Projekty badawcze realizowane w Centrum Czystych Technologii Węglowych. Dr Krzysztof Kapusta Centrum Czystych Technologii Węglowych GIG

Transkrypt

1 Projekty badawcze realizowane w Centrum Czystych Technologii Węglowych Dr Krzysztof Kapusta Centrum Czystych Technologii Węglowych GIG Kraków, 10 marca 2015

2 Czyste Technologie Węglowe (CTW) Definicja Czyste Technologie Węglowe to technologie zaprojektowane w celu poprawy skuteczności wydobycia, przeróbki, przetwarzania oraz utylizacji węgla i zwiększenia akceptowalności tych procesów z punktu widzenia wpływu na środowisko naturalne. Źródło: Clean Coal Technologies. Options for future. OECD/IEA, 1993

3 Czyste Technologie Węglowe (CTW) Główne obszary Wydobycie węgla, uwzględniające zrównoważoną gospodarkę zasobami oraz przeróbkę węgla, Transport i składowanie węgla, Wykorzystanie węgla (energetyka oraz termochemiczne przetwórstwo węgla) wraz z wszelkimi działaniami zmniejszającymi wpływ wykorzystania węgla na środowisko, Zagospodarowanie pozostałości z wykorzystania węgla, czyli różnego rodzaju odpadów, a także półproduktów, nadających się do dalszego gospodarczego wykorzystania.

4 Centrum Czystych Technologii Węglowych Centrum Czystych Technologii Węglowych to innowacyjne laboratoria badawcze powstałe w ramach wspólnego przedsięwzięcia inwestycyjnego Głównego Instytutu Górnictwa (GIG) w Katowicach oraz Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla (IChPW) z Zabrza. Inwestycja została sfinansowana ze środków Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, lata , Priorytet 2. Infrastruktura sfery B+R, Działanie 2.1 Rozwój ośrodków o wysokim potencjale badawczym. Całkowity koszt realizacji Projektu: ,43 PLN Całkowite dofinansowanie Projektu: ,99 PLN w tym dofinansowanie UE: ,10 PLN

5 Centrum Czystych Technologii Węglowych Infrastruktura W ramach Projektu powstały 3 podstawowe jednostki, które tworzą wydzielone zespoły funkcjonalne: Laboratoria Badawcze w Katowicach i dwie części technologiczne - w Mikołowie i Zabrzu. Laboratoria badawcze Katowice Uroczyste otwarcie 14 maja 2013 r. Część technologiczna Mikołów Część technologiczna Zabrze Uroczysta inauguracja działalności technologicznej 25 września 2012 r.

6 Centrum Czystych Technologii Węglowych GIG Laboratoria Badawcze w Katowicach Nowo wybudowany budynek laboratoriów wyposażony w nowoczesną aparaturę naukowobadawczą, sprzęt komputerowy i specjalistyczne oprogramowanie służące do prowadzenia interdyscyplinarnych badań w zakresie: badań właściwości węgla, badań właściwości ciał stałych, cieczy i gazów, minimalizacji skutków środowiskowych, inżynierii procesowej oraz nanotechnologii, monitoringu środowiska, rozpoznania złóż węgla, kopalin towarzyszących, rozpoznania potencjału składowania CO 2, badania podstaw procesów przetwórstwa węgla.

7 Centrum Czystych Technologii Węglowych GIG Część Technologiczna w Mikołowie Prowadzi prace naukowo badawcze w zakresie perspektywicznych procesów chemicznego przetwórstwa węgla, a w szczególności: procesu podziemnego zgazowania węgla (PZW), ciśnieniowego i bezciśnieniowego, ukierunkowanych na produkcję gazów wysokokalorycznych, w tym gazu o wysokiej zawartości wodoru i metanu oraz gazu dla celów energetycznych technologii powierzchniowego, ciśnieniowego zgazowania paliw stałych oraz odpadów bezpośredniego upłynniania węgla ukierunkowanego na produkcję paliw silnikowych oraz surowców chemicznych, procesów separacji i oczyszczania gazów procesowych przy wykorzystaniu technik membranowych oraz adsorpcyjnych (PSA) wychwytu CO 2 z gazów procesowych

8 Kluczowe instalacje badawcze CCTW GIG: Reaktor bezciśnieniowy do badań procesu PZW Parametry techniczne: typ węgla: brunatny, kamienny długość złoża: do 7 m ciśnienie zgazowania: do 0.5 bar temperatura: do C nachylenie złoża: 0, 15, 30, 45 0 a) b) c)

9 Reaktor bezciśnieniowy do badań procesu PZW Przygotowanie złoża

10 Kluczowe instalacje badawcze CCTW GIG: Reaktor ciśnieniowy (50 bar) do badań procesu PZW Parametry techniczne: typ węgla: brunatny, kamienny długość złoża: do 3.5 m ciśnienie zgazowania: do 50 bar temperatura: do C nachylenie złoża: 0, 15, 30, 45 0

11 Kluczowe instalacje badawcze CCTW GIG: Zgazowanie ciśnieniowe (50 bar) techniką naziemną Parametry techniczne: wsad: węgiel, biomasa, odpady ciśnienie zgazowania: do 50 bar temperatura: do C wydajność: 10 kg wsadu/ godz.

12 Kluczowe instalacje badawcze CCTW GIG: Bezpośrednie upłynnianie (uwodornienie)węgla

13 Podziemne Zgazowanie Węgla (PZW) Podziemne zgazowanie węgla (PZW) jest to sposób eksploatacji złóż węgla polegający na zamianie węgla bezpośrednio w miejscu jego zalegania (in-situ) na gaz o składzie kwalifikującym go do przemysłowego stosowania (H 2, CO, CH 4 ) PZW nie jest technologią nową, lecz ewoluującą na przestrzeni dziesiątek lat W ostatnich latach technologa PZW przechodzi znaczącą transformację z powodu nowych rozwiązań technologicznych, prowadzonych badań oraz wymianie doświadczeń

14 ŚR. GŁĘBOKOŚĆ EKSPLOATACJI [m] Krajowe warunki geologiczno - górnicze złóż węgla kamiennego Zmiana średniej głębokości eksploatacji w kopalniach węgla kamiennego w latach Wzrost zagrożeń naturalnych Wzrost kosztów wydobycia

15 Podziemne Zgazowanie Węgla (PZW) Szanse Możliwość wykorzystania złóż, których eksploatacja tradycyjnymi metodami nie może być prowadzona lub jest nieopłacalna Możliwość wykorzystania złóż pozostałych w zlikwidowanych kopalniach Relatywnie niskie koszty technologii Produkcja wodoru i metanolu z węgla może być szansą na poprawę bezpieczeństwa energetycznego kraju produkcja surowca dla małej lokalnej energetyki o mocy MW oraz dalsze wykorzystanie rodzimych zasobów węgla Nie powoduje dużych deformacji na powierzchni, w każdym razie znacznie mniejsze, niż przy najpowszechniej prowadzonej eksploatacji z zawałem stropu

16 Światowy potencjał technologii PZW Światowe rezerwy bilansowe 860 Gt węgla Światowe zasoby całkowite Gt węgla Światowe rezerwy bilansowe węgla wynoszą obecnie ok. 860 mld ton Szacuje się, że ze względu na miejsce i głębokość występowania, prawie 95% wszystkich znanych zasobów znajduje się obecnie poza zasięgiem górnictwa konwencjonalnego Światowy potencjał technologii PZW szacuje się obecnie na około 600 mld ton węgla

17 Możliwe kierunki zagospodarowania gazu z procesu PZW Wodór Rafinerie Turbiny gazowe Ogniwa paliwowe Energetyka Cykle zintegrowane (CC) CHP Energetyka rozproszona Ciepłownie Gaz z procesu PZW Synteza chemiczna Metanol DME Amoniak i mocznik Surowce energetyczne Diesel Wodór SNG

18 Projekty Głównego Instytutu Górnictwa w obszarze rozwoju technologii PZW HUGE Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej HUGE Źródła finansowania: Fundusz Badawczy Węgla i Stali Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR) COGAR TOPS Program Ramowy Coal2Gas

19 Podziemny Poligon Doświadczalny procesu PZW Pokład Kopalnia Doświadczalna Barbara Mikołowie Szyb wentylacyjny Pola perspektywiczne dla przyszłych prób PZW (~3000 m 2 ) Transport gazu Zagospodarowanie produktów PZW HUGE HUGE2 Obszar zrealizowanych prób PZW Laboratorium powierzchniowe

20 Podziemny Poligon Doświadczalny procesu PZW Kopalnia Doświadczalna Barbara Mikołowie Rurociąg produktów Zasilanie reaktora PZW Wnętrze reaktora PZW Pochodnia

21 Przykładowe rezultaty: Próba zgazowania w ramach projektu HUGE2 (2013) Gasses concentration (% vol) I Stage II Stage Hydrogen Carbon monoxide Methane Ethane Oxygen Nitrogen Hydrogen sulfide Carbon dioxide Parametr Czynnik zgazowujący Wartość tlen Dopływ tlenu, Nm 3 /h Czas trwania, godz. 142 Produkcja gazu, Nm 3 /h 78 Total gas production rate (m 3 /h) 0, Time (h) Total volume of produced gas Nm 3. Average gas production rate Nm 3 /h. I Stage II Stage Skład gazu, %: CO 2 H 2 CH 4 CO N Wartość opałowa gazu, MJ/Nm Zużycie węgla, kg Sprawność termiczna, % Time (h)

22 Badania nad technologią PZW realizowane ze środków krajowych (NCBiR) Projekt : Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii Cel : Określenie priorytetowych kierunków rozwoju technologii węglowych oraz zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego kraju poprzez wykorzystanie produktów powstających w procesach zgazowania węgla

23 Instalacja pilotowa PZW w Kopalni Wieczorek (2014) Schemat instalacji Schemat ideowy instalacji pilotowej PZW Odbiór i oczyszczanie gazu Zasilanie 2 1 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 Część podziemna 5 23

24 Instalacja pilotowa w Kopalni Wieczorek (2014) Schemat podziemny reaktora PZW w skale płonnej w węglu pokładu chodnik badawczy dla udostępnienia georeaktora 2,5 m otwory badawcze 5,5 m pokład 501 w skale płonnej ok...20m połączone otwory badawcze o średnicy 200 mm wykonane w kształcie litery V przekop wentylacyjny poz.400 m c hodnik badawczy chodnik badawczy 30 m węgiel pokładu 501

25 Instalacja pilotowa w Kopalni Wieczorek (2014) Chodnik badawczy Wydrążono chodnik badawczy o długości 72 metry. Na odcinku przewidzianym do zalania wodą (na długości 50 metrów) za pomocą spoiwa mineralnego wykonano izolację ociosów wyrobiska.

26 Instalacja pilotowa w Kopalni Wieczorek (2014) Wiercenie otworów technologicznych reaktora

27 Instalacja pilotowa w Kopalni Wieczorek (2014) Powierzchniowa instalacja odbioru i oczyszczania gazu

28 Próba pilotowa w Kopalni Wieczorek (2014) Rezultaty Średnie parametry technologiczne trwającego 53 dni procesu przedstawiają się następująco: Wartość opałowa gazu: 3,5 5,0 MJ/m 3 Temperatura gazu na wylocie z georeaktora ok O C Prędkość zgazowania węgla ok. 200 kg/godz. Wydatek gazu procesowego ok m 3 /godz. Efektywność zgazowania - ok m 3 /tonę węgla W ciągu 53 dni trwania eksperymentu, zgazowano około 250 ton węgla i wytworzono około m 3 gazu

29 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ