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
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
Przekroje geologiczne przez obszar z poprzedniego slajdu wykonano wg PROXIMA S.A.
Plan sytuacyjny zło a w gla brunatnego Sieniawa
Przekrój geologiczny przez obszar P1
Przekrój geologiczny przez obszar P3
Przekrój geologiczny przez obszar P4
Przekrój geologiczny przez obszar P5
Przekrój geologiczny przez obszar P2
Przekroje geologiczne poprzeczne obszar P2 rysunki pogl dowe
Przekroje geologiczne poprzeczne obszar P2 rysunki pogl dowe
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 48 55 55 55 56 41 50 41 28 11 11 rednia 3.25 57.45 27.51 12.20 9.62 2.67 2.18 23.88 3.5 18.93 0.11373 Warto minimalna 1.00 12.00 10.00 2.00 4.80 2.59 1.96 14.60 0 0 0 Warto 11.00 79.00 79.00 37.00 19.50 2.84 2.32 40.80 7.9 41.40 0.28500 SERIA Ib mułki trzeciorz dowe w czwartorz dzie Liczba obserwacji 1 11 11 11 12 10 12 10 6 6 6 rednia 4.00 13.45 56.91 29.27 24.23 2.67 1.96 54.00 6.3 11.28 0.06267 Warto minimalna 4.00 1.00 27.00 2.00 12.40 2.63 1.66 38.30 2.5 5.90 0.00400 Warto 4.00 51.00 93.00 58.00 35.10 2.72 2.17 79.20 9.2 17.20 0.16000 SERIA III mułki nadw glowe niezaw glone Liczba obserwacji 5 56 59 58 59 58 58 51 46 17 17 rednia 2.20 19.79 59.73 22.31 28.92 2.63 1.86 53.63 8.6 12.16 0.05247 Warto minimalna 1.00 2.00 25.00 4.00 10.10 2.41 1.68 25.70 1.3 0 0 Warto 4.00 66.00 89.00 59.00 45.70 2.71 2.22 98.00 17.5 24.00 0.23200 SERIA IV mułki nadw glowe zaw glone Liczba obserwacji 1 56 59 59 81 58 79 69 72 37 37 rednia 5.00 13.50 56.27 30.66 36.50 2.55 1.71 72.86 18.4 15.71 0.06708 Warto minimalna 5.00 1.00 35.00 4.00 20.70 2.21 1.16 31.30 3.2 2.70 0 Warto 5.00 50.00 83.00 64.00 55.60 2.69 2.02 104.20 44.0 29.30 0.17200 SERIA VIIa mułki mi dzyw glowe i podw glowe Liczba obserwacji 7 41 41 41 59 41 62 48 51 25 25 rednia 4.29 25.00 49.22 25.10 36.92 2.50 1.66 65.85 19.2 18.86 0.05452 Warto minimalna 2.00 1.00 9.00 2.00 16.30 2.11 1.30 26.10 2.4 5.80 0 Warto 6.00 89.00 78.00 63.00 68.60 2.82 2.04 112.80 46.8 30.80 0.14600
Zagospodarowanie placu techniczno - socjalnego
0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 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 2 1000 15,7 12,9 27,2 16,3 4,2 23,8 1100 28,6 6,7 34,9 8,6 2,6 18,6 1200 37,4 2,5 39,9 3,7 1,5 15,1 1300 40,9 0,8 42,3 1,5 0,8 13,7 1400 42,0 0,3 43,4 0,7 0,5 13,2 Ułamek molowy (obj.) 1500 42,4 0,1 43,9 0,3 0,3 13,0 1600 42,5 0,0 44,2 0,2 0,2 12,9 Obliczenia wykonano dla w gla o redniej zawarto ci wilgoci wynosz cej 15%
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.) 0,05 0 0 1 2 3 4 5 stosunek para wodna/powietrze Obliczenia wykonano dla w gla o redniej zawarto ci wilgoci wynosz cej 15%
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
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
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 : 0 400 800 1200 1600 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]
Stanowisko technologiczne do zgazowania w gla brunatnego w Poltegor-Instytut (w trakcie realizacji) 5 Układ analizy gazów 1 3 4 Układ oczyszczaj cy 6 8 2 7 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
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 2008-2009 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 3,12 5367,0 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
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 1 2 3 4 5 6 7 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 120 240 116 257 171 196 154 Odczyn-pH - 5,39 4,14 6,43 4,19 5,91 6,23 6,17 Przewodno µs/cm 114 163 17 252 47 15 53 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
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 11,6 10 3 doby nie przepływa 0 1,29 14,5 10 0 przepływa 4 glina (wysuszona) 5 ił zw glony 16,15 1,76 10,6 10 1 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 8,5 10 1 doba 40,0 1,24 10,9 10 1 doba Badania s kontynuowane nie przepływa nie przepływa
Główne parametry technologiczne podziemnych generatorów gazu Parametry Jednostka Technologia UCG Tradycyjna Nowa GJ/h 1 Moc cieplna generatora gazu Gcal/h 167 40 167 40 2 Ilo szybów wtłaczania powietrza Szt. 16 3 3 Ilo szybów pozyskiwania gazu Szt. 11 4 4 rednia wydajno szybu wtłaczania powietrza m 3 /h 3560 12250 5 rednia wydajno szybu pozyskiwania gazu m 3 /h 4680 10300 6 Ci nienie w szybie pozyskiwania gazu Pa 0,15 0,15 7 Wilgotno gazu g/m 3 600 200 8 Warto opałowa gazu kcal/m 3 800 mj/m 3 3,5 1000 4,19 9 Wska nik wykorzystania w gla % 80 90 10 Straty gazu % 15 10
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 0,01 4 11,13 14,93 93,01 2 38,94 63,51 4,16 2 4 0,40 0,45 2 6 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) 11480 (2740) 15000 (3580) 33980 (8110)
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 2007- instalacja demonstracyjna firmy Linc Energy na zło u Chinchilla Od 2008- 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: 25-28 US/baryłk Prace do wiadczalne i badawcze prowadzone s na terenie zło a Chinchilla od 1999 roku. 2008- produkcja paliwa płynnego, 5-10 baryłek dziennie, 2009- uruchomienie turbiny gazowej z generatorem o mocy 5 MW, 2012- produkcja paliw płynnych w ilo ci 20 000 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 2 000 PJ energii
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
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.
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 20 200 Mg 5 15 Na 100 300 HCO 3 300 500 SO 4 4 1150 H 2 S 0,02 0,4 Składniki chemiczne w wodzie Cl F NO 3 30 40 0,1 0,7-2,0 NH 3 1 100 TDS 350 2300 Fenole 0,1 20 TOC 20 200 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 1989 1990 1991 2 4 5 10 3 10 11 12 6 7 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 85 502,4 577,6 661,88 773,0 800,0 210,3 148,9 307,8 155,1 150,0 Wodorow glany mg/l 400 850 1458 1480 1452 1480 1400 1100 980 1000 900 Mineralizacja mg/l Badania prowadzone przez Poltegor-Instytut w wodzie napływaj cej do zło a w gla brunatnego i odpływaj cej 450 1185 1363 1524 1811 1733,5 1249,5 857 761 850 700 Fenole mg/l - n/w 0,0012 0,00164 0,0009 0,007 0,017 0,0039 0,001 n/w Tiocyjaniany mg/l - n/w Cyjanki Mg/l - n/w T.deg 6 55 50 48 38 36 35 35 33 32 32 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