Archives of Mining Sciences 50, Issue 2 (2005)

Transkrypt

1 Archives of Mining Sciences 50, Issue 2 (2005) JURIJ WASIUCZKOW*, ANDRZEJ GONET**, JAKUB SIEMEK** GÓRNICTWO WĘGLA KAMIENNEGO W ROSJI HARD COAL MINING INDUSTRY IN RUSSIA Zasoby węgla na świecie są nadal znaczne i w przyszłej polityce energetycznej będą odgrywały ważną rolę, pomimo swych niektórych niekorzystnych cech. Rosja należy do największych potentatów na świecie w zakresie wydobywania i zużywania pierwotnych nośników energii. W podziemnej eksploatacji złóż węgla stosuje się klasyczną i pracochłonną metodę robót górniczych. W Rosji przy wykorzystaniu zmechanizowanych zespołów na wydobycie 1 Mg węgla przypada 1,2 Mg metalu w postaci różnych konstrukcji i maszyn. Nie najlepiej dba się też o bezpieczeństwo pracy górników pod ziemią oraz o środowisko naturalne. Globalny udział górnictwa węgla kamiennego w ociepleniu planety ocenia się na poziomie 8-12 % jako skutek emisji metanu do atmosfery. Lokalizacja na powierzchni skały płonej w ilości % w stosunku do masy wydobytego węgla, sieć wyrobisk górniczych i warunki hydrogeologiczne rejonu wydobywania węgla znacząco zmieniają naturalny krajobraz. Przy spalaniu 1 Mg węgla wprowadza się do atmosfery do 250 kg cząstek mineralnych i około kg zasiarczonego gazu (przy zawartości siarczków węgla do 2%). W istniejących warunkach konieczne są nowe technologie, technicznie efektywniejsze i zapewniające minimalne zanieczyszczenie środowiska naturalnego. Przyszłościowym kierunkiem rozwiązania wielu problemów kopalń są techniki i technologie otworowe. Aktualnie, metody te są stosowane do wiercenia otworów o różnym przeznaczeniu technologicznym, a także do odmetanowania pokładów węglowych. W Rosji opracowano dwa scenariusze eksploatacji gazowych złóż węgla metodą otworowa; a mianowicie z otrzymywaniem stałego produktu mineralnego na powierzchni i z otrzymywaniem paliwa gazowego. Aktualnie rozważa się możliwość korzystnego, z technologicznego i ekonomicznego punktu widzenia, wariantu budowy węglowo-gazowego generatora energii elektrycznej, który składa się z czterech podstawowych bloków (rys. 1) to jest: bloku podziemnej gazyfikacji węgla, bloku drenażu metanu, bloku przygotowania do gazyfikacji i drenażu metanu, bloku prac wiertniczych. * MOSCOW STATE MINING UNIVERSITY, RUSSIA ** WYDZIAŁ WIERTNICTWA, NAFTY I GAZU, AKADEMIA GÓR NI CZO-HUT NI CZA, AL. MIC KIE WI CZA 30, KRA- KÓW, PO LAND

2 228 Szacunkowe porównanie techniczno-ekonomicznych wskaźników projektowych eksploatacji otworowej do produkcji energii elektrycznej z tradycyjnym sposobem wskazuje, że jego zastosowanie w praktyce mogłoby 3 do 4 razy podwyższyć efektywność wykorzystania energii użytecznej paliwa węglowego i obniżyć koszt produkcji energii elektrycznej 1,5 do 2,2 razy. Słowa kluczowe: górnictwo, węgiel kamienny, węglowo-gazowy generator Hard coal reserves are still considerable in size, therefore despite some of its unfavourable properties, coal will certainly play an important role in the future power policy. Russia belongs to the greatest producers and consumers of primary energy sources. Underground exploitation of coal beds is based on labour-consuming mining works. It has been assessed that in Russia, the extraction of 1 Mg of coal is accompanied by 1.2 Mg metal consumption (all kinds of systems and devices). Other aspects that still need major improvement is the work safety of the miners and environmental protection. Generally, coal has a negative share (ca. 8 to 12%) in the warming up effect. The gangue on surface (constituting about 20 to 25% of the extracted coal mass), old workings, and hydrogeological conditions in the mining areas considerably change the natural landscape. The combustion of 1 Mg of coal is accompanied by an emission of 250 kg mineral particles to the atmosphere and ca. 20 to 25 kg of gas with sulphur content (up to 2% of carbon sulfides). The existing conditions necessitate new, more efficient technologies that would minimize the environmental impact. Borehole techniques and technologies create a good perspective for solving problems encountered by mines. These methods are presently applied for drilling boreholes of different technological destination, and for methane removal. Two scenarios of coalbed methane extraction with the borehole method were elaborated in Russia. In the first of them solid mineral is produced, whereas in the other one gas fuel. At a preliminary stage of working out economically and technologically feasible solutions, a construction of a coal-gas electric energy generator is considered; It consists of four basic blocks (Fig. 1), i.e. underground coal gasification block; methane drainage block; pre-gasification and pre-drainage block; drilling works block. The comparison of technical-economic design indices of borehole extraction for electric energy generation and the traditional methods shows that the application of the former is expected to increase the utilization level of useful energy encapsulated in coal fuel ca. 3 to 4 times, and also lower the cost of electric energy by 1.5 to 2.2 times. Keywords: mining industry, hard coal, coal-gas generator 1. Wprowadzenie Udział paliwa stałego w światowym wykorzystaniu energii pierwotnej wynosi nie mniej niż 30%, a obecnie wydobywa się ok. 4,5 miliarda Mg węgla w tym 65% z wykorzystaniem technologii podziemnej eksploatacji. Należy zaznaczyć, że 85% wydobywanego węgla kamiennego i praktycznie 100% wydobywanego węgla brunatnego wykorzystuje się w celach energetycznych. Zasoby węgla posiada ponad 50 krajów świata i znacznie przewyższają one udokumentowane zasoby ropy naftowej i gazu.

3 Surowce energetyczne w Rosji Rosja jest jednym z bogatszych krajów pod względem zasobów węgla. Według różnych prognoz zapotrzebowania na węgiel, można sądzić, że posiadane zasoby węgla wystarczą na około 300 lat. Największymi w świecie potentatami w zakresie wydobywania i zużywania pierwotnych źródeł zasobów energetycznych są kraje zrzeszone w wspólnocie gospodarczej Rosja, Ukraina i Kazachstan, na które przypada około 19% całego światowego zużycia będących w dyspozycji zasobów energetycznych, w odniesieniu do węgla ten wskaźnik wynosi 16%. Zgodnie z prognozami, światowe wydobycie i użytkowanie węgla kamiennego w 2010 r. wyniesie odpowiednio 3000 do 3400 Mt i 2600 do 2950 Mt. W okresie najbliższego 20-lecia nastąpi zwiększenie wydobycia pierwotnych nośników energii o ok. 800 Mtoe, w tym węgla kamiennego o 200 Mtoe. Obecnie, całkowite zużycie nośników energii w świecie oscyluje wokół liczby Mtoe. Podstawy elektroenergetyki w perspektywie najbliższego dwudziestolecia będą stanowiły elektrownie wykorzystujące paliwo organiczne (70-75%). W ponad połowie elektrowni paliwowych stosuje się ropę naftową i gaz ziemny, a nakłady na poszukiwanie i zagospodarowanie nowych złóż z roku na rok rosną i w przyszłości tempo tego wzrostu będzie się zwiększało. Warunki eksploatacji w przedsiębiorstwach poszukiwania ropy naftowej i gazu w krajach wspólnoty gospodarczej powstałych po rozpadzie ZSRR, a także ich baza zasobowa nie pozwalają w najbliższym czasie na zwiększenie produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem mazutu i gazu ziemnego. Dlatego w długoterminowej prognozie, zwiększenie produkcji energii elektrycznej niezbędne dla zapewnienia pokrycia wzrastającego zapotrzebowania, będzie możliwe w oparciu o paliwo stałe i energetykę jądrową. Rozwój energetyki jądrowej wymaga jednoznacznego rozwiązania problemów bezpieczeństwa w zakresie przechowywania odpadów paliwa jądrowego. Prowadzi to do znacznych, a w niektórych przypadkach do bardzo wysokich nakładów na ochronę środowiska przy wykorzystaniu energetyki jądrowej do produkcji energii elektrycznej. Dlatego opracowanie technologii produkcji energii cieplnej i elektrycznej w oparciu o nietradycyjne (otworowe) metody pozyskiwania nośników energii jest ciągle aktualne. 3. Technologie eksploatacji węgla Tradycyjna technologia podziemnej eksploatacji złóż węgla obarczona jest poważnymi niedomogami niskim stopniem pożytecznego wykorzystania węgla (wykorzystuje się nie więcej niż 8-15% ciepła wytwarzanego przy spalaniu węgla, pozostałą część stanowią straty), ponadto wydobywane są duże ilości skały płonej ( w Rosji ta wielkość wynosi średnio ok. 20,5%), wielkie nakłady materialne na wydobycie, transport i przeróbkę węgla, a także liczne zagrożenia (Bradecki i Dubiński, 2004).

4 230 Z ekologicznego punktu widzenia stosowanie stałych, organicznych, paliw do produkcji energii elektrycznej ma negatywny wpływ na środowisko naturalne. Przy spalaniu 1Mg węgla wprowadza się do atmosfery do 250 kg cząstek mineralnych i około kg zasiarczonego gazu (przy zawartości siarczków węgla do 2%). Te emisje rozsiewane są na dużych obszarach i powoli neutralizowane w naturalnym środowisku. W istniejących warunkach konieczne są nowe technologie, technicznie sprawniejsze, zapewniające minimalne zanieczyszczenie naturalnego środowiska. Do takich technologii należy podziemna gazyfikacja złóż węgla jest to proces spalania węgla w miejscu jego zalegania. Polega ona na otrzymaniu palnych gazów w wyniku zatłaczania do pokładu powietrza i w kolejności wykorzystywania go jako paliwa gazowego do produkcji energii elektrycznej (Kreinin, 1982). Podziemna gazyfikacja węgla jako metoda fizyczno-chemicznego, fazowego przetwarzania węgla w gaz palny bezpośrednio w miejscu zalegania (in situ) została wykorzystana w b. ZSRR w 1933 r. Zagadnienia wykorzystania technologii podziemnego zgazowania węgla w praktyce są priorytetowo traktowane w nauce rosyjskiej. Podziemne zgazowanie węgla jest technologią wykorzystującą podziemne spalanie węgla w miejscu jego zalegania, także tego pozostawionego w złożu po tradycyjnym sposobie jego eksploatacji. Proces spalania jest podtrzymywany poprzez tlen tłoczony do pokładu węgla (Wasiuczkow, 1989). Doprowadzany na powierzchnię gaz używany jest do zagospodarowania lokalnego (spalanie w kotłowniach gorąca woda, produkcja energii elektrycznej oraz jako surowiec chemiczny). Istota podziemnej eksploatacji złóż węgla opiera się o pracochłonną metodę robót górniczych przy relatywnie wysokich nakładach. W różnych krajach wydobywających węgiel ta pracochłonność waha się od 0,01 do 0,1 a nawet do 0,5 człowieko-zmianę/mg wydobywanego węgla. Podstawowa część nakładów przypada na wydobycie węgla z wyrobisk ścianowych. Cechą szczególną tradycyjnych metod eksploatacji podziemnej węgla jest duża materiałochłonność robót górniczych. Przy wykorzystaniu współczesnych zmechanizowanych zespołów na wydobycie 1 Mg węgla/dobę, w Rosji pracuje 1,2 Mg metalu w postaci skomplikowanych konstrukcji i maszyn. Stopień wydobycia węgla ze złoża waha się w szerokich przedziałach i wynosi od 50 do 70%. Pracochłonność pracy górnika jest także wysoka; według danych Komisji Ekonomicznej ONZ jeszcze w 1995 roku koszt wydobycia węgla w krajach przemysłowo rozwiniętych (Australia, USA, Niemcy) wahał się w przedziale tys. USD na człowieka w ciągu roku. Cena jednostki masy węgla na rynku światowym jest niższa od ceny ropy naftowej 2,5 do 5 razy. Przy tym należy dodać, że węgiel nie przegrywa zdecydowanie z ropą naftową pod względem wartości ciepła spalania lub wartości opałowej. Wartość opałowa ropy naftowej jest tylko o 37% wyższa od wartości opałowej węgla kamiennego (46 do 33,5 GJ/Mg). Ponadto rozwojowi przedsiębiorstw górniczych i inwestowaniu w przemysł wydobywczy na współczesnym etapie nie sprzyjają ceny na paliwa. Szacuje się, że 1 GJ energii z ropy naftowej na rynku światowym kosztuje 2 3 razy więcej niż

5 231 z węgla. Jednakże tutaj doceniania jest wygoda w transporcie, możliwość wykorzystywania produktów chemicznej przeróbki ropy naftowej oraz aspekt ekologiczny. Trzeba wziąć pod uwagę znaczne ryzyko pracy górnika pod ziemią. Do chwili obecnej w Rosji są kopalnie, w których czas wychodzenia górnika na powierzchnię w procesie awarii znacznie przewyższa gwarantowany bezpieczny czas działania osobistego wyposażenia. Dodatkowo przedsiębiorstwa górnicze mają negatywny wpływ na ekologię. Wiadomo, że emitowany w powietrze metan jest drugim, po dwutlenku węgla gazem który powoduje i zwiększa efekt cieplarniany. Globalna emisja metanu do atmosfery wynosi obecnie ok. 600 Mt/rok. Udział górnictwa węglowego w emisji szacuje się jako 8-12%, przy ogólnym udziale wszystkich źródeł metanu na poziomie 20-26%. Składowanie na powierzchni skały płonej (20-26% liczonej w stosunku do masy wydobytego węgla) i sieć wyrobisk górniczych znacząco zmieniają naturalny krajobraz i warunki hydrogeologiczne rejonu wydobywania węgla. Te negatywne cechy górnictwa węglowego zmuszają do szukania nowych technologicznych rozwiązań do eksploatacji pokładów węglowych. 4. Metody otworowe w górnictwie węglowym Przyszłościowym sposobem rozwiązania wielu problemów przedsiębiorstw i firm górniczych są metody otworowe. Obecnie metody te stosowane są do następujących celów: degazacji pokładów węglowych i całych złóż, wiercenia otworów technologicznych w celu transportu do kopalni materiałów i energii, a także w celu wykonania podsadzki, prowadzenia wentylacji wyrobisk górniczych i odwodnienia złoża. Realizuje się także prace doświadczalne w zakresie wydobywania metanu węglowego i otrzymania z niego energii elektrycznej, paliwa do napędu samochodów, czy zaopatrywania w paliwo kotłów. Te prace stanowią nieciągły proces i są wykonywane na małą skalę. W przedsiębiorstwie Minerał i Moskiewskim Górniczo-Geologicznym Uniwersytecie opracowano nową koncepcję niekonwencjonalnej technologii eksploatacji gazonośnych pokładów węglowych (Wasiuczkow, 1997). Zgodnie z tą koncepcją gazowe złoża węglowe mogą być eksploatowane metodą otworową. Opracowano dwa scenariusze wykorzystania metody otworowej z otrzymywaniem stałego produktu mineralnego na powierzchni i z otrzymywaniem paliwa gazowego. Scenariusz z otrzymywaniem na powierzchni paliwa gazowego z podziemnego spalania węgla i wydobywanie metanu z pokładów węgla może być obecnie bardziej korzystny, zarówno z technologicznego jak i ekonomicznego punktu widzenia. Schemat technologiczny otworowego węglowo-gazowego generatora energii elektrycznej pokazany na rys. 1 składa się z czterech podstawowych bloków bloku podziemnej gazyfikacji węgla, bloku drenażu metanu, bloku przygotowywania do gazyfikacji i drenażu metanu, oraz bloku prac wiertniczych.

6 metan gaz generatorowy para woda dym powietrze/tlen Rys. 1. Schemat otworowego węglowo-gazowego sposobu produkcji energii elektrycznej Fig.1. Scheme of the coal-gas borehole electric energy production 1 turbina gazowa, 2 generator, 3 turbina parowa, 4 transformator, 5 linia przekazywania energii elektrycznej, 6 powietrzno-tlenowy generator, 7 wymiennik ciepła generator pary, 8 bojler generator pary, 9 woda, 10 oczyszczalnia gazu (filtry, separatory), 11 komin, 12 urządzenie wiertnicze, 13 przodek ogniowy, 14 kanał początkowego przebicia, 15 wiercenie otworu kierunkowego, 16 otwory kierunkowe przygotowanego panelu, 17 otwór drenażowy za metanem, 18 powietrzno-tlenowy otwór nadmuchowy, 19 otwór gazowy produktywny, 20 gaz wysokotemperaturowy z turbiny gazowej, 21 para, 22 gaz generatorowy, 23 metan

7 233 Metan z pokładów węgla jest wydobywany poprzez otwory drenażowe (17), oczyszczany z cząstek stałych i ciekłych w filtrach lub separatorach (10), po czym jest doprowadzany i spalany na łopatkach turbiny gazowej (1) sprzęgniętej z generatorem energii elektrycznej (2). Gorące gazy i spaliny po opuszczeniu turbiny, kierowane są do wymiennika ciepła lub kotła parowego (7) i po oddaniu ciepła do komina (11). Wytworzona para linią (21) jest doprowadzona na łopatki turbiny parowej (3), również połączonej z generatorem energii elektrycznej (2). W generatorze (6) powstaje mieszanina powietrza i tlenu, tłoczona do otworów doprowadzających do pokładów węgla. Uzyskuje się w ten sposób gaz generatorowy, który można wykorzystać do spalania w bojlerach parowych (8), lub też do mieszania z metanem z pokładów węgla. Na rys. 1 zaznaczono również otwory wiertnicze eksploatacji metanu z pokładów węgla (19), oraz schematycznie dalsze, przygotowywane prace wiertnicze. Zarysowana idea kompleksowego wykorzystania metanu i gazu generatorowego z pokładów węgla była i jest nadal przedmiotem zainteresowania tak jednostek badawczych w różnych krajach (m.in. USA, Niemcy, Belgia) jak i organizacji międzynarodowych, w tym Międzynarodowej Unii Gazowniczej (International Gas Union IGU). Układ generowania energii elektrycznej jest odmianą technologii cykli kombinowanych CCGT (Combined Cycle Gas Turbine) opartych o układ turbin gazowych i turbin parowych, osiągający całkowitą sprawność rzędu 90%. Szacunkowe porównanie techniczno-ekonomicznych wskaźników projektowych eksploatacji otworowej do produkcji energii elektrycznej z tradycyjnym cyklem tej produkcji pokazuje, że zastosowanie go w praktyce mogłoby podwyższyć 3 do 4-krotnie efektywność wykorzystania energii chemicznej paliwa węglowego, zwiększyć o ok. 2,4-krotnie produkcję paliwa do wytwarzania energii elektrycznej i obniżyć koszt produkcji energii elektrycznej o ok. 1,5-2,2 razy. 5. Podsumowanie 1. Istnieją duże możliwości poprawy efektywności górnictwa węglowego w Rosji głównie pod względem zwiększenia wydajności pracy i obniżenia kosztów jednostkowych. 2. Pomimo posiadania bardzo dużych zasobów ropy naftowej i gazu ziemnego prognozy funkcjonowania i rozwoju przemysłu węglowego w Rosji są korzystne. Będzie to nadal model oparty o energetykę węglowodorowo-węglową. Równie pozytywne prognozy odnoszą się do eksportu względnie taniego węgla za granicę, co ma znaczenie dla gospodarki krajów Unii Europejskiej. I tu zarysowuje się konkurencja z węglem polskim. 3. Technologie odmetanowania kopalń węgla i wykorzystania metanu z pokładów węgla jako nośnika energii maja już tradycje w Rosji i prowadzone są dalsze badania i pace w tym zakresie. Zwracamy uwagę na technologie otworowej eksploatacji

8 234 gazonośnych pokładów węgla, które są stosowane w świecie na coraz większą skalę. Metan z pokładów węgla jest klasyfikowany jako tzw. gaz ziemny niekonwencjonalny. Praca wykonana w ramach badań statutowych WWNiG AGH nr LITERATURA Kreinin, E.W. i in., Podziemnoja gazifikacija ugolnych płastow. Niedra, Moskwa (in russian). Wasiuczkow, J.F. i in., Technołogia ispolzowanija energii podziemnogo zżiganija ugolnych płastow. Ugol Ukrainy, Nr 12, Kijów (in russian). Wasiuczkow, J.F., Worobiew, B.M., Nowaja koncepcija ekspłuatacii uglegazowych miestorożdenii baza resirsosbieriegajuszczich czistych elektroenergieticzeskich kompleksow. Ugol, Nr 12, Moskwa (in russian). Bradecki, W., Dubiński J., Effect of The restructuring of The Polish Coal-Mining Industry on The Level of Natural Hazards. Archives of Mining Sciences, Vol. 50, Issue 1, p REVIEW BY: PROF. DR HAB. INŻ. JANUSZ ROSZKOWSKI, KRAKÓW Received: 21 March 2005