas-Mos shaft No. VI 4. Wnioski Przedstawiony materiał pozwala sformułować następujące stwierdzenia i wnioski: 1. Metanowość bezwzględna polskich kopalń węgla kamiennego jest bardzo wysoka i w 2011 roku wyniosła 828,8 mln m 3 CH 4, przy czym podziemnym odmetanowaniem ujęto ok. 250,2 mln m 3 CH 4, a z powietrzem wentylacyjnym z kopalń zostało odprowadzanych do atmosfery 662,5 mln m 3 CH Emisja przez kopalnie 662,5 mln m 3 CH 4 rocznie z powietrzem wentylacyjnym do atmosfery powoduje powstanie efektu cieplarnianego, jest także powodem ponoszenia przez kopalnie opłat za korzystanie ze środowiska. 3. Istnieją możliwości techniczno-technologiczne utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń. 4. W Polsce, przez Konsorcjum Utylizacji Metanu z Kopalń, w skład którego wchodzą Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie lider projektu, Politechnika Wrocławska, Uniwersytet Marii Curie Skłodowskiej w Lublinie, realizowany jest projekt pt. Proekologiczna technologia utylizacji metanu kopalń, finansowany w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. 5. Dalszy postęp w utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń i w ograniczeniu emisji metanu do atmosfery jest możliwy pod warunkiem:

10 56 S. Nawrat, S. Napieraj - zwiększenia inwestycji w dziedzinie pełnego gospodarczego wykorzystania metanu jako paliwa niskometanowego w instalacjach ciepłowniczo-energetycznych, - utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń, - wprowadzenia handlu emisjami gazu niskometanowego, odprowadzanego z powietrzem w procesach przewietrzania kopalń węgla kamiennego, - prawnego uznania metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń jako paliwa do instalacji energetycznych, w których produkcja energii będzie dotowana przez państwo. 6. 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 względu na dużą efektywność ekonomiczną. 7. Obecnie wykorzystanie bardzo rozrzedzonego metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń jest trudne technologicznie (w Polsce zawartości metanu w powietrzu wentylacyjnym kopalń wynoszą od 0,0% do 0,75% średnio 0,3%). 8. Instalacja badawcza utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń, o symbolu IUMK-100 pracowała przy szybie VI KWK Jas-Mos w czasie od r. do r., a badania potwierdziły poprawność jej działania. 9. W trakcie przeprowadzonych badań zostało zutylizowanych 24,571 m 3 CH 4 (z odmetanowania 17,954 m 3 CH 4 i z powietrza wentylacyjnego 6,617 m 3 CH 4 ), co odpowiada utylizacji 313,89 Mg CO 2e o wartości rynkowej ok. 12,5 tys. zł. 10. Instalacja IUMK-100 podczas przeprowadzenia badań w KWK Jas-Mos wyprodukowała 146 GJ energii cieplnej, która została zużyta do ogrzewania budynku wentylatorów głównych kopalni. 11. Instalacja IUMK-100 pracowała autotermicznie, utleniając metan o stężeniu od 0,5% do 0,7% z mieszaniny metanowo-powietrznej bez dodawania energii z zewnątrz (nagrzewnice były używane tylko podczas uruchamiania instalacji). 12. Obliczenia bilansowe potwierdzają samowystarczalność energetyczną (autotermiczność) analizowanej instalacji. 13. Konieczne jest opracowanie odpowiedniego modelu wentylacyjnego i gazowego kopalni, który pozwalałby na zapewnienie bezpiecznych warunków eksploatacji oraz umożliwiał efektywne odmetanowanie i odprowadzanie metanu do wybranego szybu wentylacyjnego (metanowego), w którym stężenie metanu byłoby utrzymywane na poziomie 0,5 do 1%

11 Badania instalacji utylizacji metanu z kopalń przez dłuższy czas, umożliwiający zainstalowanie i ekonomiczne wykorzystanie instalacji energetycznej wykorzystującej metan z powietrza wentylacyjnego. 14. Konsorcjum do końca bieżącego roku opracuje projekt instalacji przemysłowej IUMK o mocy cieplnej 1 MW, która będzie umożliwiała także produkcję energii elektrycznej. BIBLIOGRAFIA 1. Raporty roczne ( ) o stanie podstawowych zagrożeń naturalnych i technicznych w górnictwie węgla kamiennego. GIG, Katowice Nawrat S.: Możliwości wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń węgla. Miesięcznik WUG, nr 5, Abstract The Coal Bed Methane accompanying the extraction of the primary mineral - coal and not captured by drainage for the greater part is excreted in the form of air-methane mixture VAM with different contents of methane. The use of methane from coal seams is very important from an economic and ecological reason. In Poland work is conducted recognizing the economic problem of the use of methane from VAM to produce electricity and heat, but there are a number of technical, technological and economic barriers to development the technology of use such fuel. To meet the challenges of methane emissions from coal mines into the atmosphere, AGH University of Science and Technology in Cracow, Wroclaw University of Technology and University of Maria Curie Sklodowska formed 25 June 2008r. Consortium Utilization of coal Bed Methane from Underground Mines. The goal of the Consortium is targeting the development of new technologies to enable the oxidation of methane from VAM. The consortium implementing the project Proecological technology of Methane Utilization from Mines. The paper presents made installation for VAM utilization in the laboratory-scale IUMK-1 and pilot-scale IUMK-100. Presented research conducted in coal mine Jas-Mos belonging to JSW using pilot scale installation IUMK-100. Badania finansowano z programu Innowacyjna Gospodarka , Działanie 1.3 PO IG, Poddziałanie 1.3.1, Projekt Nr POIG /08. Projekt jest współfinansowany przez Unię Europejską.