UPŁYNNIANIE I ZGAZOWANIE WĘGLA SPOSOBEM NA JEGO WYKORZYSTANIE W SILNIKACH SPALINOWYCH I W ENERGETYCE Autor: Tadeusz Olkuski ( Rynek Energii nr 4/2012) Słowa kluczowe: upłynnianie węgla, zgazowanie węgla Streszczenie. W artykule przedstawiono dwie alternatywne, w stosunku do tradycyjnego spalania węgla, metody wykorzystywania tego surowca. Są to upłynnianie i zgazowanie. Pierwsza z tych metod powstała już w latach dwudziestych ubiegłego wieku, lecz później, ze względu na dostępność taniej ropy naftowej, produkcja benzyny z węgla była nieopłacalna. Obecnie przy wysokich cenach ropy i niestabilnej sytuacji w krajach Bliskiego Wschodu coraz częściej wraca się do zaniechanej przez lata metody upłynniania węgla. Drugim sposobem wykorzystywania węgla jest jego zgazowanie. Celem tego procesu jest przetworzenie paliwa stałego na gaz syntezowy dla chemii lub gaz służący jako paliwo dla energetycznych układów gazowo-parowych. Obecnie w ramach Konsorcjum Naukowo-Przemysłowego Zgazowanie węgla realizowany jest projekt Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii, w którym biorą udział, między innymi, pracownicy Wydziału Energetyki i Paliw Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. 1. WSTĘP Jedną z metod alternatywnego wykorzystywania węgla jest jego upłynnienie i po przeróbce wykorzystywanie w silnikach spalinowych. Już w latach dwudziestych ubiegłego wieku Niemcy F. Fischer i H. Tropsch opracowali metodę produkcji syntetycznych paliw płynnych z węgla. Benzyna z węgla miała szczególne znaczenie podczas II wojny światowej, gdyż Niemcy nie posiadają złóż ropy naftowej, natomiast posiadają znaczne zasoby węgla. Do 1945 roku instalacje o niewielkich mocach pracowały w Wielkiej Brytanii, Stanach Zjednoczonych i w Japonii. Także w Polsce, na niewielką skalę, upłynniano węgiel w zakładach chemicznych w Oświęcimiu. Po wojnie zaniechano na pewien czas produkcji paliw płynnych z węgla ze względu na nieekonomiczność tego procesu. Tania ropa naftowa spowodowała całkowite wstrzymanie produkcji paliw płynnych z węgla. Inną metodą nowoczesnego podejścia do wykorzystywania węgla jest jego zgazowanie. Zgazowywać można zarówno węgiel kamienny jak i węgiel brunatny. Dużą zaletą procesu jest możliwość wykorzystywania węgli o dużej zawartości siarki, gdyż nie przeszkadza ona w procesie zgazowania, a można ją usunąć podczas oczyszczania gazu procesowego. Można również stosować zintegrowane układy oksyspalania i zgazowania węgla. Wszystkie nowatorskie metody wykorzystywania węgla mają na celu, przede wszystkim, ograniczenie emisji CO 2 [22]. W chwili obecnej ogromne nadzieje budzi projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Strategicznego Programu Badań Naukowych i Prac Rozwojowych pt. Zaawansowane technologie pozyskiwania energii realizowany przez Konsorcjum, którego skład zostanie podany w dalszej części artykułu. Węgiel można zgazowywać zarówno na powierzchni jak i pod ziemią. Niemniej jednak, zdaniem autora, w warunkach polskich tylko ta pierwsza metoda może mieć zastosowanie.
2. UPŁYNNIANIE WĘGLA W 1955 roku w Republice Południowej Afryki firma Sasol uruchomiła instalację do upłynniania węgla. Produkcja ta trwa do dnia dzisiejszego i wynosi obecnie 6 mln ton produktów ciekłych, z których 60% stanowią paliwa, a pozostała część to chemikalia. Należy jednak pamiętać, że wykorzystywany jest tam tani węgiel, a poza tym, kraj ten przez wiele lat był izolowany przez społeczność międzynarodową z powodu apartheid u, co wymusiło szukanie własnych źródeł zaopatrzenia w paliwa. Produkcja paliw płynnych z węgla jest sensowna jedynie w przypadku utrzymywania się wysokich cen ropy naftowej na rynkach światowych. Kilka lat temu Kompania Węglowa podała informację, że baryłka ropy węglowej będzie kosztować 35 USD. Źródła amerykańskie podają, że produkcja taka opłaca się nawet przy cenie baryłki ropy przekraczającej już 25 USD, co sugeruje, że są w stanie wytworzyć swój produkt taniej. W przypadku skojarzonego przerobu węgla oraz zużytych opon samochodowych produkcja paliw płynnych z węgla może być opłacalna nawet przy cenie 14 USD za baryłkę [6]. Gdy w lipcu 2008 roku cena baryłki ropy zbliżyła się do 150 USD wydawało się, że benzyna z węgla będzie najlepszym rozwiązaniem dla krajów nie posiadających zasobów tego surowca. Jednak w krótkim czasie cena ropy spadła poniżej 40 USD, co postawiło pod znakiem zapytania celowość budowy zakładu przerabiającego węgiel na benzynę. Firma chemiczna Dwory w Oświęcimiu miała wybudować zakład przerabiający 15 mln ton węgla rocznie na paliwa płynne kosztem 4 mld euro [25]. Ceny ropy zmieniają się jednak bardzo często i trudno przewidzieć na jakim poziomie ustali się cena w przyszłości. Trudno inwestować nie wiedząc, czy ta inwestycja przyniesie zysk, a w gospodarce rynkowej jest to czynnik niezbędny do podjęcia decyzji o rozpoczęciu produkcji. Już w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku zakupiono aparaturę do upłynniana węgla w kopalni Janina, lecz nigdy nie została ona zmontowana. Plany rozwoju takiej produkcji mają Chiny oraz USA, ale trudno przewidzieć co z tego wyniknie. Cena ropy naftowej, tak naprawdę, ma niewiele wspólnego z kosztami wydobycia, gdyż te szacowane są na kilka dolarów. Wahania cen spowodowane są głównie spekulacją, zmową cenową państw producentów ropy naftowej, obawami o bezpieczeństwo dostaw, czy też kosztami utrzymania wojsk na Bliskim Wschodzie. Gdyby udało się produkować benzynę z węgla, to producenci ropy naftowej z pewnością obniżyliby cenę ropy do tak niskiego poziomu, aby zmusić producentów paliw syntetycznych do zaniechania swojej działalności. Wydobycie ropy jest zdecydowanie tańsze od wydobycia węgla, więc tego typu produkcję należy traktować jako potencjalną możliwość w bliżej nieokreślonym czasie, zwłaszcza że przeróbka węgla na benzynę też jest procesem kosztochłonnym. Ropa z węgla ma dodatkowo inny skład chemiczny. Posiada między innymi znaczną ilość związków zawierających azot i tlen. Azot utrudnia usuwanie związków siarki, a tlen zmniejsza stabilność frakcji węglowodorowych. Proces ten wymaga też zużycia ogromnych ilości wody [14]. W przypadku Polski, produkcja paliw płynnych z węgla byłaby bardzo korzystna, pod warunkiem wysokich cen ropy, gdyż dałaby nowe miejsca pracy na Śląsku, pozwoliłaby na wykorzystanie rodzimych złóż węgla i uniezależniłaby nasz kraj od dostaw ropy zza granicy. Produkcja paliw płynnych z węgla nazywana CTL (Coal to Liquid) może być prowadzona w sposób bezpośredni (DCL Direct Coal Liquefaction) lub metodą pośrednią (ICL Indirect Coal Liquefaction). Metoda bezpośrednia polega na wprowadzeniu wodoru do struktur węgla dzięki czemu następuje ich częściowe rozbicie. Metoda pośrednia polega na zgazowaniu węgla, a następnie z mieszaniny CO i H 2 syntetyzuje się paliwa płynne. Obecnie w Chinach budowane są dwa zakłady Ningxia i Shenhua produkujące syntetyczne paliwo metodą ICL o zdolności produkcyjnej 160 tys. bpd (baryłek/dobę). Koszty pierwszej fazy budowy szacowane są na 3,3 mld USD, a cena syntetycznej ropy powinna wynieść około 15 USD/baryłkę. Planowana jest również budowa zakładu Maijata, w którym wykorzystywana będzie metoda DCL. Produkcja ma wynosić 50 tys. bpd, a cena tak otrzymanej baryłki 26 USD. W Stanach Zjednoczonych planowane są dwa zakłady z instalacjami ICL, jeden w Arizonie, a drugi w Północnej Dakocie. Ich całkowita zdol-
ność produkcyjna powinna wynieść 50 tys. bpd. [3]. Wszystkie inwestycje prowadzone są przy współpracy z firmą SASOL, mającą największe doświadczenie w tej dziedzinie. Jak podają, na podstawie raportów tej firmy, Cetnar i Kopeć [3], na jedną tonę produktu finalnego należy zużyć 5 ton węgla, a produktem ubocznym jest 10 ton CO 2. Jest to poważny problem w dobie coraz ostrzejszych limitów emisji gazów cieplarnianych. Problem dotyczy zwłaszcza terenu Unii Europejskiej. 3. ZGAZOWANIE Zgazowanie jest trzecim, po spalaniu i odgazowywaniu, kierunkiem wykorzystywania węgla. Jego celem jest przetworzenie paliwa stałego na gaz syntezowy dla chemii lub gaz służący jako paliwo dla energetycznych układów gazowo-parowych. Czynnikami zgazowującymi węgiel może być tlen lub powietrze i para wodna, natomiast w przypadku konwersji węgla do metanu wodór [2, 12]. Zgazowanie należy do procesów energotechnicznych, pozwalających na wykorzystanie efektów reakcji i przemian chemicznych zachodzących podczas reakcji niepełnego utleniania paliw i dalszych przemian chemicznych produktów niepełnego i pełnego spalania paliw. Z danych statystycznych wynika, że w latach 1972 2007 powstało w świecie 21 doświadczalnych i komercyjnych instalacji IGCC (ang. Integrated Gasification Combined Cycle) do zgazowania węgla, pozostałości z przeróbki ropy naftowej, koksu naftowego, asfaltu, biomasy i odpadów. Bloki energetyczne oparte na tych instalacjach miały moc elektryczną 15 550 MW, a sumaryczna moc wynosiła 4050 MW. Większość zbudowanych bloków wykorzystywana jest do produkcji energii elektrycznej (układy gazowo-parowe 14 bloków), do produkcji pary (4 bloki), do produkcji wodoru (2 bloki) i metanolu (2 bloki) [10]. Gaz powstały obecnie w procesach zgazowania w 49% pochodzi z węgla, w 37% z produktów przemysłu petrochemicznego, a pozostałe 14% wytwarzane jest z gazu, koksu naftowego i biomasy [5, 24]. Ogółem na świecie działają obecnie 144 instalacje zgazowania wyposażone w 427 reaktorów. Gaz procesowy ze zgazowania węgla stosowany jest głównie w syntezie Fischera-Tropscha, wykorzystywanej do produkcji paliw ciekłych oraz syntetycznego gazu ziemnego (SNG). Instalacje takie pracują w Republice Południowej Afryki (Sasol Lurgi) oraz w zakładzie SNG w Great Plane w USA. W przypadku wdrażanych nowych instalacji gaz będzie służyć głównie do produkcji substancji chemicznych w 75% i energii elektrycznej 24% [24]. Technologię zgazowania wybiera się pod kątem surowca, który ma być poddany zgazowaniu. Często zdarza się, że instalacje do zgazowywania budowane są po to, aby zagospodarować niskojakościowe produkty i odpady, na przykład z przemysłu petrochemicznego, posiadające substancje o dużej zawartości siarki oraz ciężkie odpady przeróbcze. Jeśli jednak celem zgazowania jest produkcja energii elektrycznej i ciepła lub surowca do syntezy chemicznej, należy dokładnie dobrać surowiec kierując się względami ekonomicznymi i ekologicznymi. Dlatego też wiele funkcjonujących lub budowanych instalacji wykorzystuje specjalnie dobrany węgiel, mieszanki węglowe, biomasę, łupki bitumiczne, czy nawet asfalt [11]. Największym zainteresowaniem, jako surowcem do zgazowania, cieszy się obecnie węgiel kamienny i węgiel brunatny. Do procesu zgazowania nadaje się każdy rodzaj węgla zarówno kamiennego jak i brunatnego, jednak ze względu na uzyskanie odpowiednich parametrów technologii zgazowania pożądany jest węgiel o stosunkowo niskiej zawartości popiołu, do 15%, a najlepiej około 10% oraz o wartości opałowej powyżej 22 MJ/kg. Zawartość siarki w tym procesie nie ma znaczenia, gdyż nie wpływa ona na jakość zgazowania i usuwana jest w trakcie oczyszczania gazu procesowego [2]. Ze względu na brak podaży węgla o odpowiednio dobrych parametrach jakościowych zakłada się, że zgazowaniu będą poddawane gorsze węgle o zawartości popiołu około 20% i wartości opałowej 18 20 MJ/kg [23]. Po
wstępnych analizach, ze względu na właściwości jakościowe jak też wielkość zasobów, do zgazowania wytypowano węgle z kopalń: Janina 1463 mln ton zasobów bilansowych i 379 mln ton zasobów przemysłowych, Bogdanka 828 mln ton zasobów bilansowych i 342 mln ton zasobów przemysłowych, Piast 916 mln ton zasobów bilansowych i 275 mln ton zasobów przemysłowych i Ziemowit 947,5 mln ton zasobów bilansowych i 130 mln ton zasobów przemysłowych [2]. W tabeli 1 przedstawiono właściwości węgli kamiennych do zgazowania [24]. Pokłady węgla kamiennego przeznaczone do eksploatacji techniką zgazowania podziemnego powinny cechować się określonymi parametrami fizykochemicznymi węgla oraz grubością i warunkami geologicznymi występowania złoża, takimi jak położenie geologiczne, stratygrafia, tektonika itp. Kryteria kwalifikacji technologii podziemnego zgazowania węgla w Polsce przedstawiono w tabeli 2 [9]. Tabela 1 Właściwości węgli kamiennych do zgazowania [24] Kopalnia Oznaczenie Janina Bogdanka Piast Ziemowit Q [MJ/kg] 18,16 21,28 18,0 20,0 19,83 r i r A [%] 17,53 19,73 20,0 25,0 18,52 r S t[%] 1,82 1,00 0,91 1,40 1,30 r W [%] 19,06 11,32 13,0 16,0 14,77 Tabela 2 Kryteria kwalifikacji technologii podziemnego zgazowania węgla w Polsce [9] Kryterium kwalifikacji Typ węgla Właściwości fizykochemiczne Głębokość zalegania Grubość pokładu Kąt nachylenia pokładu Rodzaj i szczelność górotworu Warunki hydrogeologiczne Tektonika złoża Wielkość zasobów Obecność metanu w złożu Warunki infrastruktury Charakterystyka od płomiennego do antracytu duża zawartość części lotnych, słaba zdolność do spiekania lub jej brak wzrost kosztów wytworzonego gazu wraz ze wzrostem głębokości powyżej 1 metra dowolny zwięzłość i szczelność górotworu, grubość i litologia górotworu nadkład warstw słabo przepuszczalnych (gliny, iły, łupki) brak szczelin, warstw wodonośnych, zbiorników wodnych powodujących dopływ wód jednorodność złoża (brak szczelin, uskoków) kryterium opłacalności zagrożenie gazowe brak zabudowy Procesy zgazowania węgla na powierzchni są dobrze znane i stosowane na skalę przemysłową w kilku krajach. Gorzej wygląda sytuacja z podziemnym zgazowaniem węgla. W celu wyjaśnienia wszystkich niewiadomych należy tworzyć instalacje pilotażowe i demonstracyjne. Dwie takie instalacje są przygotowywane na Dolnym Śląsku i w okolicach Rybnika. Rozważa się również możliwość zgazowania węgla brunatnego z części złoża legnickiego. Wytworzony w ten sposób gaz mógłby zasilać małą lokalną elektrownię lub elektrociepłownię [13].
Do zgazowania węgla wykorzystuje się różnego rodzaju reaktory. Na rys. 1 przedstawiono rodzaje reaktorów stosowanych do zgazowania [7]: ze złożem stałym, ze złożem fluidalnym, reaktory dyspersyjne. Rys. 1. Procesowe rozwiązania reaktorów zgazowania [7] Reaktory ze złożem stałym stosowane są w starszych systemach zgazowania. Ich wadą jest wolny przepływ gazu w górę przez złoże kawałkowego wsadu węglowego. W reaktorach ze złożem fluidalnym cząstki węgla są zawieszone w strumieniu gazu, a temperatura procesu jest niższa od temperatury mięknienia popiołu. Rozwiązanie takie jest korzystne dla hydrozgazowania lub procesu tlenkowej pętli chemicznej (chemical looping). W reaktorach dyspersyjnych cząstki pyłu węglowego płyną współprądowo z dużą prędkością. Reaktory te stosowane są najczęściej we współczesnych rozwiązaniach tlenowych reaktorów zgazowania [5]. Produktem końcowym podziemnego zgazowania węgla (ang. Underground Coal Gasification UCG) jest mieszanina gazów składająca się głównie z H 2, CO, CO 2 oraz CH 4. Przykładowy skład gazu syntezowego otrzymanego metodą UCG przedstawiono na rys. 2. Wartość kaloryczna wynosi 13,6 MJ/Nm 3 [18]. Tabela 3 Wybrane technologie zgazowania [4] Wyszczególnienie Technologia Wielkość, parametr Czynnik zgazowujący Postać paliwa na zasilaniu Wielkość ziarna węgla, [mm] Rodzaj generatora ze złożem fluidalnym Lurgi/BG HTW KRW U-Gaz O 2 + H 2 O powietrze (O 2 + H 2 O) pow. + H 2 O (O 2 + H 2 O) węgiel suchy suchy suchy 3 50 6 5 6 ze złożem stałym pow. + H 2 O (O 2 + H 2 O) pasta węglowowodna
Odprowadzenie popiołu żużel popiół (suchy) popiół (zlepiony) popiół (zlepiony) Sposób chłodzenia generatora pary) wodne (gener. proces adiabat. proces adiabat. proces adiabat. Temperatura, [ o C] strefy reakcji 1 800 950 110 1 100 gazu surowego 430 500 900 1 000 1 000 Ciśnienie, [MPa] 2,5 3 1 2,7 2 2,5 Stopień konwersji węgla, 99,7 90 92 (pow.) 96,5 (pow.) 97 (pow.) [%] Sprawność konwersji, [%] (*) 89 91 (W d ) 70 75 (pow.) (W d ) 69,7 (pow.) (W d ) 69,6 (pow.) (Q s ) Rys. 2. Przykładowy skład gazu syntezowego otrzymanego metodą UCG [18] Skład generowanego gazu zależy od właściwości procesu zgazowania oraz rodzaju paliwa, w tym głównie od zawartości części lotnych, popiołu, wilgoci oraz od reakcyjności węgla, jego zdolności do spiekania i rozdrabniania. Efektywność konwersji węgla jest oceniana przez podanie stopnia konwersji oraz sprawności zimnej i pełnej uwzględniającej efekty chłodzenia generatora i gazu syntezowego. Dla zgazowania tlenowego stopień konwersji przekracza 99% [4]. W tabelach 3 i 4 przedstawiono wybrane technologie zgazowania. Wyszczególnienie Technologia Wielkość, parametr Czynnik zgazowujący Postać paliwa na zasilaniu Wielkość ziarna węgla, [mm] Odprowadzenie popiołu Sposób chłodzenia generatora TEXACO Tabela 4 Wybrane technologie zgazowania [4] SHELL Rodzaj generatora strumieniowy DESTEC PRENFLO 4EW GSP (DOW) O 2 + H 2 O O 2 + H 2 O O 2 + H 2 O O 2 + H 2 O powietrze O 2 + H 2 O zawiesina wodnowęglowa suchy suchy suchy suchy suchy 0,5 0,1 0,1 0,1 0,2 żużel proces. adiabat. żużel żużel żużel żużel żużel wodne (gener. pary) proces adiabat. wodne (gener. pary) proces adiabat. wodne (gener. pary) Temperatura, [ o C] strefy reakcji do 2 000 1 430 - do 2 000 2 000 do 2 000 gazu surowego 1 300 1 900 1) 1 038 2) 1 400 1 900 500 600 1 600
Ciśnienie, [MPa] 3 8 2 3 2,2 2 3 2 2,5 do 5 Stopień konwersji węgla, [%] > 99 99,7 99,3 99,7 ok. 60 99,5 Sprawność konwersji, 76 81,6 77 74,5 brak da- 77 [%] (*) (W d ) (Q s ) (Q s ) (Q s ) nych (W d ) (*) energetyczna sprawność konwersji (zimna) odniesiona do ciepła spalania (Qs) lub wartości opałowej (Wd), 1) po suchym gaszeniu; 2) projekt dwustopniowy Do zgazowania węgla wykorzystywana jest endotermiczna reakcja otrzymywania gazu wodnego i reakcji Boudouarda [16] C+CO 2CO- H o 2 298 =+159,7kJ/mol oraz egzotermiczna konwersja tlenku węgla z parą wodną. Jest to proces znany, stosowany od lat w RPA w celu uzyskania gazu syntezowego do procesów Fischera-Tropscha. Zgazowanie węgla nie było do tej pory procesem opłacalnym i stosowano je jedynie w warunkach wojennych w Niemczech, podczas II wojny światowej, oraz w RPA, ze względu na międzynarodowe embargo. Zgazowanie węgla było do tej pory procesem drogim i nieopłacalnym, gdyż należało uwzględnić koszty wydobycia węgla, rozdrabniania, oczyszczania gazu syntezowego, czy też zagospodarowanie popiołu [16]. Przy utrzymujących się od kilku lat wysokich cenach ropy naftowej i gazu proces zgazowania węgla staje się technologią coraz bardziej perspektywiczną. Obecnie w ramach Konsorcjum Naukowo-Przemysłowego Zgazowanie węgla realizowany jest projekt Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii. Projekt finansowany jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Strategicznego Programu Badań Naukowych i Prac Rozwojowych pt. Zaawansowane technologie pozyskiwania energii. W skład Konsorcjum wchodzą: Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie (Lider Projektu), Główny Instytut Górnictwa w Katowicach, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu i Politechnika Śląska w Gliwicach, jako partnerzy naukowi. Ze strony przemysłu w Konsorcjum uczestniczą: Katowicki Holding Węglowy S.A., KGHM Polska Miedź S.A., Tauron Polska Energia S.A., Południowy Koncern Energetyczny S.A., Południowy Koncern Węglowy S.A., ZAK S.A. Celem projektu jest opracowanie dwóch instalacji pilotażowych. Jedną z nich jest ciśnieniowy reaktor z cyrkulującym złożem fluidalnym do zgazowania węgla z wykorzystaniem CO 2 jako czynnika zgazowującego. Zaletą tej technologii jest fakt, że zgazowanie przebiega w temperaturze 800 1000 o C i przy obecności węgla pierwiastkowego. Takie warunki mogą być osiągnięte jedynie w reaktorze ze złożem fluidalnym, w którym złoże w układzie jest odpowiednio zagęszczone, a nieprzereagowany karbonizat tworzy powierzchnię aktywną chemicznie do reakcji z wprowadzonym z zewnątrz CO 2. Przewiduje się, że ta technologia znajdzie zastosowanie w instalacjach przemysłowych średniej mocy w przemyśle chemicznym (produkcja wodoru), a także w energetyce do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w kogeneracyjnych układach IGCC. Druga instalacja pilotowa służyć będzie podziemnemu zgazowaniu węgla kamiennego powietrzem wzbogaconym w tlen, a wykorzystywana ma być w przyszłości w zakładach energetycznych o mocy do 50 MW, pracujących na potrzeby lokalnego rynku energii elektrycznej i ciepła. Opracowywana technologia podziemnego zgazowania węgla będzie wykorzystywana do eksploatacji złóż węgla kamiennego, w których zakończono eksploatację, lub w tych partiach pokładów, gdzie nie można zastosować innych technologii ze względów technicznych lub ekonomicznych [20]. Całość problematyki badawczej podzielono na osiem tematów badawczych, nad którymi nadzór merytoryczny pełnią poszczególni Partnerzy Naukowi.
Tematami tymi są [20,21]: opracowanie szczegółowej bazy danych węgli krajowych dla procesu zgazowania (AGH Kraków), opracowanie i weryfikacja w skali pilotowej technologii ciśnieniowego zgazowania węgla w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym przy wykorzystaniu CO 2 jako czynnika zgazowującego (IChPW Zabrze), opracowanie i weryfikacja w skali pilotowej technologii podziemnego zgazowania węgla (GIG Katowice), opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów kogeneracji i produkcji energii elektrycznej na bazie podziemnego zgazowania węgla (GIG Katowice), opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów produkcji paliw gazowych i ciekłych na bazie ciśnieniowego zgazowania węgla (IChPW Zabrze), opracowanie dla warunków krajowych mapy rozwiązań technologicznych (AGH Kraków), opracowanie projektów technologicznych układów stanowiących podstawę do budowy krajowych instalacji demonstracyjnych (GIG Katowice), kompleksowa ocena i wybór strategicznych kierunków zgazowania węgla (AGH Kraków). Podziemne zgazowanie węgla polega na doprowadzeniu z powierzchni czynnika zgazowującego i jego reakcji z węglem znajdującym się w pokładzie, czyli w miejscu zalegania (in situ). Metoda została opracowana na początku XX wieku, a do chwili obecnej przeprowadzono na świecie ponad 50 eksperymentów, w tym ponad 30 w USA [18,19]. Badania prowadzone były również w innych krajach, takich jak: Australia, Belgia, Chiny, Hiszpania, RPA i były ZSRR. Aby udostępnić złoże do przeprowadzenia procesu stosuje się dwie metody dostępu, metodę otworową i metodę szybową [1, 19]. Metoda otworowa polega na wierceniu z powierzchni otworów, które łączy się w pokładzie poprzez przepalanie z zastosowaniem sprężonego powietrza lub wody. Coraz częściej stosuje się jednak technikę wiercenia otworów kierunkowych znaną w przemyśle wydobycia ropy i gazu. Metoda otworowa stosowana jest przede wszystkim do pokładów zalegających na dużych głębokościach i nie eksploatowanych do tej pory. Metoda szybowa polega na udostępnianiu pokładu węgla szybem, a czynnik zgazowujący, jak i produkt zgazowania, transportowane są wyrobiskiem górniczym. Tę metodę stosuje się do pokładów zalegających na mniejszych głębokościach, a także do pokładów pozostałych po uprzednio prowadzonej eksploatacji tradycyjnymi metodami górniczymi. Ocenia się, że metoda bezszynowa jest metodą lepszą i bardziej perspektywiczną, o czym świadczą kierunki badań prowadzonych w świecie [17, 20]. Podziemne zgazowanie węgla ma niewątpliwie zalety z ekonomicznego punktu widzenia. Nie wymaga budowy i wyposażenia sieci korytarzowych wyrobisk udostępniających złoże, wyrobisk przygotowawczych i eksploatacyjnych, mechanicznego urabiania i transportu urobku, materiałów i załogi, przewietrzania, odwadniania, zaopatrzenia w energię i zapewnienia szeregu wymagań związanych z bezpiecznym prowadzeniem procesu wydobywczego [15]. Niewiele jest opracowań dotyczących oceny ekonomicznej projektów podziemnego zgazowania węgla. Na podstawie przeglądu dostępnych źródeł można wywnioskować, że koszty produkcji energii elektrycznej z gazu otrzymanego z podziemnego zgazowania węgla są o około 50% niższe niż koszty produkcji energii w wyniku spalania węgla [15].
4. PODSUMOWANIE Zarówno upłynnianie jak i zgazowanie węgla są interesującymi alternatywami dla tradycyjnego wykorzystywania tego surowca. Konwencjonalne spalanie węgla jest mało efektywne i dodatkowo budzi zastrzeżenia ekologów. Bez względu na stosowaną metodę upłynniania, źródłem ciepła w procesie jest węgiel, czyli nasz podstawowy surowiec energetyczny. Jego wykorzystanie obniża wydajność procesu do 10 30%. Inną, ciekawą metodą upłynniania węgla, jest wykorzystywanie wysokotemperaturowego reaktora jądrowego. Pozwoli ona na wykorzystanie ciepła reaktora zamiast węgla, co w konsekwencji podniesie sprawność paliwową prawie do 100%. Węgiel będzie spełniał wyłącznie rolę surowca do przeróbki, a nie źródła ciepła [3]. Naziemne zgazowanie węgla nie budzi kontrowersji. Proces można łatwo kontrolować, dzięki czemu nie stwarza to zagrożenia zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Natomiast podziemne zgazowanie węgla, oprócz niewątpliwych korzyści, niesie ze sobą liczne niebezpieczeństwa takie jak, na przykład, skażenia wód podziemnych oraz osiadania powierzchni terenu. Czym jednak głębiej prowadzona jest eksploatacja tym skutki osiadania terenu są mniejsze. Trudniej rozwiązać problem potencjalnego zanieczyszczenia wód podziemnych, chociaż można to zrobić, stosując przykładowo w reaktorze ciśnienie niższe od ciśnienia wywieranego przez otaczające warstwy, co spowoduje przedostawanie się wody do reaktora, a nie do warstw wodonośnych. Takie doświadczenia przeprowadzano z pozytywnym skutkiem w Australii [8]. Każdorazowo należy jednak zwracać szczególną uwagę na ochronę środowiska, gdyż raz poczynione szkody mogą być już nie do naprawienia. LITERATURA [1] Białecka B.: Podziemne zgazowanie węgla. Podstawy procesu decyzyjnego. Główny Instytut Górnictwa. Katowice 2008. [2] Blaschke W., Lorenz U., Ozga-Blaschke U.: Krajowa baza surowcowa dla przemysłu energochemicznego przetwórstwa węgla. Karbo nr 4, 2009, s. 190 196. [3] Cetnar J., Kopeć M.: Otrzymywanie paliw płynnych z węgla w synergii z energią jądrową. Karbo nr 3, 2006, s. 134 140. [4] Chmielniak T.: Układy gazowo-parowe zintegrowane ze zgazowaniem węgla. [W:] Termochemiczne przetwórstwo węgla i biomasy. Wyd. IChPW i IGSMiE PAN. Zabrze Kraków 2003, s. 81 97. [5] Chmielniak T., Ściążko M.: Technologie zgazowania węgla. Karbo nr 2, 2007, s. 93 97. [6] Chopey N.P., Chowthury J., Grab Bch., Ondrey G., Chem. Eng. 1998, t.9, s.35, za K. Stańczyk, Przemysł Chemiczny, 2000, t. 79, s. 39. [7] Coka M.T. Elcogas: Integrated gasification combined cycle technology: IGCC. Its actual application in Spain: ELCOGAS. Puertollano, Elcogas SA, Club Espanol de la Energia [W:] Chmielniak T., Ściążko M., 2007 Technologie zgazowania węgla. Karbo, nr 2. s. 93 97. [8] Friedmann J.: Underground Coal Gasification In the USA and Abroad, Congressional hearing on cli mate change. November 14 in the Senate Foreign Relations Committee [W:] Stańczyk K., Kapusta K., 2007 Podziemne zgazowanie węgla. Karbo, nr 2, 2007. s. 98 102.
[9] Hankus A., Białecka B.: Bilans zasobów do procesu podziemnego zgazowania węgla w Polsce. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko, 2005, nr 4. [10] Hycnar J.: Aspekty ekologiczne procesu zgazowania paliw. Polityka energetyczna, t. 10, z.2 specjalny, 2007, s. 177 187. [11] Hycnar J.: Kierunki rozwoju procesów zgazowania paliw. Karbo, nr 1, 2008, s. 13 21. [12] Karcz A., Ściążko M.:Energochemiczne przetwórstwo węgla do paliw ciekłych. Wiadomości górnicze, nr 2, 2007. [13] Kasztelewicz Z., Polak K., Zajączkowski M.: Szanse i zagrożenia podziemnego zgazowania węgla w złożu. Przegląd Górniczy, nr 1 2, 2009. [14] Kozłowski E., Czachowska-Kozłowska D., Dworak A., Krop E.: Czekając na benzynę z węgla. Karbo, nr 1, s. 2 6, 2007. [15] Magda R.:Ekonomiczne aspekty podziemnego zgazowania węgla na przykładzie Carbon Energy. Polityka Energetyczna, t. 14, z. 2, 2011, s. 261 272. [16] Srogi K.: Wodór paliwo przyszłości. Kierunki badań nad wykorzystaniem źródeł surowcowych do otrzymywania wodoru. Karbo, nr 2, 2006, s. 65 76. [17] Stańczyk K., Dubiński J., Cybulski K., Wiatowski M., Świadrowski J., Kapusta K., Rogut J., Smolińska A., Krause E., Grabowski J.: Podziemne zgazowanie węgla doświadczenia światowe i eksperymenty prowadzone w KD Barbara. Polityka Energetyczna, t. 13, z. 2, 2010, s. 423 434. [18] Stańczyk K., Kapusta K.: Podziemne zgazowanie węgla. Karbo, nr 2, 2007, s. 98 102. [19] Stańczyk K., Świądrowski J., Kapusta K.: Zgazowanie węgla jako sposób ochrony powietrza. Ochrona powietrza w teorii i praktyce, t. 1. Zabrze 2006. [20] Strugała A., Czaplicka-Kolarz K., Ściążko M.: Projekty nowych technologii zgazowania węgla powstające w ramach Programu Strategicznego NCBiR. Polityka Energetyczna, t. 14, z. 2, 2011, s. 375 390. [21] Strugała A., Czerski G.: Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii informacja o Projekcie. Karbo, nr 4, 2010, s. 165 166. [22] Szlęk A., Wilk R.K., Werle S., Schaffel N.: Czyste technologie pozyskiwania energii z węgla oraz perspektywy bezpłomieniowego spalania. Rynek Energii. Nr 4/2009. [23] Ściążko M., Dreszer K.: Uwarunkowania techniczne i ekonomiczne nowych technologii wykorzystania węgla. Szkoła Eksploatacji Podziemnej. Sympozja i Konferencje. Nr 74. Wyd. Instytut GSMiE PAN. Kraków 2009. [24] Ściążko M., Dreszer K.: Ocena możliwości wdrożenia nowych technologii przetwórstwa węgla w Polsce. Karbo, nr 4, 2009, s. 206 216. [25] Tramer A.: Ropa z węgla prawda i mity. (www.interia.pl) 13.01.2006. "Praca finansowana z badań statutowych AGH nr 11.11.210.217"
USE OF COAL LIQUEFACTION AND GASIFICATION IN COMBUSTION ENGINES AND POWER INDUSTRY Key words: coal liquefaction, coal gasification Summary. Two alternate methods of the coal use, i.e. coal liquefaction and gasification, considered as alternative of traditional coal combustion, are presented in this study. The first method (coal liquefaction) was implemented in the twenties of the last century, but because of competitive accessibility of cheap oil, production of coal-based petroleum has been stopped. At present, because of high oil prices and instable economic situation in Middle East countries, coal liquefaction method is more and more often re-used. Coal gasification is the second method of this raw material use. This process comprises processing of the solid fuel into synthesized gas for needs of chemical industry, or gas used as a fuel for gas-steam driven installations used in power industry. Actually, a project named Coal gasification technology for needs of highly effective production of fuels and energy is developed in the Research-Industrial Consortium Zgazowanie węgla. Research workers of the Faculty of Energy and fuels of the AGH University of Science and Technology in Krakow-Poland participate in the project development. Tadeusz Olkuski, dr inż. AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie; e-mail: olkuski@agh.edu.pl