Uwarunkowania i ograniczenia rozwoju procesu podziemnego zgazowania węgla w Polsce

Transkrypt

1 KRZYSZTOF KAPUSTA*, KRZYSZTOF STAŃCZYK Główny Instytut Górnictwa, Katowice Uwarunkowania i ograniczenia rozwoju procesu podziemnego zgazowania węgla w Polsce Development conditions and limitations of the underground coal gasification in Poland Zwiększające się zapotrzebowanie na surowce energetyczne w świecie, przy stale rosnących cenach paliw węglowodorowych oraz zaostrzających się wymogach ochrony środowiska w procesach użytkowania pierwotnych nośników energii powodują wzrost zainteresowania alternatywnymi metodami eksploatacji, wykorzystania oraz chemicznej przeróbki węgla. Jednym z perspektywicznych sposobów pozyskiwania energii chemicznej węgla jest metoda podziemnego zgazowania węgla (PZW). Opisano podstawowe założenia tego procesu oraz sposoby jego realizacji na tle światowych i krajowych doświadczeń. Przedstawiono stan obecnie prowadzonych prac naukowo badawczych w dziedzinie PZW oraz perspektywy rozwoju tej technologii w Polsce. Wyniki prowadzonych w świecie doświadczeń dowodzą technicznej wykonalności procesu. Analizy techniczno ekonomiczne dla instalacji energetycznych opartych na gazie pochodzącym z procesu zgazowania podziemnego wykazują opłacalność ekonomiczną potencjalnych przedsięwzięć. Ze względu na ograniczony stan wiedzy w zakresie prowadzenia procesu PZW oraz wysokie ryzyko środowiskowe technologii istnieje silna potrzeba dalszych prac badawczych w tym obszarze. Fundamentals and technols. for underground coal gasification (UCG) were reviewed. The economic anal. of the UCG process was carried out. The applicability of UCG under Polish conditions was discussed. Podziemne zgazowanie węgla (PZW), którego koncepcja powstała na początku ub. wieku w Rosji i Anglii, jest metodą pozyskiwania energii z węgla bezpośrednio w miejscu jego zalegania (in-situ) poprzez doprowadzenie czynnika zgazowującego do zapalonego złoża i odbiór wytworzonego gazu o wartości przemysłowej na powierzchni. W porównaniu do metod powierzchniowych PZW jest procesem dużo bardziej złożonym i trudnym w realizacji. Wynika to z przebiegu procesu w nieporównywalnych warunkach, w których większość parametrów zmienia się w czasie, jak również w odniesieniu do miejsca przebiegu procesu zgazowania. Eksploatacja pokładów węgla metodą PZW znajduje szczególne uzasadnienie w przypadkach, gdy wydobycie tradycyjnymi metodami górniczymi jest nieuzasadnione ekonomicznie lub uniemożliwione względami bezpieczeństwa prowadzenia robót podziemnych. Możliwości wykorzystania wytworzonego w ten sposób gazu, którego skład chemiczny oraz wartość opałowa zależą głównie od zastosowanego czynnika zagazowującego, są we współczesnej syntezie chemicznej oraz energetyce zawodowej niezwykle szerokie. W skali przemysłowej proces stosowano jedynie w byłym Związku Radzieckim. Mgr Krzysztof KAPUSTA w roku 2003 ukończył studia na Wydziale Matematyki, Fizyki i Chemii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach na kierunku chemia. Od 2005 r. pracuje w Zakładzie Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach. Specjalność chemia i technologia węgla oraz ochrona powietrza. * Autor do korespondencji: Zakład Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza, Główny Instytut Górnictwa, Plac Gwarków 1, Katowice, tel.: (0-32) , fax: (0-32) , kkapusta@gig.eu Doc. dr hab. inż. Krzysztof STAŃCZYK w roku 1984 ukończył studia na Wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Jest kierownikiem Zakładu Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach. Specjalność chemia i technologia węgla, kataliza heterogeniczna, ochrona powietrza, odnawialne źródła energii. 88/4(2009) 331

2 Podstawowe założenia procesu PZW Z chemicznego i termodynamicznego punktu widzenia proces podziemnego zgazowania węgla przebiega w sposób analogiczny do procesów zgazowania realizowanych w reaktorach chemicznych. W dużym uproszczeniu proces ten przyrównać można do zgazowania w złożu stacjonarnym, np. metodą Lurgi 1). W procesie zgazowania, materia węglowa zawarta w paliwie reaguje w podwyższonej temperaturze z czynnikiem zgazowującym, którym może być powietrze, tlen, para wodna lub ich mieszaniny w dowolnym stosunku, prowadząc do otrzymania gazu, którego podstawowe składniki to H 2, CO, CO 2 i CH 4. Proces PZW rozpoczyna się od zapalenia pokładu na początku tzw. otworu generatorowego. Po wytworzeniu się przodka ogniowego doprowadzenie czynnika zgazowującego powoduje rozwój procesu zgazowania, a front ognia przemieszcza się stopniowo wzdłuż otworu spełniającego rolę kanału odprowadzającego gaz (rys. 1). W miarę postępu procesu przestrzeń powstała w wyniku zgazowania węgla wypełnia się opadającą skałą stropową. Tworzenie się gazu w kanale zgazowania jest wynikiem mechanicznego, termicznego i chemicznego oddziaływania na pokład węgla i otaczające skały. Czynnik mechaniczny w procesie tworzenia się gazu odgrywa niewielką rolę i sprowadza się głównie do tego, że kanał ogniowy wykonany w pokładzie węgla odbiera gazy z węgla i otaczających skał. Zasadnicza rola czynnika termicznego sprowadza się do wydzielania w gazową fazę kanału, gazów i par w wyniku nagrzewania węgla i skał otaczających. Czynnik chemiczny ma decydujące znaczenie w procesie PZW, ponieważ odgrywa zasadniczą rolę w tworzeniu podstawowych ilości gazów oraz stanowi główne źródło energii dla termicznego tworzenia się gazu. Proces zgazowania podziemnego ma charakter strefowy i przebiega w fazie stałej, gazowej i na powierzchni rozdziału tych faz. W fazie stałej zachodzą procesy termicznego rozkładu substancji węglowej (piroliza) a także proces suszenia. W miarę przemieszczania się produktów termicznego rozkładu i suszenia węgla przez pory i szczeliny fazy stałej rozwijają się reakcje homo- i heterogeniczne. Szybkość tych procesów zależy w największym stopniu od temperatury. Na powierzchni rozdziału faz w kanale zgazowania przebiegają reakcje heterogeniczne, których szybkość określa głównie dyfuzja i wielkość powierzchni reakcyjnej. Decydujące znaczenie ma tu reakcja czynnika zgazowującego z węglem. Głównymi produktami reakcji tlenu czynnika zgazowującego z powierzchnią węgla w strefie doprowadzania czynnika do kanału gazowego Rys. 1. Koncepcja podziemnego zgazowania węgla oraz strefy reakcji w kanale zgazowania Fig. 1. Conceptual view of the underground coal gasification and reaction zones in the gasification channel (strefie utleniania) jest ditlenek i tlenek węgla(ii). Obie reakcje są egzotermiczne: 2C + O 2 2CO H = kj/mol 2CO C + CO 2 H = kj/mol W dalszych strefach kanału zgazowania z węglem nie reaguje tlen, lecz produkty zgazowania, tworzące się w granicach wcześniejszych stref procesu zgazowania. Zachodzą tu głównie endotermiczne reakcje redukcji CO 2 i rozkładu pary wodnej (strefa redukcji): CO 2 + C 2CO H = + 159,9 kj/mol C + H 2 O CO + H 2 H = + 112,9 kj/mol oraz egzotermiczna reakcja uwodornienia węgla, prowadząca do wytworzenia metanu: C + 2H 2 CH 4 H = - 86,24 kj/mol W fazie gazowej na długości strefy gazowej kanału przebiegają reakcje homogeniczne, głównie konwersji tlenku węgla(ii): CO + H 2 O CO 2 + H 2 H = - 41,4 kj/mol i reakcja dysproporcjonowania tlenku węgla(ii): 2CO C + CO 2 H = - 159,9 kj/mol Szybkość reakcji w fazie gazowej określa głównie temperatura i stężenia poszczególnych składników gazowych. Przebiegowi tych reakcji sprzyja katalityczny wpływ niektórych związków chemicznych, np. tlenków żelaza. Warunki prowadzenia procesu zgazowania podziemnego nie są porównywalne z warunkami panującymi w reaktorach do zgazowania, ponieważ w PZW węgiel występuje w postaci zwięzłego, mało przenikliwego bloku i w związku z tym proces przebiega w sposób odmienny. Zgazowanie prowadzone w caliźnie węglowej, o małej powierzchni kontaktu z czynnikami zgazowującymi, powoduje przebieg rekcji zgazowania tylko w miejscach, gdzie kontakt węgla z czynnikami utleniającymi jest dostatecznie dobry i panuje odpowiednio wysoka temperatura. W reaktorze rozdrobniony węgiel reaguje ze środkami utleniającymi w ograniczonej przestrzeni, a proces cechuje duża powierzchnia kontaktu reagentów. Niekorzystnym zjawiskiem związanym z prowadzeniem zgazowania węgla pod ziemią jest również równoległy przebieg procesów zgazowania i odgazowania (destylacji) węgla. Powstające gazy destylacyjne znajdują się w stałym kontakcie z czynnikiem utleniającym, co może prowadzić do ich spalenia i zubożenia produktu końcowego w składniki palne. W przypadku zgazowania w reaktorze procesy te przebiegają oddzielnie. Początkowo, zarówno w pracach badawczych, jak i w skali przemysłowej powszechnie stosowanym czynnikiem zgazowującym było powietrze. Jest ono praktycznie najtańszym czynnikiem utleniającym stosowanym w procesach zgazowania, lecz ze względu na swój skład chemiczny stosowanie powietrza pod względem technologicznym jest najmniej korzystne. Inertny azot przejmuje ciepło ze strefy reakcji, ponadto rozcieńcza gaz powodując obniżenie jego wartości opałowej. Badania polskie z lat sześćdziesiątych ub. wieku wskazują, że przy stosowaniu powietrza do zgazowania podziemnego nie powstają warunki, w których produkowany jest gaz o stałej wartości opałowej. Główną przyczyną tego zjawiska są niskie temperatury procesu C, przy /4(2009)

3 których strefa ognia rozciąga się w kanałach generatorowych, prowadząc do rozwoju procesu na dużej powierzchni, znacznego poszerzenia wymiarów reaktora (dla uproszczenia podziemnym reaktorem czy generatorem nazywa się tu i w dalszym tekście przestrzeń, w której przebiega zgazowanie) i częściowego spalenia wytworzonych produktów zgazowania 2). Liczne źródła podają jednak, że proces zgazowania podziemnego węgla powietrzem można prowadzić w sposób kontrolowany, wykazując dodatnie wskaźniki techniczno ekonomiczne 3). Przy zastosowaniu tlenu w postaci czystej lub w mieszaninie z parą wodną do zgazowania, ze względu na wysoką aktywność chemiczną tlenu, wywiązuje się duża ilość ciepła, co prowadzi do podgrzania węgla w krótkim czasie i na krótkim odcinku przepływu czynnika zgazowującego (maksymalne temperatury osiągane w strefie utleniania reaktora sięgają ok C). Powstają wtedy stabilne warunki pracy reaktora podziemnego, prowadzące do wytwarzania gazu o wysokiej wartości opałowej w sposób ciągły. Sposoby prowadzenia podziemnego zgazowania węgla W zależności od sposobu udostępnienia pokładu przeznaczonego do zgazowania, wyróżnia się dwa sposoby przygotowania reaktorów podziemnych: szybowy oraz bezszybowy. W sposobach szybowych udostępnienie pokładu odbywa się szybem lub innym rodzajem wyrobiska górniczego (sztolnią, upadową). Po udostępnieniu pokładu rozcina się go robotami górniczymi, a w utworzonych polach przygotowuje się reaktory. Ujemną stroną metody szybowej jest konieczność korzystania z siły roboczej na dole. Szacuje się, że roboty górnicze związane z udostępnieniem i rozcięciem pokładu stanowią ok. 20% robót wykonywanych przy eksploatacji węgla metodami tradycyjnymi. Pozostałe 80% nakładów pracy związanych z klasycznymi metodami górniczymi zastąpione zostaje procesem zgazowania 4). Dla prowadzenia procesu PZW wg sposobu szybowego opracowano reaktory do metody opływowej i do metody otworów generatorowych. W metodzie opływowej, wg koncepcji opracowanej w byłym ZSRR, przygotowanie generatora podziemnego polega na wykonaniu w pokładzie dwóch dowierzchni połączonych u podstaw chodnikiem poprzecznym (rys. 2) 5). W metodzie otworów generatorowych proces zgazowania prowadzi się w otworach generatorowych otwartych (rys. 3a) lub ślepych (rys. 3b). Otwory generatorowe wykonuje się najczęściej metodami wiertniczymi. W przypadku generatora z otworami otwartymi, otwory generatorowe łączą dwa równolegle biegnące chodniki, z których jeden pełni rolę kanału zasilającego w czynniki zgazowujące, a drugi służy do odprowadzania wytworzonych produktów gazowych. W przypadku otworów ślepych wykonany otwór generatorowy kończy się ślepo w caliźnie węglowej. W metodzie tej ciepło odprowadzanych z reaktora produktów gazowych ogrzewa doprowadzany przeciwprądowo do strefy reakcji czynnik zgazowujący. Wykorzystanie ciepła jawnego wytworzonego gazu korzystnie wpływa na bilans termodynamiczny reakcji zgazowania, podnosząc całkowitą sprawność energetyczną procesu 6). W sposobach bezszybowych przeznaczony do zgazowania pokład węgla udostępniany jest z powierzchni za pomocą pionowych otworów wiertniczych. Otwory te następnie łączy się poziomymi kanałami w pokładzie z wykorzystaniem specjalnych metod. Sposoby bezszybowe całkowicie eliminują potrzebę prac górniczych, lecz wszystkie metody urządzania reaktora podziemnego tym sposobem są dużo bardziej skomplikowane i technicznie trudniejsze niż ma to miejsce w przypadku reaktorów zakładanych metodami szybowymi. Rozwój technologii PZW sposobem bezszybowym był możliwy w ostatnich latach dzięki znacznemu postępowi w dziedzinie wierceń kierunkowych 7). W metodzie otworów kierunkowych udostępnianie pokładu węgla zaczyna się od wiercenia kanałów pionowych z powierzchni, lub w zależności od warunków geologicznych nadkładu, kanałów znajdujących się pod pewnym nachyleniem, w kierunku planowanej lokalizacji reaktora podziem- Rys. 2. Schemat przygotowania reaktora w metodzie opływowej Fig. 2. Schematic view of an underground reactor in the stream method Rys. 3. Koncepcja metody otworów generatorowych: a) otwartych, b) ślepych Fig. 3. Borehole method concept: a) open borehole, b) blind borehole Rys. 4. Przygotowanie reaktora podziemnego metodą wierceń kierunkowych w złożach o różnych warunkach geologicznych zalegania 8) Fig. 4. Preparation of an underground reactor according to directional drilling method in seams of various geological conditions 8) nego. W miarę zbliżania się do pokładu kąt nachylenia otworu stopniowo zmniejsza się, a następnie prowadzony jest zgodnie z kierunkiem zalegania pokładu (rys. 4). Metoda umożliwia wykonanie kanału poziomego w złożu zalegającym na głębokości do 1200 m, na długości dochodzącej do 400 m 7). Zastosowanie tej techniki w procesie PZW prowadzonym na dużych głębokościach dowio- 88/4(2009) 333

4 dło swojej zasadności podczas prób prowadzonych w Hiszpanii w 1997 r. 9). Doświadczenia światowe w zakresie PZW Chociaż koncepcja podziemnego zgazowania węgla narodziła się już pod koniec XIX w. w Rosji, pierwsze praktyczne próby zgazowania podziemnego miały miejsce w 1912 r. w Anglii. Znaczący rozwój prac nad technologią PZW nastąpił dopiero w latach trzydziestych ub. stulecia w Związku Radzieckim. Przeprowadzone doświadczenia obejmowały szeroki wachlarz metod podziemnego zgazowania oraz sposobów zakładania reaktorów podziemnych i dotyczyły głównie pokładów płytko zalegających. Kraj ten jako jedyny na świecie prowadził podziemne zgazowanie węgla na skalę przemysłową. W latach w Związku Radzieckim prowadzono eksploatację w skali przemysłowej, produkując rocznie ok. 1,5 mld m 3 gazu. Obecnie na terenie byłego ZSRR pracują dwie przemysłowe instalacje podziemnego zgazowania węgla, jedna na Syberii (stacja Yuzhno Abinsk), druga w Angrenie (Uzbekistan) (tabela 1) 10). W okresie powojennym do badań na rozwojem technologii PZW włączyły się również takie kraje, jak USA, Chiny, Australia, W. Brytania, Francja, Belgia, Włochy, Hiszpania, Polska oraz Czechosłowacja. Informacje na temat tych prób i badań nad procesem PZW prowadzonych w końcu lat pięćdziesiątych w różnych krajach znaleźć można w kilku artykułach opublikowanych wówczas w Wiadomościach Górniczych. W Stanach Zjednoczonych zorganizowano jak dotąd największy program badań w obszarze technologii PZW. Program ten, który obejmował lata finansowany był ze środków Departamentu Energetyki (DOE). Badania prowadzono w 30 instalacjach pilotowych, w których łącznie przeprowadzono 31 prób podziemnych. Do najlepiej udokumentowanych należą próby pilotowe prowadzone w Hoe Creek w dorzeczu rzeki Powder River (6 prób w latach ), Centralii w stanie Waszyngton (3 próby w latach ) oraz Hannie (15 prób w latach i 2 próby ). W tabeli 2 przedstawiono dane dotyczące wybranych instalacji pilotowych na terenie USA 11). W Europie badania nad PZW prowadzono w latach Do najważniejszych zaliczyć należy próby sponsorowane przez Komisję Europejską, prowadzone w Hiszpanii w El Tremedal (lata ) przez konsorcjum belgijsko hiszpańsko brytyjskie. Eksperyment dowiódł wykonalności procesu na dużych głębokościach (550 m) oraz potwierdził zasadność wykorzystania techniki wierceń kierunkowych w procesie przygotowania reaktora podziemnego. Instalacja w Chinchilla (Australia) uruchomiona w 1999 r. jest jak dotąd największym przedsięwzięciem w obszarze technologii PZW, nie licząc instalacji eksploatowanych w b. Związku Radzieckim. Reaktor podziemny założono na głębokości 140 m w pokładzie węgla o grubości 10 m. W ciągu 28 miesięcy nieprzerwanej eksploatacji z zastosowaniem powietrza jako czynnika zgazowującego wytworzono łącznie ok. 85 mln m 3 gazu, zgazowując 32 tys. t węgla. Średnia wartość opałowa wytwarzanego gazu wyniosła 5,03 MJ/m 3. Gaz ten był wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej w turbinach gazowych. Obecnie szeroko zakrojone prace badawcze w obszarze technologii PZW realizowane są również w Chinach, gdzie od 1980 r. przeprowadzono łącznie 16 prób zgazowania węgla w złożu. W RPA realizowany jest obecnie projekt instalacji PZW w wyłączonej z eksploatacji kopalni Majuba. Wytworzony gaz ma zasilić elektrownię, która dotychczas wykorzystywała wydobywany w kopalni węgiel. W Indiach rozpoczęto prace przygotowawcze do budowy instalacji zgazowania podziemnego złóż węgla brunatnego w Radżastanie. Polskie doświadczenia w zakresie badań nad PZW W Polsce do badań nad podziemnym zgazowaniem węgla przystąpiono tuż po II Wojnie Światowej. W 1948 r. polscy inżynierowie na zasadach partnerskich zostali włączeni do badań nad PZW prowadzonych w Belgii 12), a już w 1949 r. dla prowadzenia badań w tym obszarze utworzono Dział Zgazowania Podziemnego w ówczesnym Zakładzie Górniczym Głównego Instytutu Górnictwa. Dział ten został przekształcony później w samodzielny zakład badawczy. Równocześnie z uczestnictwem polskich naukowców w badaniach prowadzonych w Belgii, w kraju budowano ośrodek doświadczalny na obszarze byłej kopalni Mars w Łagiszy, podległej kopalni Generał Zawadzki w Dąbrowie Górniczej. W ośrodku przeprowadzono kilka prób zgazowania w reaktorach podziemnych, stosując do zgazowania początkowo tlen, a następnie powietrze, w reaktorach zakładanych w pokładzie o grubości 1 m, nachyleniu oraz głębokości m. Przyjęty w kraju kierunek rozwoju technologii PZW preferował wykorzystanie sposobu szybowego i dołowego generatora opartego na otworach generatorowych. Integralnym celem prowadzonych badań było określenie warunków, w których następuje uzyskiwanie gazu o dostatecznej wartości opałowej w sposób ciągły. Tabela 1. Czynne przemysłowe stacje podziemnego zgazowania węgla na terenie byłego Związku Radzieckiego 10) Table 1. Active industrial underground coal gasification stations in the former Soviet Union area 10) Lokalizacja Typ wêgla Gruboœæ pok³adu, m G³êbokoœæ, m Rok uruchomienia Œrednia produkcja gazu, mln m 3 /r Wykorzystanie gazu Yuzhno-Abinsk bitumiczny 2, produkcja ciep³a Angren brunatny produkcja elektrycznoœci (turbiny gazowe) Tabela 2. Wybrane instalacje pilotowe w USA Table 2. Underground coal gasification pilot plants in USA (a choise) Nazwa próby Rok Czas trwania Czynnik Wartoœæ opa³owa Wydajnoœæ instalacji Iloœæ zgazowanego eksperymentu, dni zgazowuj¹cy gazu, MJ/m 3 tys. m 3 /doba wêgla, Mg Hanna I 1973/ powietrze 4,72 45, Hanna II-I powietrze 5,69 18, Hanna IV 1977/79 24 powietrze 4,98 235, Hoe Creek I powietrze 3,82 34,0 129 Hoe Creek II powietrze 4,05 93, Hoe Creek III tlen 8,13 96, Rawlins II tlen 13,11 198,2 339, /4(2009)

5 Rys. 5. Planowane miejsce budowy reaktora podziemnego w pokładzie 310 w ramach projektu HUGE Fig. 5. Projected site of the underground reactor location in the coal seam no. 310 in the framework of the HUGE project W celu lepszego rozpoznania zjawisk fizykochemicznych towarzyszących procesowi PZW na terenie ośrodka doświadczalnego wybudowano generator powierzchniowy (czadnicę), wykonany w kształcie rury o średnicy 1300 mm i długości 25 m. W urządzeniu tym można było badać proces zgazowania węgla w bloku w różnym układzie temperatur, ciśnienia oraz prędkości przepływu środków utleniających, w postaci poszczególnych składników (tlen, para wodna, powietrze) lub ich mieszanin w różnych proporcjach. Do badań nad podziemnym zgazowaniem węgla w Głównym Instytucie Górnictwa powrócono w 2007 r. W ramach środków finansowych Funduszu Badawczego Węgla i Stali (RFCS) realizowany jest projekt badawczy o akronimie HUGE (hydrogen-oriented underground coal gasification for Europe), który dotyczy podziemnego zgazowania węgla ukierunkowanego na otrzymywanie gazu o wysokiej zawartości wodoru. Główny Instytut Górnictwa pełni w projekcie rolę koordynatora, a w skład konsorcjum weszli również partnerzy z Holandii, W. Brytanii, Niemiec, Czech, Belgii, Ukrainy oraz krajowe firmy sektora paliwowo energetycznego (Kompania Węglowa S.A., BOT S.A.). W ramach projektu planowana jest budowa instalacji do prowadzenia prób w skali półtechnicznej na Kopalni Doświadczalnej Barbara, w pokładzie nr 310, zalegającym na głębokości ok. 30 m. Planowane miejsce budowy reaktora podziemnego przedstawiono na rys. 5. Próby podziemne poprzedzone zostaną eksperymentami w tzw. laboratoryjnym reaktorze powierzchniowym. Zasymulowane w tym urządzeniu rzeczywiste warunki zalegania węgla w złożu, z uwzględnieniem warstw profilu geologicznego spągu i nadkładu złoża, pozwolą na określenie parametrów procesowych oraz rozwiązanie niektórych zagadnień technicznych niezbędnych przy powiększeniu skali eksperymentu. Elementem innowacyjnym w dziedzinie badań nad podziemnym zgazowaniem węgla oraz jednym z zasadniczych celów projektu HUGE jest określenie technicznych możliwości wpływu na skład produkowanego gazu poprzez wykorzystanie określonych zjawisk fizykochemicznych w przestrzeni i otoczeniu reaktora podziemnego oraz określenie ich przebiegu w zależności od podstawowych parametrów termodynamicznych prowadzenia procesu. Wyniki projektu, który zakończy się w 2010 r. stanowić będą podstawę do wyznaczenia dalszych kierunków prac w obszarze PZW oraz podjęcia kolejnych projektów badawczych i prób zgazowania podziemnego w powiększonej skali przedsięwzięcia. Możliwości wykorzystania produktów PZW Skala możliwych zastosowań produktów procesu podziemnego zgazowania węgla jest szeroka. Gaz o wysokiej zawartości H 2 i CO (gaz syntezowy) stanowi obecnie jeden z najcenniejszych surowców przemysłu chemicznego dla różnych rodzajów i typów syntez chemicznych, takich jak produkcja syntetycznych paliw płynnych metodą Fischera i Tropscha (FT), synteza substytutu gazu ziemnego (SNG) 13), produkcja metanolu lub synteza OXO oraz w energetyce, jako uszlachetnione źródło energii cieplnej. Możliwe kierunki zastosowania wytwarzanych w procesie zgazowania podziemnego produktów gazowych zależą od ich składu chemicznego, na który wpływ mają głównie rodzaj zastosowanego czynnika zgazowującego oraz warunki prowadzenia procesu (tabela 3). Z punktu widzenia prowadzenia syntez chemicznych najcenniejszy jest gaz otrzymywany w procesie zgazowania tlenem lub mieszaniną tlenu z parą wodną. Otrzymywany jest w tym przypadku produkt o wysokiej zawartości H 2 i CO, których wzajemny stosunek ilościowy uzależniony jest od przyjętych założeń procesowych. Możliwość prowadzenia wymienionych procesów przemian gazu syntezowego warunkowana jest ściśle określonym stosunkiem ilości wodoru do tlenku węgla(ii). W przypadku prowadzenia syntez FT maksymalny stosunek H 2 /CO wynosi 2,0 i zmienia się w zależności od ukierunkowania procesu na dany typ związ- 88/4(2009) 335

6 Tabela 3. Przykładowy skład produktów procesu PZW oraz wartość opałowa gazu w zależności od użytego czynnika zgazowującego Table 3. Chemical composition of the underground coal gasification products and their heating values depending on the gasification agent applied Czynnik zgazowuj¹cy Powietrze zimne Powietrze podgrzane Tlen + powietrze (45% O 2 ) Tlen Tlen + para wodna Przyk³adowy sk³ad gazu, % obj. CO 2 9,9 CO 14,6 H 2 10,9 CH 4 1,6 N 2 62,0 CO 2 11,6 CO 14,7 H 2 13,3 CH 4 1,6 N 2 58,3 CO 2 30,0 CO 11,9 H 2 13,2 CH 4 1,8 N 2 47,0 CO 2 28,8 CO 25,8 H 2 37,0 CH 4 6,3 N 2 1,4 CO 2 24,5 CO 31,4 H 2 41,2 CH 4 2,8 N 2 0,1 Wartoœæ opa³owa, MJ/m 3 ków węglowodorowych, dla syntezy alkoholu metylowego wymagany stosunek składników wynosi ok. 2, a w przypadku procesu metanizacji ok. 3. Należy zaznaczyć, że stosunek H 2 /CO w gazie surowym wytwarzanym metodą zgazowania podziemnego przy zastosowaniu tlenu lub tlenu w mieszaninie z parą wodną mieści się w przedziale od 1 do 1,5. Uzyskanie gazu syntezowego o wymaganym składzie wymaga wprowadzenia dodatkowej przeróbki chemicznej gazu surowego, polegającej na jego konwersji parą wodą, w wyniku której w mieszaninie procesowej wzrasta udział wodoru w stosunku do tlenku węgla(ii). Podobnie jak w przypadku produktów zgazowania węgla otrzymywanych w konwencjonalnych reaktorach, gaz otrzymywany w procesie PZW wymaga również na wstępie oczyszczenia z zanieczyszczeń, uzdatniającego go do różnych zastosowań. Po pozbawieniu zanieczyszczeń mechanicznych, takich jak unoszony z gazem pył węglowy i popiół, w następnej kolejności usuwane są składniki ciekłe (oleje, woda i smoła). Dalsze oczyszczenie uzależnione jest od przeznaczenia gazu. W przypadku procesów katalitycznych usuwane są składniki obniżające aktywność i żywotność katalizatorów. Ponadto gaz pozbawiony zostaje składników obojętnych, a dopiero wtedy ustalane są wzajemne proporcje składników odpowiadające wymaga- 3,6 3,9 4,4 9,5 9,5 niom planowanej syntezy. Należy podkreślić, że procesy oczyszczania, rozdziału i konwersji produktów gazowych mające na celu przygotowanie gazu o parametrach podyktowanych wymogami syntezy są kosztowne i znacząco rzutują na opłacalność całego przedsięwzięcia. Wykorzystanie produktów PZW w syntezie chemicznej, oprócz wymogu zmiany składu surowego gazu w procesie konwersji parą wodną, oznacza konieczność utrzymania stałego strumienia dostaw produkowanego gazu przy równoczesnym zachowaniu niewielkich zmian w jego składzie chemicznym. Liczne doniesienia literaturowe potwierdzają możliwość prowadzenia procesu w sposób gwarantujący uzyskanie właściwych parametrów ilościowych i jakościowych strumienia gazu. Niemniej jednak ze względu na bardzo złożony charakter procesu zgazowania podziemnego, prowadzonego w warunkach nieporównywalnych do zgazowywaczy powierzchniowych, należy spodziewać się licznych zaburzeń parametrów pracy reaktora podziemnego i otrzymywanych produktów gazowych. Dodatkowe prace badawcze nad przebiegiem i kinetyką procesu zgazowania podziemnego oraz postęp w dziedzinie modelowania matematycznego procesu PZW są obecnie niezbędne dla rozwiązania istotnych problemów związanych z rozwojem technologii. Jako przykład rozwiązania umożliwiającego złagodzenie wpływu niekorzystnych fluktuacji parametrów wytwarzanego gazu podaje się również koncepcję budowy instalacji poligeneracyjnych, w których oprócz szeregu syntez chemicznych prowadzi się także produkcję energii elektrycznej w układach gazowo parowych. Jest to rozwiązanie, które umożliwia reagowanie w sposób elastyczny na nagłe zmiany parametrów ilościowych, stawiając jako priorytet kompleks syntezy chemicznej i skierowanie powstałych nadwyżek gazu do turbiny gazowej. Z punktu widzenia prowadzenia syntez chemicznych zgazowanie podziemne prowadzone przy zastosowaniu powietrza lub powietrza wzbogaconego parą wodą nie ma większego znaczenia. Aspekty ekonomiczne technologii PZW W obliczu niewielkiej ilości danych procesowych z doświadczeń nad PZW oraz często krótkich okresów eksploatacji reaktorów podziemnych, analiza opłacalności ekonomicznej instalacji opartych na procesie podziemnego zgazowania węgla jest zagadnieniem bardzo złożonym. Ekonomia procesu PZW uwarunkowana jest wieloma czynnikami związanymi zarówno z warunkami naturalnymi panującymi w miejscu budowy instalacji, takimi jak typ węgla, zawartość popiołu, nachylenie i grubość pokładu, głębokość zalegania pokładu i warunki hydrogeologiczne złoża, jak i kierunków wykorzystania otrzymanych produktów zgazowania. Pewne światło na aspekty ekonomiczne procesu PZW rzucają obecnie prowadzone w świecie badania nad komercyjnym wdrożeniem technologii zgazowania podziemnego. W raporcie firmy GasTech przygotowanym w 2007 r. dla Wyoming State Energy Council 14) pod uwagę brano różne konfiguracje procesu zgazowania w reaktorze podziemnym zakładanym na głębokości ok. 320 m w pokładzie o grubości 34 m. Analizie poddano przypadek zgazowania węgla powietrzem i wykorzystania gazu w turbinie gazowej do wytwarzania energii elektrycznej oraz przypadek zgazowania Tabela 4. Porównanie danych techniczno-ekonomicznych instalacji podziemnego zgazowania węgla dla różnego przeznaczenia gazu 14) Table 4. Comparison of the technical-economic data for the underground coal gasification plants for various gas utilization methods 14) Rodzaj instalacji Parametr PZW produkcja energii elektrycznej PZW-FT PZW-FT Czynnik zgazowuj¹cy powietrze tlen tlen + para wodna Wydajnoœæ instalacji, GJ/h (gaz) 1 835, , ,5 Œrednia wartoœæ opa³owa gazu, MJ/m 3 5,6 11,4 11,4 Nak³ady inwestycyjne ogó³em, mln USD 58,34 69,59 108,61 Koszty operacyjne, mln USD/rok 13,47 23,78 30,93 Koszty produkcji gazu surowego, USD/GJ 1,54 2,42 3, /4(2009)

7 Tabela 5. Wyniki analiz techniczno ekonomicznych dla instalacji syntezy Fischera i Tropscha wykorzystujących gaz ze zgazowywaczy powierzchniowych i instalacji PZW 14) Table 5. Results of technical-economic analyses for Fischer-Tropsch plants based on conventional gasification reactors and underground coal gasification 14) Parametr PZW-FT FT Nak³ady inwestycyjne ogó³em, mln USD Koszty operacyjne, mln USD/r 53,2 45,3 Dochód roczny, mln USD w tym: nafta FT diesel FT elektrycznoœæ 257,7 17,1 187,0 53,6 257,7 17,1 187,0 53,6 Zdyskontowana stopa zwrotu inwestycji, % 18,1 16,1 NPV, mln USD 103,5 43,8 węgla tlenem i mieszaniną tlenu z parą wodną celem uzyskania gazu syntezowego dla prowadzenia syntezy FT. Porównanie danych techniczno-ekonomicznych instalacji podziemnego zgazowania węgla dla różnego przeznaczenia gazu przedstawiono w tabeli 4 14). Porównanie wyników analiz uzyskanych dla instalacji poligeneracyjnych, w których prowadzona jest synteza paliw syntetycznych metodą FT (10200 baryłek/dzień) oraz produkcja energii elektrycznej w bloku o mocy 255 MW dla przypadku wykorzystującego gaz pochodzący ze zgazowania podziemnego tlenem oraz przypadku, gdy gaz wytwarzany jest w reaktorze konwencjonalnym przedstawiono w tabeli 5. O atrakcyjności ekonomicznej układów opartych na procesie PZW, pomimo oszacowanych wyższych kosztów eksploatacyjnych instalacji, decydują niższe nakłady inwestycyjne wynikające z braku konieczności zakupu zgazowywaczy powierzchniowych. Ryzyko środowiskowe i szczelność reaktora podziemnego Aspekt bezpieczeństwa środowiskowego stanowi jedno z podstawowych kryteriów przy kwalifikacji pokładów do eksploatacji metodą PZW. Zanieczyszczenie wód gruntowych oraz osiadanie powierzchni terenu to główne zagrożenia środowiskowe związane z prowadzeniem tego procesu. Skala zjawiska osiadania terenu przy prowadzeniu procesu na skalę przemysłową jest porównywalna z tradycyjnymi metodami eksploatacji pokładów i zmniejsza się wraz ze wzrostem głębokości prowadzenia procesu 11). Do poważniejszych problemów zalicza się potencjalny negatywny wpływ procesu PZW na wody podziemne. W trakcie prowadzenia procesu zgazowania podziemnego powstają liczne zanieczyszczenia, do których zaliczyć należy przede wszystkim związki aromatyczne (benzen, toluen, etylobenzen, ksyleny, fenole oraz wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne). Istnieje również wysokie ryzyko uwalniania znacznych ilości metali ciężkich z popiołów powstających w trakcie prowadzenia procesu. Wysokie temperatury panujące w reaktorze podczas prowadzenia zgazowania oraz znaczne rozgrzanie górotworu znacząco wpływają na wzrost rozpuszczalności zanieczyszczeń w wodach, ułatwiając ich migrację do warstw wodonośnych będących w kontakcie fizycznym z przestrzenią, w której przebiega proces zgazowania. Wysoka mobilność zanieczyszczeń w otoczeniu reaktora podziemnego spowodowana jest występowaniem wielu naturalnych oraz sztucznie wytworzonych spękań górotworu oraz pokładu węgla, powstających pod wpływem działania czynników termicznych i mechanicznych związanych z procesem zgazowania podziemnego. Mobilność rozpuszczonych w wodach zanieczyszczeń może zostać w znacznym stopniu ograniczona poprzez kontrolę kierunku przepływu wód w warstwach otaczających i utrzymanie warunków termodynamicznych procesu sprzyjających migracji wód do wnętrza reaktora, a nie do jego otoczenia. W praktyce problem kierunku migracji wód rozwiązać można utrzymując we wnętrzu reaktora ciśnienia niższe od ciśnień wywieranych przez otaczające warstwy. W wyniku tego woda migruje z otoczenia do wnętrza reaktora, uniemożliwiając transport zanieczyszczeń do warstw wodonośnych. Powyższe założenia potwierdzono w praktyce w trakcie realizacji projektu Chinchilla w Australii. Monitoring terenu prowadzony w trakcie oraz po zakończeniu projektu, nie wykazał negatywnego oddziaływania przeprowadzonej próby na środowisko wód podziemnych. Ponad pięćdziesięcioletnie doświadczenia w prowadzeniu zgazowania podziemnego w Angren również dowiodły bezpieczeństwa procesu pod względem oddziaływania na wody gruntowe. Do poważnych skażeń wód podziemnych i gruntu doszło natomiast w dwóch lokalizacjach prowadzenia eksperymentów nad PZW w USA. W Hoe Creek przeprowadzono w latach trzy próby zgazowania podziemnego. Badania wykazały zapadnięcie się kawerny poreakcyjnej i zatopienie jej przez trzy zbiorniki wód podziemnych. W wyniku tego znaczne ilości zanieczyszczeń organicznych, głównie związków aromatycznych oraz węglowodorów alifatycznych przedostały się do systemu wód gruntowych. Do poważnego zanieczyszczenia wód podziemnych doszło również w trakcie prób prowadzonych w Carbon County w stanie Wyoming. Problem skażenia wód gruntowych w obu lokalizacjach nie został rozwiązany do dnia dzisiejszego. Należy zaznaczyć, że w obydwu przypadkach popełniono poważne błędy eksploatacyjne oraz zlekceważono podstawowe założenia dotyczące kryteriów geologicznych i hydrogeologicznych wyboru lokalizacji przedsięwzięć. Do podstawowych środków mających na celu minimalizację ryzyka środowiskowego związanego z prowadzeniem procesu PZW należy przede wszystkim zapewnienie braku kontaktu reaktora z wodą gruntową, co w praktyce realizowane jest poprzez prowadzenie procesu w pokładach odciętych od najbliższych poziomów wodonośnych warstwą nieprzepuszczalną (izolacja geologiczna), lokalizowanie reaktorów podziemnych w miejscach o odpowiednich warunkach geologicznych i hydrogeologicznych, zapewniających minimalizację migracji smugi zanieczyszczeń w warstwach wodonośnych, prowadzenie procesu przy parametrach zapewniających minimalizację zjawisk transportu zanieczyszczeń ze strefy zgazowania do otoczenia reaktora (możliwe niskie ciśnienie i temperatura procesu), ścisła izolacja kanałów wiertniczych oraz monitoring otoczenia prowadzenia procesu. W przypadku zgazowania pokładów płytko zalegających problemem może okazać się również brak szczelności reaktora w odniesieniu do składników gazowych, mogący doprowadzić nie tylko do znacznych strat gazu i pogorszenia warunków pracy reaktora (spadek ciśnienia), ale również powodować zagrożenie chemiczne na powierzchni. W przypadkach, w których warunki zalegania złoża nie gwarantują naturalnej izolacji geologicznej (np. w postaci warstw nieprzepuszczalnych występujących w warstwie nadkładu), rozważa się zastosowanie izolacji sztucznej, stosując odpowiednio dobrane środki uszczelniające górotwór. Podsumowanie i wnioski Kilkudziesięcioletnie doświadczenia światowe w dziedzinie podziemnego zgazowania węgla dowiodły wykonalności technicznej procesu. Wiele danych potwierdza również atrakcyjność ekonomiczną takiego sposobu pozyskiwania energii chemicznej zawartej w węglu. Niemniej jednak ze względu na ubogi stan wiedzy w dziedzinie PZW istnieje potrzeba dalszych prac badawczych w tym obszarze. Optymistyczne dane procesowe w połączeniu z trudną sytuacją na rynkach paliw węglowodorowych powodują, że w ostatnim czasie obserwuje się wzmożoną aktywność wielu ośrodków badawczych oraz rządów państw w dziedzinie badań nad technologiami podziemnego zgazowania węgla. Szczególne zainteresowanie w dziedzinie PZW wykazują państwa posiadające duże zasoby geologiczne węgla kamiennego, których znaczna część zalega poza zasięgiem górnictwa konwen- 88/4(2009) 337

8 cjonalnego, bądź których wydobycia zaniechano z przyczyn ekonomicznych. Do puli zasobów należy włączyć również pokłady, które nie nadają się do eksploatacji metodami górniczymi, a w szczególności pokłady nadmiernie zanieczyszczone substancją mineralną, resztki węgla pozostawione w polach wybranych, węgiel z filarów ochronnych lub z zamkniętych pól pożarowych oraz zasoby znajdujące się w zakładach wydobywczych przeznaczonych do likwidacji. Do krajów wykazujących szczególną aktywność w obszarze technologii PZW należą obecnie Chiny, Australia, RPA, Indie oraz W. Brytania. Polska w obliczu dużych zasobów geologicznych węgla, których znaczna część nie spełnia warunków eksploatacji tradycyjnymi metodami górniczymi posiada ogromny potencjał w obszarze badań i wdrażania komercyjnego technologii podziemnego zgazowania. Polscy badacze dzięki pracom prowadzonym w Głównym Instytucie Górnictwa w latach pięćdziesiątych do siedemdziesiątych ub. wieku, przyczynili się już do rozwiązania wielu istotnych zagadnień technicznych związanych z procesem PZW. Obecnie prowadzone w GIG badania nad podziemnym zgazowaniem węgla w ramach projektu HUGE z pewnością otworzą nowe perspektywy przed rozwojem technologii PZW w Polsce oraz pozwolą wyznaczyć perspektywiczne kierunki badań w tym obszarze. Ze względu na znaczne zróżnicowanie warunków geologicznych i hydrogeologicznych zalegania pokładów węgla o potencjalnym przeznaczeniu do eksploatacji metodą PZW, należy sądzić, że z uwagi na aspekty ryzyka środowiskowego, zastosowanie technologii będzie znacznie ograniczone. Realizacja tego typu przedsięwzięć będzie miała przez to charakter lokalny, wynikający nie tylko z ograniczeń związanych z warunkami zalegania pokładów, lecz również z lokalnych potrzeb i możliwości zagospodarowania produktów zgazowania. Otrzymano: , w wersji poprawionej: LITERATURA 1. J. Szuba, L. Michalik, Karbochemia. Zarys rozwoju, Wydawnictwo Śląsk, 1983 r. 2. J. Rauk, Gosp. Paliwami i Energią 1978, 10, M.S. Blinderman, R.M. Jones, 2002 Gasification Technologies Conf., San Francisco, USA, października 2002 r. 4. B. Białecka, Prace Nauk. GIG 2006, 4, K. Dziunikowski, Wiad. Górnicze 1957, 9, L. Yang, Fuel Process. Technol. 2003, 82, DTI, Directional Drilling in Coal, Great Britain, A. Brasseur i in., Fuel 2002, 81, A. Khadse i in., Energy 2007, 32, E. Burton i in., Best practices in underground coal gasification, Lawrence Livermore National Laboratory, 2006 r. 12. K. Dziunikowski, Przegl. Górniczy 1974, 12, K. Stańczyk i in. Przem. Chem. 2008, 87, GasTech, Viability of Underground Coal Gasification in the Deep Coals of the Powder River Basin, Wyoming, INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH I BARWNI KÓW w TORUNIU ODDZIAŁ ZAMIEJSCOWY FARB I TWORZYW w GLIWICACH zaprasza do zaprezentowania swoich osiągnięć na VIII Międzynarodowej Konferencji pt. ADVANCES IN PLASTICS TECHNOLOGY (POSTĘPY W TECHNOLOGII TWORZYW POLIMEROWYCH) która odbędzie się w dniach 3 5 listopada 2009 r. na terenie Międzynarodowych Targów Katowickich, Katowice, ul. Bytkowska 1b Tematyka Konferencji obejmuje: Nowości w zakresie bazy surowcowej dla tworzyw (polimery, pigmenty, napełniacze) Nowe generacje środków pomocniczych i modyfikatorów Osiągnięcia w zakresie przetwórstwa tworzyw i ich stosowania Nowoczesne rozwiązania dotyczące maszyn i oprzyrządowania w przetwórstwie tworzyw Ochronę środowiska naturalnego, recykling, regulacje prawne Zagadnienia badawcze i rozwojowe oraz kontrolno-pomiarowe Badania rynku Językiem konferencji będzie język angielski z symultanicznym tłumaczeniem na język polski. Wszystkie materiały od osób prezentujących referaty i plakaty naukowe, tj. skrót referatu lub plakatu (do 120 słów), biografia autora (do 50 słów), pełny tekst referatu lub plakatu (do 10 stron formatu A-4), powinny być dostarczone w języku angielskim. Czas prezentacji referatu wynosi ok. 30 minut (wraz z dyskusją). Będzie możliwość promocji firmy w formie wkładki reklamowej, plakatu lub stanowiska promocyjnego w czasie trwania konferencji. Tytuł referatu lub plakatu wraz z jego skrótem oraz biografia osoby prezentującej powinny być dostarczone w terminie do 15 czerwca 2009 r. na poniższy adres: Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników Oddział Zamiejscowy Farb i Tworzyw w Gliwicach Komitet Organizacyjny Konferencji APT 09 mgr inż. Anna Pająk ul. Chorzowska 50A, Gliwice tel. +48 (32) ; fax: +48 (32) ; a.pajak@impib.pl /4(2009)