w zakresie podziemnego zgazowania Stan, perspektywy, do wiadczenia w gla brunatnego Prof. dr hab. in. Jerzy Bednarczyk dr in. Szymon Modrzejewski

Transkrypt

1 Instytut Górnictwa G Odkrywkowego Wrocław, ul Parkowa 25 Stan, perspektywy, do wiadczenia w zakresie podziemnego zgazowania w gla brunatnego Prof. dr hab. in. Jerzy Bednarczyk dr in. Szymon Modrzejewski maj 2010

2 Kopalna Wysoczyzna Sul cina 1 glacitektoniczne struktury fałdowe 2 przybli one granice zasi gu stref zaburzonych glacitektonicznie 3 granice kopalnych wysoczyzn (20 x 70km = 1400 km 2 ) 4 strefy dolin kopalnych z kierunkami przepływu wód

3

4 Przekroje geologiczne przez obszar z poprzedniego slajdu wykonano wg PROXIMA S.A.

5 Plan sytuacyjny zło a w gla brunatnego Sieniawa

6

7 Przekrój geologiczny przez obszar P1

8 Przekrój geologiczny przez obszar P3

9 Przekrój geologiczny przez obszar P4

10 Przekrój geologiczny przez obszar P5

11 Przekrój geologiczny przez obszar P2

12 Przekroje geologiczne poprzeczne obszar P2 rysunki pogl dowe

13 Przekroje geologiczne poprzeczne obszar P2 rysunki pogl dowe

14 Warto ci parametrów fizyko-mechanicznych utworów geologicznych wybranych serii geologiczno-in ynierskich Nazwa parametru statystycznego Frakcja [%] Wilgotno G sto [g/cm3] naturalna [%] wirowa Piaszczysta Pylasta Ilasta Wła ciwa Obj to ciowa SERIA Ia gliny czwartorz dowe Granica płynno ci [%] Cz ci organiczne [%] K t tarcia wewn. [ ] Wytrzymało Spójno [MPa] Liczba obserwacji rednia Warto minimalna Warto SERIA Ib mułki trzeciorz dowe w czwartorz dzie Liczba obserwacji rednia Warto minimalna Warto SERIA III mułki nadw glowe niezaw glone Liczba obserwacji rednia Warto minimalna Warto SERIA IV mułki nadw glowe zaw glone Liczba obserwacji rednia Warto minimalna Warto SERIA VIIa mułki mi dzyw glowe i podw glowe Liczba obserwacji rednia Warto minimalna Warto

15 Zagospodarowanie placu techniczno - socjalnego

16 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Temperatura, K 0 Teoretyczny skład gazu surowego po procesie zgazowania w gla brunatnego ze zło a Sieniawa obliczony metod równowagow Skład gazu surowego stosunek para wodna /powietrze 1:1, 1MPa, Skład gazu wilgotnego, % obj. Warunki: 1MPa, Stosunek para/powietrze 1:1 CO CO2 H2 H2O CH4 N2 T [K] CO CO 2 H 2 H 2 O CH 4 N ,7 12,9 27,2 16,3 4,2 23, ,6 6,7 34,9 8,6 2,6 18, ,4 2,5 39,9 3,7 1,5 15, ,9 0,8 42,3 1,5 0,8 13, ,0 0,3 43,4 0,7 0,5 13,2 Ułamek molowy (obj.) ,4 0,1 43,9 0,3 0,3 13, ,5 0,0 44,2 0,2 0,2 12,9 Obliczenia wykonano dla w gla o redniej zawarto ci wilgoci wynosz cej 15%

17 Teoretyczny skład gazu surowego po procesie zgazowania w gla brunatnego ze zło a Sieniawa obliczony metod równowagow 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 Skład gazu surowego T=1000K 1MPa 2MPa CO CO2 H2 H2O CH4 N2 ułamek molowy (obj.) 0, stosunek para wodna/powietrze Obliczenia wykonano dla w gla o redniej zawarto ci wilgoci wynosz cej 15%

18 Układ do badania przepuszczalno ci warstw geologicznych ze zło a Sieniawa CO 2 rejestracja/ wizualizacja ~230V ~40V 30V T 3 T 2 T 4 T 1 Elektroniczny przepływomierz Wylot gazu

19 Ci nieniowe badanie przepuszczalno ci CO 2 w podwy szonej temperaturze Ci nienie Mułek niezaw glony nadkładowy ze zło a Sieniawa Temperatura rodkowa cz Górna cz Dolna komora

20 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Ci nieniowe badanie przepuszczalno ci w podwy szonej temperaturze Ci nienie i przepływ podczas badania przepuszczalno ci CO 2 przez mułek zaw glony Przepuszczalno CO 2 mułku zaw glonego obliczona na podstawie danych do wiadczalnych Korzystaj c z prawa Darcy ego : gdzie: v pr dko w drówki przez medium (m/s) - przepuszczalno (md) lepko dynamiczna cieczy (Pa s) P ró nica ci nie (Pa) x - mi szo próbki poddanej badaniu (m) Temperatura [C] Przepuszczalno [md]

21 Stanowisko technologiczne do zgazowania w gla brunatnego w Poltegor-Instytut (w trakcie realizacji) 5 Układ analizy gazów Układ oczyszczaj cy Układ zasilaj cy 1. Butle z gazami (pow., O 2,N 2 ) 2. Wytwornica pary i podgrzewacz dowthermu 3. Podgrzewacze pary wodnej i powietrza 4. Reaktor zgazowania ci nieniowego 5. Skraplacz oparów dowthermu 6. Hybrydowa kolumna oczyszczania i kondycjonowania gazu 7. Zamkni cie hydrauliczne 8. Pochodnia hybrydowa

22 Badania realizowane przez Poltegor-Instytut w ramach rodków UE PROJEKT: REC-PR-06012: Hydrogen Oriented Underground Coal Gasification for Europe koordynowany przez Główny Instytut Górnictwa Prace wykonane przez Poltegor-Instytut w latach I. Migracja metali ci kich przez utwory geologiczne woda napływaj ca mioce ski piasek podw glowy z KWB Konin w giel brunatny mioce ski piasek podw glowy z KWB Konin woda odpływaj ca Tab. 1 Zawarto metali ci kich w wodzie napływaj cej Symbol chemiczny Cr og l. Zn Cd Cu Ni Pb Fe Mn mg/dcm 3 0,0029 0,0976 0,0025 0,0138 0,0102 0,0131 0,6611 0,3141 Tab. 1a. Zawarto metali ci kich w próbce spreparowanego zło a (80% mioce ski piasek podw glowy, 20% w giel brunatny) przed przepływem wody Symbol chemiczny w piasku mg/kg w w glu mg/kg Cr ogól. Zn Cd Cu Ni Pb Fe Mn 0,09 1,06 0,04 0,52 0,15 0,40 15,4 0,52 0,27 8,49 0,23 3,37 2,97 3, ,0 44,0 Tab. 1 b Zawarto metali ci kich w wodzie odpływaj cej Symbol Cr ogól. Zn Cd Cu Ni Pb Fe Mn chemiczny mg/dcm 0,0020 0,0344 0,0023 0,0089 0,0096 0,0136 0,2928 0,1057

23 II. Wymywalno i sorpcja zanieczyszcze w utworach geologicznych Tab 2. Wymywalno i sorpcja zanieczyszcze w utworach geologicznych przed i po zgazowaniu Oznaczany parametr Przemywany materiał Szybko s czenia Jedn. - Numer serii W giel suchy W giel surowy Ił surowy W giel surowy + ił surowy Pozostało po próbie Ił po próbie Pozostało po próbie + ił po próbie cm 3 /h Odczyn-pH - 5,39 4,14 6,43 4,19 5,91 6,23 6,17 Przewodno µs/cm Zawarto kadmu mg/dm 3 0,0071 0,0008 0,0010 0,0010 0,0008 0,0010 0,0008 chromu mg/dm 3 0,0003 0,0003 0,0042 0,0006 0,0005 0,0004 0,0005 miedzi mg/dm 3 0,0017 0,0008 0,0047 0,0044 0,0009 0,0014 0,0003 niklu mg/dm 3 0,0034 0,0041 0,0046 0,0146 0,0058 0,0097 0,0043 ołowiu mg/dm 3 0,0016 0,0004 0,0058 0,0019 0,,0010 0,0013 0,0004 cynku mg/dm 3 0,0447 0,0315 0,0309 0,0606 0,0258 0,0156 0,0212 elaza mg/dm 3 0,1414 0,1130 0,3054 0,2011 0,0662 0,0738 0,0371 manganu mg/dm 3 0,0810 0,2838 0,0029 0,4469 0,0240 0,0081 0,2138

24 Prace wykonane przez Poltegor-Instytut w roku 2010 III. Przenikalno gazów Tab.3 Badania gazo przepuszczalno ci przez utwory geologiczne gazu CO2 (w temp~ 18 o C) Lp. Rodzaj utworu geologicznego 1. piasek surowy 2 piasek po zgazowaniu Wilgotno G sto obj to ciowa [g/cm 3 ] Wysoko próbki [cm] Ci nienie gazu [bar] 11,02 1,78 12,5 10 Czas bada po 40 min. 15,88 1,99 8,9 5 0 Wynik, gaz przepływa /nie przepływa przepływa przepływa 3 glina rdzawa 14,0 1,65 11, doby nie przepływa 0 1,29 14, przepływa 4 glina (wysuszona) 5 ił zw glony 16,15 1,76 10, doba nie przepływa 1,4 1,71 13,5 5 0 przepływa 6 mułek niezaw glony 7. mułek podw glowy 8 w giel brunatny ziemisty 52,7 1,24 8, doba 40,0 1,24 10, doba Badania s kontynuowane nie przepływa nie przepływa

25 Główne parametry technologiczne podziemnych generatorów gazu Parametry Jednostka Technologia UCG Tradycyjna Nowa GJ/h 1 Moc cieplna generatora gazu Gcal/h Ilo szybów wtłaczania powietrza Szt Ilo szybów pozyskiwania gazu Szt rednia wydajno szybu wtłaczania powietrza m 3 /h rednia wydajno szybu pozyskiwania gazu m 3 /h Ci nienie w szybie pozyskiwania gazu Pa 0,15 0,15 7 Wilgotno gazu g/m Warto opałowa gazu kcal/m mj/m 3 3, ,19 9 Wska nik wykorzystania w gla % Straty gazu % 15 10

26 Skład gazu UCG składniki St enie, % Surowy gaz Oczyszczony gaz Zast pczy gaz ziemny 2 28,03 3,10 1,81 20,20 16,92 0, ,13 14,93 93, ,94 63,51 4, ,40 0, ,61 0,69 N 2 + O 2 0,29 0,40 1,01 H 2 S 0,40 Warto kaloryczna, kj/m 3, (kcal/m3) (2740) (3580) (8110)

27 Zgazowanie podziemne w gla kamiennego do produkcji gazu i paliw płynnych w Australii Na terenie Queensland znajduje si 14 obszarów w glowych o ł cznych zasobach 4 miliardy ton, z których mo na wyprodukowa 6 miliardów baryłek czystej ropy (1,5 baryłki czystego paliwa z jednej tony w gla). Instalacje demonstracyjne w Australii Od instalacja demonstracyjna firmy Linc Energy na zło u Chinchilla Od instalacja demonstracyjna firmy Carbon Energy na zło u Bloodwood Creek Chinchilla: 300 milionów ton w gla ywotno : 60 lat przy produkcji 20 tys. baryłek czystego paliwa na dob Koszt produkcji gazu: 0,60-0,80 US/GJ Koszt produkcji czystej ropy: US/baryłk Prace do wiadczalne i badawcze prowadzone s na terenie zło a Chinchilla od 1999 roku produkcja paliwa płynnego, 5-10 baryłek dziennie, uruchomienie turbiny gazowej z generatorem o mocy 5 MW, produkcja paliw płynnych w ilo ci baryłek/dob, Docelowo- 1 mln baryłek czystych paliw płynnych/dob w kilku instalacjach w Australii i w USA. Bloodwood Creek: 100 milionów ton w gla ywotno : minimum 30 lat ródło PJ energii

28 Instalacja GTL na zło u Chinchilla- Australia (Gas To Liquid) Instalacja GTL na zło u Chinchilla- Australia Emisja zanieczyszcze z elektrowni na konwencjonalne paliwa kopalniane oraz z elektrowni z zastosowaniem technologii UCG-IGCC (Underground Coal Gasification- Integrated Gasification Combined Cycle) Wytwarzanie gazu syntezowego i paliwa płynnego w technologii Fishera-Tropscha przez firm Linc Energy

29 Do wiadczenia z USA w Pensylwanii i Wyoming w sze ciu obszarach, z których wa niejsze wnioski dotycz : podziemnego zgazowania pokładów pochyłych (testy wykonano na zlecenie Departamentu w Rawlings) Test 1 Zgazowanie podziemne w gla w USA Test 2 Czynniki zgazowuj ce: powietrze i para. Okres bada : 30 dni. Zgazowywano: od 20 do 50 ton w gla na dob. Wska nik wagowy tlenu do w gla: 1:5. Otrzymano gaz: 4,7-5,9 MJ/m 3. Czynniki zgazowuj ce: tlen i para. Okres bada : 65 dób. Zgazowywano: do 100 ton w gla na dob z przerwami. Wska nik wagowy tlenu do w gla: 1:5 (0,2/1). Otrzymany gaz: 12,8 do 15,8 MJ/m 3. podziemne zgazowanie w gla na zło ach z pokładami zalegaj cymi poziomo: Czynniki zgazowuj ce: tlen i para. Wska nik tlenu do w gla: 2:5 (0.4/1). Zgazowywano: 20 do 40 ton/ dob. W opracowanych ofertach komercjalizacji przedstawiono nast puj c propozycj dla inwestorów: zgazowanie 1500 ton w gla na dob, produkcja 2200 baryłek/ dob ciekłego paliwa (1600 baryłek diesla, 400 baryłek benzyny ci kiej, 200 baryłek LPG). Do zrealizowania tej produkcji niezb dne jest wyprodukowanie 300 ton tlenu/dob. Jednostkowy koszt baryłki okre lono na 10 do 20 USD. Nakłady kapitałowe okre lono na 90 mln USD (UCG 40 i FT 50 mln USD). Przychód okre lono na 46 USD rocznie, koszty na 25 mln USD na rok. Zysk operacyjny to 33 mln USD/rok.

30 Zanieczyszczenie wód w podziemnym zgazowaniu w gla Kryterium optymalnego wyboru zło a w gla do zgazowania jest zaleganie jego pokładów na gł boko ci poni ej poboru wód do celów komunalnych lub przemysłowych. Wa nym zadaniem jest utrzymywanie odpowiedniej depresji wokół pokładów zgazowywanych, tak aby zapobiega ci głym dopływom wód. W przeprowadzonych badaniach w USA i Rosji opisano wyst puj ce zanieczyszczenia wód, które przedstawiono w tabelach. Wa ne badania zrealizowano w zgazowanym zło u abi skim, gdzie zarejestrowano zmiany zanieczyszcze wody, która zgromadziła si w pustkach po zgazowaniu. Stwierdzono, e w ci gu trzech lat zanieczyszczenia radykalnie si zmniejszaj. Przeprowadzone w Poltegorze-Instytucie badania wód zanieczyszczonych popiołem, u lem i nie spalonym w glem brunatnym wskazuj, e wyst puj ce zanieczyszczenia b dzie mo na wyeliminowa przepłukuj c pustki powstałe po zgazowaniu. Zanieczyszczenia wód gruntowych w instalacjach pilotowych w USA, w Teksasie (Humenick i Mattox) Stan pomiaru Przed zgazowaniem w gla [mg/l] Po zgazowaniu w gla [mg/l] Ca Mg 5 15 Na HCO SO H 2 S 0,02 0,4 Składniki chemiczne w wodzie Cl F NO ,1 0,7-2,0 NH TDS Fenole 0,1 20 TOC Utleniaj ce si i rozpuszczalne CH 4 0,42 0,16 PH - 7,6 Ba - 0,3 Skład chemiczny wód podziemnych pobranych z odwiertu nr 33, gazogeneratora nr 17 w stacji Podziemgaz w Południowym Abinsku Czas wykonania badania Rok, miesi c Przed rozpocz ciem gazyfikacji Podczas gazyfikacji ph 8,0 6,0 8,0 7,0 7,0 6,5 7,0 6,0 7,0 7,0 7,0 Chlorki mg/l 10,46 24,12 24,2 21,24 10,5 11,36 14,46 15,26 14,56 13,49 16,0 Siarczki mg/l ,4 577,6 661,88 773,0 800,0 210,3 148,9 307,8 155,1 150,0 Wodorow glany mg/l Mineralizacja mg/l Badania prowadzone przez Poltegor-Instytut w wodzie napływaj cej do zło a w gla brunatnego i odpływaj cej ,5 1249, Fenole mg/l - n/w 0,0012 0, ,0009 0,007 0,017 0,0039 0,001 n/w Tiocyjaniany mg/l - n/w Cyjanki Mg/l - n/w T.deg Symbol chemiczny mg/dcm 3 Cr ogól. 0,0029 Zn 0,0976 Cd 0,0025 0,0138 0,0102 0,0131 Zawarto metali ci kich w wodzie napływaj cej Cu Ni Pb Fe 0,6611 Mn 0,3141 Symbol chemiczny mg/dcm 3 Cr ogól. 0,0020 Zn 0,0344 Cd 0,0023 0,0089 0,0096 0,0136 0,2928 Zawarto metali ci kich w wodzie odpływaj cej Cu Ni Pb Fe Mn 0,1057

31