Badania procesu podziemnego zgazowania węgla w ramach Projektu NCBiR i ocena bazy surowcowej dla tego procesu

PRZEGLĄD Nr 2 GÓRNICZY 1 założono 01.10.1903 MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA Nr 02 (1083) luty 2013 Tom 69(CIX) UKD 622.1: 550.8: 622.167/.168 Badania procesu podziemnego zgazowania węgla w ramach Projektu NCBiR i ocena bazy surowcowej dla tego procesu Research on underground coal gasification process within the Framework of the NCBiR Program and assessment of coal resources for this process prof. dr hab. inż. Krystyna Czaplicka-Kolarz ) dr inż. Grzegorz Galiniak** ) dr hab. inż. Jerzy Klich - prof. nadzw** ) dr hab. inż. Andrzej Strugała prof. nzw** ) Treść: W artykule przedstawiono główne zadania realizowanego przez Konsorcjum Naukowo-Przemysłowe Zgazowanie węgla Projektu Strategicznego NCBiR pt.: Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej. Zaprezentowano koncepcję procesu podziemnego zgazowania węgla kamiennego w skali pilotowej z wykorzystaniem metody szybowej. Podano schemat instalacji pilotowej, jej podstawowe parametry techniczne oraz omówiono stan przygotowań do przeprowadzenia testowego zgazowania węgla w warunkach czynnej kopalni Wieczorek. W części dotyczącej bazy węglowej dla procesu zgazowania omówiono kryteria technologiczne i środowiskowe determinujące możliwość podziemnego zgazowania węgla kamiennego i brunatnego. Przedstawiono metodologię oceny przydatności krajowych złóż węgla do procesu zgazowania oraz podano wstępne wyniki takiej oceny dla wybranych złóż. Abstract: This paper presents the main objectives of the strategic NCBiR program Development of coal gasification technology for high-efficiency fuel and power production implemented by the scientific-commercial consortium. The idea of underground hard coal gasification on a pilot scale with the use of the shaft method was described. A diagram of the pilot plant together * ) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach; ** ) AGH w Krakowie.

2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 with its basic technical parameters was presented and preparations for a trial coal gasification under conditions of the working coal mine Wieczorek were discussed. In the section devoted to coal resources for the gasification process, the technological and environmental criteria determining the possibility of underground hard and brown coal gasification were presented. The methodology of assessment of domestic coal seams suitability for the gasification process was described and preliminary results of such an assessment were given for the selected seams. Słowa kluczowe: węgiel, zgazowanie podziemne, instalacja pilotowa, baza węglowa, projekt R&D Key words: coal, underground gasification, pilot plant, coal resources, R&D project 1. Wprowadzenie W maju 2010 roku Konsorcjum Naukowo-Przemysłowe Zgazowanie węgla rozpoczęło realizację Projektu o nazwie: Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefek- -tywnej produkcji paliw i energii elektrycznej. Projekt ten stanowi jedno z zadań badawczych Strategicznego Programu Badań Naukowych i Prac Rozwojowych pt.: Zaawansowane technologie pozyskiwania energii finansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Głównym celem Projektu jest opracowanie optymalnych konfiguracji oraz wytycznych procesowych i projektowych układów zgazowania węgla, stanowiących podstawę do budowy krajowych instalacji demonstracyjnych. W szczególności Projekt ukierunkowany został na opracowanie i weryfikację w skali pilotowej: procesu ciśnieniowego zgazowania węgla w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym CFB przy wykorzystaniu CO 2 dla potrzeb zgazowania, procesu podziemnego zgazowania węgla kamiennego w oparciu o technologię szybową, procesów oczyszczania i konwersji gazu z procesów zgazowania w powiązaniu z systemem usuwaniem CO 2. Oprócz przedstawionych celów w Projekcie uwzględniono również realizację takich zadań, jak: określenie krajowej bazy surowcowej węgla kamiennego i brunatnego dla potrzeb na- i podziemnego zgazowania, opracowanie modeli symulacyjnych układów kogeneracji i produkcji energii elektrycznej na bazie gazu ze zgazowania węgla, a w przypadku zgazowania naziemnego także układów wytwarzania produktów chemicznych i paliw ciekłych, opracowanie dla warunków krajowych mapy rozwiązań technologicznych opartych na na- i podziemnym zgazowaniu węgla, ocena efektywności i opracowanie strategii rozwoju technologii naziemnego i podziemnego zgazowania węgla ukierunkowanego na zastosowania energetyczne i w przemyśle chemicznym, wykonanie dokumentacji procesowej stanowiącej podstawę dla budowy krajowych instalacji demonstracyjnych naziemnego i podziemnego zgazowania węgla dla wybranych zastosowań w energetyce i przemyśle chemicznym. W skład konsorcjum realizującego Projekt wchodzą: Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie (lider konsorcjum), Główny Instytut Górnictwa w Katowicach, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, Politechnika Śląska w Gliwicach, Katowicki Holding Węglowy S.A., Tauron Polska Energia S.A., Tauron Wytwarzanie S.A., Południowy Koncern Węglowy S.A., ZAK S.A. oraz KGHM Polska Miedź SA. Planowany termin zakończenia realizacji Projektu to maj 2015 roku. Bieżący numer Przeglądu Górniczego w całości poświęcony został prezentacji dotychczasowych rezultatów Projektu, związanych głównie z tematyką podziemnego zgazowania węgla oraz bazy węglowej dla procesów na- i podziemnego zgazowania. Uwzględniono również problematykę przygotowania węgla do procesu naziemnego zgazowania węgla oraz utylizacji stałych produktów z tego procesu. Wyniki Projektu w zakresie technologii naziemnego zgazowania węgla są prezentowane w Czasopiśmie KARBO nr 1 (2013 r.) 2. Pilotowa instalacja podziemnego zgazowania węgla (PZW ) Pilotowa instalacja, która stanowi podstawowe narzędzie badań podziemnego zgazowania węgla, zaplanowanych do wykonania w ramach Projektu, jest budowana wspólnymi siłami Głównego Instytutu Górnictwa i Katowickiego Holdingu Węglowego S.A. na terenie kopalni Wieczorek. Ponieważ krajowe zasoby węgla kamiennego charakteryzują się znacznym stopniem wyeksploatowania w wyniku wieloletniej działalności przemysłu wydobywczego, dlatego dla zwiększenia stopnia ich wykorzystania prace prowadzone w Projekcie koncentrują się na opracowaniu technologii przydatnej dla zastosowania dla węgla pozostałego w pokładach resztkowych w kopalniach czynnych lub przeznaczonych do likwidacji. Technologia oparta jest na znanej metodzie szybowej, w której dla udostępnienia partii węgla do zgazowania wykorzystywane są istniejące wyrobiska podziemne i szyby. Podstawowe cele budowy instalacji pilotowej są następujące: 1. Sprawdzenie możliwości przeprowadzenia procesu podziemnego zgazowania węgla w warunkach czynnej kopalni 2. Uzyskanie danych dla opracowania projektu technologicznego i wstępnego studium wykonalności instalacji demonstracyjnej PZW 3. Uzyskanie danych dla przeprowadzenia wieloparametrowej oceny ekoefektywności opracowanej technologii Należy podkreślić, że budowa instalacji w warunkach czynnej kopalni węgla jest przedsięwzięciem niespotykanym dotychczas w polskiej praktyce górniczej (nie licząc prób w małej skali prowadzonych w latach 60. ubiegłego stulecia w kopalni Mars ), co powoduje konieczność rozwiązania szeregu problemów natury formalnoprawnej, związanych ze spełnieniem wymogów Ustawy Prawo geologiczne i górnicze. W prowadzonych działaniach w tym elemencie zadania uczestniczą Wyższy i Okręgowy Urząd Górniczy w Katowicach. Przeprowadzona na wstępnym etapie prac analiza warunków geologiczno-górniczych i wentylacyjnych wskazała, że najkorzystniejszym miejscem lokalizacji georeaktora będzie pokład 501 o miąższości 5 m w rejonie Szybu Wschodniego. Przy wyborze lokalizacji uwzględniono obok wymogów technologicznych uwarunkowania związane z bezpieczeń-

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 3 stwem załogi kopalni pracującej pod ziemią w trakcie próby zgazowania oraz plan wydobycia na najbliższe lata. Instalacja pilotowa PZW składa się z części podziemnej i naziemnej. Na rysunku 1 przedstawiono jej uproszczony schemat. Dostarczenie czynników zgazowujących oraz odbiór produktów reakcji ze strefy zgazowania w pokładzie realizowany będzie dwoma otworami nawierconymi w kształcie litery V po skosie z wyrobiska wykonanego około 2 2,5 m nad pokładem. Rurociąg produktów w początkowej części chłodzony będzie przeponowo wodą, którą zostanie wypełniona część wyrobiska po jego wcześniejszym uszczelnieniu metodą torkretowania. Czynniki zgazowujące dostarczane będą z powierzchni systemem rurociągów w szybie i wyrobiskach: Powietrze: z kompresora powietrza, Tlen: ze zbiornika ciekłego tlenu z parownicą. Ze względów bezpieczeństwa, w rejon zgazowania doprowadzone będą również rurociągi podsadzki i azotu. Wstępne wydzielenie substancji smolistych odbywać się będzie w separatorach umieszczonych w podziemnych wyrobiskach. Produkty gazowe o temperaturze do 400 C transportowane będą izolowanym rurociągiem w szybie na powierzchnię, gdzie poddane zostaną ochłodzeniu i oczyszczaniu. Oczyszczony gaz kierowany będzie do pochodni. Założone parametry procesowe instalacji pilotowej są następujące: Prędkość zgazowania węgla 600 kg/godz. Ilość zgazowanego węgla w okresie próby ok. 1200 t Prędkość podawania czynników zgazowujących: w przypadku wyłącznie powietrza 1230 Nm 3 /h Ilość uzyskanego gazu ok. 1680 Nm 3 /h Średni skład gazu o wartości opałowej około 4,5 MJ/Nm 3 (±20%) azot 53 % obj. dwutlenek węgla 16 % obj. tlenek węgla 12 % obj. metan 3 % obj. wodór 15 % obj. tlen 1 % obj. Program badań obejmuje przeprowadzenie eksperymentu trwającego około 3 miesiące w celu potwierdzenia przyjętych założeń techniczno-technologicznych procesu. Planuje się bogate wyposażenie instalacji oraz rejonu kopalni w otoczeniu georeaktora w aparaturę kontrolno-pomiarową w celu uzyskania danych dla określenia wskaźników technologicznych (bilans materiałowy, bilans energetyczny), jak również, a może przede wszystkim, dla oszacowania wielkości i zasięgu możliwych zagrożeń dla ludzi i środowiska wynikających ze specyfiki procesu. Wyniki prac prowadzonych we wszystkich fazach badań instalacji pilotowej (budowa, eksploatacja, zatrzymanie, likwidacja) stanowić będą najważniejsze źródło danych dla projektu technologicznego instalacji demonstracyjnej. Stan zaawansowania prac nad budową instalacji pilotowej na koniec listopada 2012 r. jest następujący: 1. Prace formalnoprawne: opracowana została wstępna wersja Projektu Technicznego, który stanowi podstawę wniosku do Komisji ds. Zagrożeń Naturalnych w celu uzyskania ostatecznej opinii zezwalającej na przeprowadzenie eksperymentu; opracowano operat wodnoprawny na wprowadzenie ścieków przemysłowych z instalacji pilotowej PZW na terenie KHW S.A. KWK Wieczorek do urządzeń kanalizacyjnych Koksowni Przyjaźń w Dąbrowie Górniczej, stanowiący załącznik do wniosku o wydanie pozwolenia wodnoprawnego w tym zakresie; przygotowano materiały do wniosku zgłoszenia na emisję zanieczyszczeń do powietrza; przygotowywany jest dodatek do planu ruchu kopalni dotyczący przeprowadzenia eksperymentu; opracowywana jest instrukcja przeprowadzenia eksperymentu stanowiąca załącznik do Projektu Technicznego. 2. Prace techniczne: rozpoczęto drążenie wyrobiska udostępniającego georeaktor z przekopu wentylacyjnego wykonano otwory wielkośrednicowe pomiędzy poziomami 400 i 450 dla przeprowadzenia rurociągów technologicznych; wykonywany jest projekt infrastruktury rurociągowej w wyrobiskach i Szybie Wschodnim, wykonywany jest projekt części powierzchniowej instalacji na terenie Szybu Wschodniego, prowadzone są prace nad kompletowaniem elementów systemu monitoringu bezpieczeństwa w wyrobiskach. Prowadzona na bieżąco analiza stanu prac we wszystkich obszarach przedsięwzięcia wskazuje na obecnym etapie, że próba zostanie przeprowadzona w drugim półroczu 2013 r. Równocześnie z działaniami związanymi z budową instalacji pilotowej, prowadzone są w GIG inne prace w zakresie podziemnego zgazowania węgla. Do najważniejszych obszarów tych prac można zaliczyć: 1. Badania na stanowisku symulacji procesu PZW, które pozwoliły na doświadczalne określenie kształtu kawerny tworzącej się w bryle węglowej w wyniku procesu z zastosowaniem wybranych konfiguracji kanału ogniowego. 2. Badania modelowe, w wyniku których dotychczas uzyskano wstępne dane dotyczące przebiegu procesu symulującego pracę georeaktora w układzie zastosowanym w instalacji pilotowej. 3. Badania w zakresie ekoefektywności PZW, w których uzyskano dane dla obliczenia efektywności ekologicznej, technicznej i ekonomicznej różnych wariantów całego procesu, łącznie z zagospodarowaniem gazu dla celów energetycznych. 4. Badania w zakresie konstrukcji palników dla gazu niskokalorycznego. 5. Analizy możliwości wykorzystania gazu niskokalorycznego w różnych układach energetycznych. Wyniki wszystkich tych prac znajdą zastosowanie przy opracowywaniu strategii rozwoju podziemnego zgazowania w Polsce oraz projektu technologicznego i wstępnego Studium wykonalności instalacji demonstracyjnej. Kolejnym krokiem w rozwoju i wdrożeniu technologii proponowanej przez GIG będzie budowa instalacji demonstracyjnej, którą winien stanowić moduł instalacji przemysłowej. Uwzględniając stan zasobów węgla kamiennego w kraju można przyjąć, że najbardziej interesującą lokalizacją takiej jednostki będą zasoby nieprzemysłowe, ewentualnie pola rezerwowe istniejącej lub zlikwidowanej kopalni, wybranej na podstawie analiz zasobów oraz analizy wykonalności przedsięwzięcia. Specyfiką kompleksu obejmującego wytwarzanie gazu pod ziemią i jego energetycznego zagospodarowania dla wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej jest jego powiązanie lokalizacyjne wynikające z nieopłacalności przesyłu gazu niskokalorycznego na dalsze odległości. Dlatego uwzględniając ograniczone zasoby węgla w jednym kawałku, które będą do dyspozycji, uważa się, że podziemne zgazowanie węgla kamiennego metodą szybową może stanowić źródło zasilania zakładów energetycznych o mocy do 50 MW, pracujących dla zabezpieczenia rynku lokalnego w energię cieplną i elektryczną. Projekt technologiczny instalacji demonstracyjnej zostanie wykonany dla wielkości 20 MW.

4 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Rys. 1. Uproszczony schemat instalacji pilotowej podziemnego zgazowania węgla Fig. 1. Simplified diagram of the pilot plant for underground coal gasification

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 5 O słuszności wyboru takiej ścieżki rozwoju podziemnego zgazowania węgla świadczy zainteresowanie spółek węglowych działających na rynku krajowym. Dobitnym przykładem jest zaangażowanie Katowickiego Holdingu Węglowego S.A. w budowę instalacji pilotowej. 3. Identyfikacja krajowej bazy węglowej dla procesu podziemnego zgazowania węgla Posiadanie przez Polskę liczących się w świecie, a w Unii Europejskiej dominujących zasobów węgla kamiennego i brunatnego, przy obecnie zrozumiałych tendencjach ich zagospodarowania, w szczególności z wykorzystaniem technologii czystych w odniesieniu do środowiska naturalnego, powoduje, że potrzebą oczywistą i konieczną było podjęcie w Polsce badań dotyczących procesów zgazowania węgli. Równocześnie w badaniach dotyczących bazy zasobowej węgli dla zgazowania należy uwzględnić, że polska energetyka w przeszłości, teraźniejszości oraz przez nadchodzące dziesięciolecia będzie musiała być oparta na wykorzystaniu węgli. Zmiany w tym sektorze gospodarki zachodzą w okresach liczonych dziesięcioleciami, przy dysponowaniu istotnymi zasobami finansowymi. Z tych względów pozyskiwanie węgla metodami konwencjonalnymi dla naszej gospodarki spowodowało i będzie nadal powodować antropogeniczne skutki w uwarunkowaniach złożowych w poszczególnych zagłębiach węglowych. Do tych dwóch prawd, które należy uwzględniać przy identyfikacji bazy zasobowej węgli przydatnej do procesu zgazowania, należy dołączyć trzecią, która wyraża się następującą istotą. Górnicze procesy technologiczne, są ściśle związane i uzależnione od uwarunkowań złożowych, a szerzej ujmując od uwarunkowań naturalnych, z którymi pozostają w sprzężeniu zwrotnym. Gdy wpływ tych warunków w ujęciu ogólnym rozpoznamy w zrealizowanym procesie górniczym, to wyniki te można jedynie wykorzystywać tylko jako systemowe, bo w nowych uwarunkowaniach, opracowywany proces górniczy będzie uzależniony od bardzo wielu dodatkowych szczegółowych czynników. Część z nich można rozpoznać, ale część nie zawsze może być zidentyfikowana. A właśnie te uwarunkowania szczegółowe w swojej strukturze decydują o możliwościach zrealizowania i przebiegu procesu zgazowania. Dlatego problematyka Projektu, dotycząca bazy zasobowej węgli przydatnej do zgazowania, została zaprogramowana z uwzględnieniem ww. przesłanek oraz uwarunkowań złożowych polskich zagłębi węglowych. Weryfikacja bazy węglowej odbywać się będzie drogą kolejnych przybliżeń. Jako wyjściowe kryteria przyjęto parametry określone na podstawie wyników z dotychczas zrealizowanych eksperymentów w innych krajach w stuletniej historii ich prowadzenia. Należy jednak podkreślić, że wyniki uzyskane zostały w warunkach złożowych, które odbiegają w istotny sposób od uwarunkowań polskich. Pod uwagę wzięto również pierwsze wstępne próby zgazowania o ograniczonym zakresie, jakie zrealizowano dotychczas w Polsce. W następnej kolejności w ramach Projektu, rozpoznawanie uwarunkowań procesu zgazowania mających wpływ na kryteria weryfikujące bazę zasobową, pozyskiwane są z badań laboratoryjnych, badań ex situ i będą w przyszłości doprecyzowane wynikami z badań in-situ, czyli badań pilotowych zgazowania podziemnego węgla kamiennego. Te ostatnie uwzględniać już będą szczegółowe polskie uwarunkowania technologiczno-złożowe. Dla możliwości uogólnienia tych wyników dla potrzeb określenia kryteriów parametrycznych opracowywane są również modele komputerowe, w szczególności ukierunkowanych na rozpoznawanie procesów zachodzących wokół georeaktora. Dla polskich warunków te ograniczenia będą jednymi z ważniejszych, a wręcz decydujących, o dostępności bazy zasobowej dla procesów zgazowania. W tym zakresie w Projekcie przewidziano badania oparte o liczących się w świecie osiągnięciach polskiej szkoły bezpieczeństwa działalności górniczej, których sukces uzależniony jest od opanowania procesów wentylacji i eliminacji zagrożeń pożarowych. Konieczność uwzględnienia tej tematyki wynika z faktu, że rozwijana technologia zgazowania węgla kamiennego wykorzystuje struktury kopalń podziemnych. Równoległa realizacja badań w zakresie rozpoznania bazy zasobowej węgli oraz badań w zakresie opanowania przebiegu procesu zgazowania, umożliwia wzajemne pogłębienie obu rozwijanych tematyk. Rozpoznawane uwarunkowania złożowe występujące w poszczególnych zagłębiach węglowych w Polsce, które ograniczają bazę zasobowa przydatną do procesów zgazowania są artykułowane, uzgadniane i podejmowane w tematyce związanej z technologią zgazowania naszych węgli. Równocześnie identyfikacja zagrożeń i ograniczeń wynikających z uwarunkowań złożowych eliminujących część bazy zasobowej przydatnej do zgazowania, wskazuje i kierunkuje badania na opracowanie nowych rozwiązań doskonalących poszczególne elementy procesu zgazowania. Podstawowym warunkiem determinującym rozpoczęcie realizacji Projektu jest dysponowanie przez Polskę zasobami węgla nadającymi się do ich efektywnego zgazowania. Z tego względu zakres badań i sposób ich realizacji powinien udzielić jednoznacznej odpowiedzi czy krajowe zasoby węgli, a jeśli tak, to jakie złoża, nadawać się będą dla określonej jednej z wielu dostępnych technologii zgazowania węgla. Rozpoznanie parametryczne polskich złóż węgla może również spełniać warunki kreatywne, które w rozwiązaniach poszczególnych technologii zgazowania węgla powinny wymuszać poszukiwanie elementów innowacyjności, dostosowujących ich rozwiązania technologiczne do uwarunkowań geologiczno-złożowych. Klamrą spinającą i uzupełniającą ukierunkowanie badań w tym temacie są uwarunkowania wynikające z ochrony geośrodowiska. Realizacja tematyki surowcowej w Projekcie została podzielona na dwa piony, dotyczące odpowiednio złóż węgla kamiennego oraz złóż węgla brunatnego. Takie podejście wymuszone zostało przede wszystkim specyfiką, charakterystycznymi właściwościami, rozmieszczeniem, zaleganiem i zagospodarowaniem, a także zróżnicowaną efektywnością procesu zgazowania poszczególnego typów węgli. Planowane rezultaty w tym temacie obejmują opracowanie: kompleksowe kryteria dla weryfikacji złóż węgli pod kątem ich przydatności do zgazowania, listy rankingowe złóż węgla kamiennego i brunatnego nadających się do zagospodarowania w procesach zgazowania naziemnego i podziemnego, karty złożowe dla wybranych złóż węgli obejmujące ich szczegółową charakterystykę oraz określenie rejonu złożowego do budowy instalacji demonstracyjnej zgazowania podziemnego węgla kamiennego oraz rejonu do budowy instalacji pilotowej zgazowania podziemnego według technologii otworowej na złożu węgla brunatnego. Uzyskanie wiarygodnych wyników w zakresie scharakteryzowania i wyselekcjonowania bazy złożowej węgli przydatnej do zgazowania przy uwzględnieniu dotychczasowego oraz perspektywicznego zaangażowania ich przez naszą gospodarkę zgodnie z możliwymi w realizacji strategiami sprawia, że zakres realizowanych prac musi być kompleksowy i komplementarny. Uwzględniając powyższe, w ramach dotychczas zrealizowanych prac wykonano: Dla potrzeb oceny polskich złóż węgli pod kątem ich przydatności do procesu zgazowania naziemnego opracowano wzory Karty technologicznej przydatności węgla do zgazowania w zakresie Parametrów Kluczowych Parametrów Istotnych oraz Parametrów

6 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Dodatkowych. Zgodnie z zaproponowaną systematyką wykonano badania laboratoryjne weryfikujące wartości liczbowe wytypowanych parametrów. Kryteria te były podstawą do przeprowadzonej analizy i identyfikacji (tylko na podstawie badań laboratoryjnych) dostępnej bazy zasobowej dla zgazowania naziemnego, obejmującej region Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Wykonana dodatkowo szczegółowa analiza własności petrograficznej polskich węgli brunatnych wykazała ich szczególną przydatność do zgazowania naziemnego zgodnie z ww. wymienionymi kryteriami w reaktorze fluidalnym, wskazując równocześnie na konieczność pogłębienia badań związanych z procesem przeróbczym przygotowującym tzw. wsad węglowy do reaktora. Dla potrzeb oceny przydatności złóż węgli kamiennych pod względem ich przydatności do zgazowania podziemnego i przygotowania budowy instalacji pilotowej, scharakteryzowano na podstawie badań literaturowych oraz własnych doświadczeń preferowane parametry geologiczne, górnicze i geomechaniczne związane z oddziaływaniem na środowisko oraz proces zgazowania. Zostały one pogrupowane w cztery klasy szczegółowości (A, B, C, D); od klasy obejmującej kryteria, które umożliwiają dokonanie wstępnej oceny możliwości budowy georeaktora PZW do klasy obejmującej kryteria pomocne do podjęcia decyzji o rozpoczęciu budowy georeaktora i jego eksploatacji. Dla umożliwienia oceny przydatności do zgazowania złóż węgli, opierając się na badaniach laboratoryjnych in situ, zrealizowano prace niezbędne dla przeprowadzenia symulacji komputerowych w zakresie analizy procesów zgazowania w georeaktorze i skałach otaczających. Dla potrzeb tych symulacji wykorzystywane są programy komputerowe, które umożliwiają wiarygodne odwzorowanie sprzężonych procesów termo-hydro-mechanicznych. Zrealizowano również badania identyfikujące własności mechaniczne polskich utworów geologicznych w wysokich temperaturach, wynikających z przebiegu procesu zgazowania podziemnego. Dokonano też oceny możliwości adaptacji bogatej wiedzy o podziemnych pożarach w pokładach węgla dla potrzeb wyjaśnienia, a w dalszej kolejności zabezpieczenia się przed niekontrolowanymi skutkami przebiegu procesów zgazowania w georeaktorze. Opracowano i zweryfikowano wstępnie metodę oceny ekonomicznej efektywności procesu zgazowania podziemnego, co w dalszych badaniach zostanie również wykorzystane do weryfikacji bazy zasobowej. Równolegle z działaniami mającymi na celu sformułowanie kryteriów dla weryfikacji złóż węgli, opracowano zasady i sposób oceny pokładów węgla dla potrzeb podziemnego zgazowania. Syntetycznym wynikiem tych prac jest opracowany wzór Karty Paszportowej Pokładu. Sparametryzowania danych do ww. Karty dokonano dla złóż węgla z obszaru Zagłębia Lubelskiego. Biorąc pod uwagę bardzo bogate krajowe zasoby węgla brunatnego, eksploatowane obecnie w czterech okręgach górniczych oraz uwzględniając, że obecnie funkcjonujące kopalnie są powiązane technologicznie z elektrowniami, ocena bazy zasobowej tych węgli dla zgazowania musi w szerokim kontekście wpisywać się w strategię rozwoju całego górnictwa węgla brunatnego. W omawianym okresie zrealizowano bardzo szczegółową analizę możliwości zagospodarowania węgla brunatnego w poszczególnych Zagłębiach, jak również dla obszarów obecnie niezagospodarowanych, dla trzech scenariuszy rozwoju gospodarczego: optymistycznego, realnego i pesymistycznego. Kryteria technologiczne, a w szczególności środowiskowe, ze względu na uwarunkowania złożowe węgla brunatnego, muszą być określone na drodze pogłębionej analizy dostępnych danych wyjściowych z dotychczasowych prób pilotowych i przemysłowych zrealizowanych w świecie i dostępnych materiałów zgromadzonych w Polsce. Z tych względów CUPRUM Centrum Badawczo-Rozwojowe KGHM na zlecenie KGHM Polska Miedź S.A. (partner przemysłowy) dokonało analizy wyników z procesów zgazowania węgla brunatnego opartych na opracowanych własnych koncepcjach. Wyniki te sprecyzowały uwarunkowania kryteria dotyczące zarówno procesów zachodzących w gazogeneratorze, jak i w jego otoczeniu. KGHM S.A. Polska Miedź dokonał również oceny złóż węgla brunatnego z rejonu Legnicy, którymi jest w szczególności zainteresowany. Ocena ta została dokonana w oparciu o opracowaną przez CUPRUM wielokryterialną metodę oceny przydatności złoża do procesu zgazowania. W jej wyniku wskazano przykładowe złoża o dobrej lub wystarczającej przydatności dla zgazowania. Przygotowując metodologię analizy środowiskowej, a w szczególności oceny wpływu procesu PZW na wody podziemne oraz środowisko geologiczne, Państwowy Instytut Geologiczny Państwowy Instytut Badawczy, określił zasady tworzenia hydrogeologicznych schematów konceptualnych dla złóż węgla brunatnego w Polsce. Schematy te będą w dalszych pracach wykorzystane dla sprecyzowania kryteriów środowiskowych, również z uwzględnieniem dyrektyw środowiskowych UE. Dla potrzeb weryfikacji bazy zasobowej w Polsce dla podziemnego zgazowania węgla brunatnego, opracowano również systematykę wskaźników technologicznych, technicznych i środowiskowych, które determinują możliwość realizacji tego procesu w skali komercyjnej. Przeprowadzenie w kolejnym etapie realizacji Projektu pogłębionej technologiczno- -środowiskowej analizy uwarunkowań, w tym w szczególności bardzo ważnego w przypadku węgla brunatnego, wpływu środowiska wodnego na proces zgazowania, pozwoli na syntezę wypracowanych kryteriów dla ostatecznej weryfikacji bazy węgla brunatnego. 4. Podsumowanie W prezentowanych w dalszej części 28 artykułach przedstawiono wybrane rezultaty dotychczasowych prac i analiz wykonanych w ramach Projektu. Trzy pierwsze artykuły o charakterze wprowadzającym prezentują przegląd metod podziemnego zgazowania węgla, możliwości wytwarzania ciepła i energii elektrycznej gazu uzyskiwanego w tym procesie, a także przedstawiają informacje na temat pilotowej instalacji podziemnego zgazowania firmy Linc Energy zebrane podczas wizyty studialnej autorów w Chinchilli (Australia). W przypadku każdej instalacji pilotowej, a tym bardziej dedykowanej tak trudnemu technologicznie procesowi, jakim jest podziemne zgazowanie węgla, kluczowe znaczenie posiadają względy bezpieczeństwa. Tym zagadnieniom poświęcono dwa artykuły, w których dokonano identyfikacji zagrożeń występujących podczas eksploatacji georeaktora zgazowania węgla, a także omówiono wyniki badań czujników przeznaczonych do monitoringu atmosfery gazowej w otoczeniu georeaktora i jego infrastruktury podziemnej. Kolejna grupa artykułów autorstwa wykonawców z GIG, AGH oraz KHW S.A. poświęcona została bardzo ważnej dla podziemnego zgazowania węgla problematyce uwarunkowań geologiczno-górniczych, hydrogeologicznych oraz wentylacyjnych. Dokonano analizy tych uwarunkowań w polskich złożach węgla kamiennego w aspekcie wyboru lokalizacji georeaktora pilotowego. Dla wybranej lokalizacji w KWK Wieczorek dokonano szczegółowej analizy tych uwarun-

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 7 kowań oraz oceniono ich wpływ na bezpieczeństwo procesowe oraz bezpieczeństwo sieci wentylacyjnej podziemnego zgazowania węgla w czynnej kopalni. Ten ostatni aspekt jest szczególnie istotny, gdyż pilotowy test podziemnego zgazowania metodą szybową przeprowadzony zostanie w takiej właśnie kopalni. Dla rozwoju nowych procesów technologicznych, a takim z pewnością jest podziemne zgazowanie węgla, bardzo przydatne są wszelkiego typu modele symulacyjne. Dla ich opracowania oraz weryfikacji konieczne jest jednak zgromadzenie niezbędnych danych eksperymentalnych, do czego wykorzystane mogą być wyniki badań uzyskane podczas testowego zgazowania w pilotowym georeaktorze. W dwóch artykułach poświęconych tej tematyce przedstawiono koncepcję wykorzystania numerycznej mechaniki płynów (CFD) dla potrzeb modelowania procesu podziemnego zgazowania węgla. Omówiono też wyniki symulacji numerycznej wybranych procesów fizycznych, towarzyszących procesowi podziemnego zgazowania węgla, w aspekcie ich wpływu na otaczający górotwór dla warunków zbliżonych do warunków występujących w rejonie pilotowego georeaktora. Z zakresu badań podstawowych procesu zgazowania przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych w reaktorze ex-situ. Badania te poświęcono ocenie wpływu konfiguracji kanału ogniowego na skład i wydajność produktów zgazowania węgla w georeaktorze. Przedstawiono także wyniki badania kinetyki reakcji węgla z parą wodną w aspekcie technologii jego podziemnego zgazowania. Kolejna grupa 3 artykułów dotyczy problematyki przesyłu, oczyszczania oraz wykorzystania gazu z PZW. Przedstawiono najważniejsze problemy techniczne i materiałowe związane z przesyłem gorącego gazu wytwarzanego w georeaktorze na powierzchnię, omówiono wybrane zagadnienia związane z projektowaniem instalacji oczyszczania tego gazu oraz wyborem technologii tego procesu a także dokonano analizy procesu spalania tego gazu. Problematyce podziemnego zgazowania węgla brunatnego poświęcone zostały dwa kolejne artykuły. W pierwszym z nich omówiono uwarunkowania technologiczno-złożowe i środowiskowe, jakie winny być uwzględnione przy kwalifikacji złóż węgla brunatnego dla potrzeb podziemnego zgazowania. Drugi artykuł poświęcony został perspektywom wykorzystania tych złóż w czynnych obecnie zagłębiach górniczo-energetyczych dla potrzeb podziemnego zgazowania przy uwzględnieniu konieczności zapewnienia dostaw dla istniejących już elektrowni. W ramach ostatniej grupy artykułów poświęconych podziemnemu zgazowaniu węgla dokonano analizy kosztów udostępnienia złoża węgla kamiennego, jego podziemnego zgazowania oraz wytworzenia energii na bazie uzyskanego gazu. Przedstawiono także metodologię oceny podziemnego zgazowania węgla w aspekcie zrównoważonego rozwoju Polski opartą na technikach zarządzania cyklem życia oraz omówiono prawne aspekty tej technologii. Kolejne artykuły dotyczą bazy węglowej dla procesów naziemnego zgazowania węgla. W sposób przeglądowy przedstawiono najważniejsze komercyjne technologie zgazowania i oceniono ich przydatność dla zastosowań energetycznych i chemicznych. Na podstawie szczegółowych badań laboratoryjnych scharakteryzowano węgle ze złóż krajowych pod kątem ich przydatności do tego procesu. Przedstawiono też wyniki oceny reaktywności tych węgli względem pary wodnej. Kolejne dwa artykuły dotyczą efektywności ekonomicznej i środowiskowej procesów pod- i naziemnego zgazowania węgla. W pierwszym z nich szczególną uwagę zwrócono na ekoefektywność tych procesów i jej determinanty. Drugi z artykułów skupia się na możliwościach wykorzystania metody opcji rzeczowych w ekonomicznej ocenie technologii zgazowania węgla. Ostatnia grupa artykułów poświęcona została operacjom rozdrabniania i wzbogacania węgli przeznaczonych do procesu zgazowania w rozwijanym w ramach Projektu procesie fluidalnego zgazowania w reaktorze z cyrkulującym złożem (CFB) a także charakterystyce powstających w takim reaktorze ubocznych produktów zgazowania. Uzyskiwane w ramach Projektu wyniki badań, analiz oraz prac technicznych są sukcesywnie prezentowane w specjalistycznych czasopismach naukowych, monografiach oraz materiałach konferencyjnych. Ich wykaz podany jest na stronie internetowej Projektu: www.zgazowaniewegla.agh.edu.pl.

8 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 UKD 622.333: 622.1: 550.8.167/.168: 553.94 Przegląd metod podziemnego zgazowania węgla na podstawie wybranych przeprowadzonych prób na świecie Review of underground coal gasification methods on the basis of tests carried out worldwide Mgr inż. Magdalena Ludwik-Pardała* ) Mgr inż. Katarzyna Niemotko* ) Treść: Proces podziemnego zgazowania węgla (PZW) jest znany od końca XIX wieku. Do tej pory na całym świecie przeprowadzono ponad pięćdziesiąt eksperymentów PZW w różnej skali. Niniejszy artykuł przedstawia przegląd wybranych prac eksperymentalnych PZW. Wybrane eksperymenty PZW przedstawiają dwie metody udostępniania złoża węglowego do procesu zgazowania zarówno metodą szybowa, jak i bezszybową. Abstract: The idea of underground coal gasification (UCG) has been known since the end of 19th century. So far almost 50 UCG experiments have been carried out worldwide and on a different scale. This paper presents a review of the selected ones. These exemplary experiments present two methods of first working of coal to the gasification process These are shaft method and shaft free method Słowa kluczowe: wykorzystanie zasobów węgla, czyste technologie węglowe, gazogeneratory podziemne, technologie podziemnego zagazowania węgla Key words: coal resources utilization, clean coal technologies, underground gas generators, underground coal gasification technologies 1. Wprowadzenie Podziemne zgazowanie węgla (PZW) jest procesem znanym od początków XX wieku [1, 9]. Jego pomysłodawcą był Sir William Simens, który w 1868 roku na forum Chemical Society of London przedstawił koncepcję podziemnego zgazowania resztkowych pokładów węglowych. Niezależnie, rosyjski uczony Dimitr Mendelejew w latach 1880 1890 rozwinął i opublikował wyniki swoich prac, w których przedstawił szczegółową koncepcję projektu i działania instalacji PZW. Pierwszy patent z zakresu PZW uzyskał w 1909 r. amerykański wynalazca A. G. Betts. W 1912 r. angielski chemik William Ramsey zaplanował pierwszy eksperyment w tym zakresie. Jego śmierć i wybuch I wojny światowej nie pozwoliły na jego przeprowadzenie. Pierwszy udany eksperyment podziemnego zgazowania węgla przeprowadzono w Lisiczańsku nad Dońcem na * ) Główny Instytut Górnictwa, Katowice Ukrainie w 1934 roku Do roku 1996 zgazowano pod ziemią około 17 mln ton węgla. Do chwili obecnej w świecie pracuje jedna instalacja w Angren w Uzbekistanie (od lat 50. ubiegłego wieku). Do tej pory na świecie przeprowadzono ponad 50 eksperymentów podziemnego zgazowania węgla. Od początku ubiegłego roku zostało ogłoszonych około 22 nowych projektów instalacji PZW, m.in. w Indiach, Stanach Zjednoczonych, Australii, Chile, Kanadzie, Pakistanie, Chinach, Nowej Zelandii. Obecnie, na świcie, planowane są ciągle nowe inwestycje w tym kierunku. Przykładem jest planowana przez firmę Carbon Energy budowa instalacji podziemnego zgazowania węgla zasilająca elektrownie o mocy: 25 MW w Bloodwood Creek w Australii, 300 MW w Mulpun w Chile oraz 200 MW w Wyoming w USA [2, 8, 27] Biorąc pod uwagę rosnące zainteresowanie procesem podziemnego zgazowania węgla dużych korporacji przemysłowych oraz ośrodków naukowo-badawczych na świecie, istotnym wydaje się usystematyzowanie danych dotyczących

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 9 przeprowadzonych prób podziemnego zgazowania dotyczących oraz takich zagadnień, jak: czas trwania eksperymentu, rodzaj infrastruktury naziemnej i podziemnej, takiej jak: rurociągi doprowadzające media zgazowujące, rurociągi odprowadzające gaz, sposób udostępniania złoża w metodzie szybowej i bezszybowej, czyli: średnica i długość wierconych otworów, głębokość prowadzenia procesu, grubość i kąt nachylenia złoża węglowego, wartość opałowa i analiza elementarna zgazowywanego węgla, rodzaj i ilość podawanych mediów do zgazowania, ilość i skład wytworzonego gazu procesowego oraz jego wartość opałowa. W niniejszej pracy przedstawiono przeprowadzone w przeszłości na świecie eksperymenty podziemnego zgazowania węgla, w celu usystematyzowania informacji związanych ze sposobem prowadzenia procesu podziemnego zgazowania węgla dwoma metodami: szybową i bezszybową. W tablicy 1 przedstawiono dane dotyczące wybranych eksperymentów podziemnego zgazowania węgla. 2. Metody podziemnego zgazowania węgla Proces podziemnego zgazowania węgla może być prowadzony dwoma metodami, które różnią się od siebie sposobem udostępnienia złoża, metodą: szybową i bezszybową. Metoda szybowa zarezerwowana jest dla pokładów zalegających w wyeksploatowanych metodami górniczymi kopalniach, w których zalegają resztkowe pokłady węgla, których wydobycie jest nieopłacalne. Metoda ta polega na udostępnianiu pokładu węgla z istniejących lub nowych wyrobisk kopalnianych, w przeszłości była rozważana i częściowo stosowana powszechnie, obecnie prace w jej zakresie prowadzone są jedynie w Chinach i na Ukrainie oraz w Polsce. Związane jest to z faktem, że wymienione kraje posiadają znaczne ilości węgla uwięzione w pokładach pozostałych w kopalniach, uważanych za nienadające się do eksploatacji z przyczyn technicznych, ekonomicznych, bezpieczeństwa. Metody bezszybowe polegają na udostępnianiu złoża węglowego metodą wierceń kierunkowych z powierzchni. Od lat 60. ubiegłego wieku metody bezszybowe stosowane są w większości prowadzonych na świecie eksperymentów podziemnego zgazowania węgla. 2.1. Metoda szybowa W 1958 roku w Newman Spinney w Wielkiej Brytanii [23] został przeprowadzony eksperyment podziemnego zgazowania węgla, który trwał 118 dni. Zgazowany pokład węgla na głębokości 73 m, o grubości 0,8 m, udostępniono metodą szybową (rys. 1). Medium zgazowującym wykorzystywanym w procesie było powietrze. Podziemny generator miał 90 m długości i 137 m szerokości. Udostępnianie złoża polegało na wierceniu równoległych, poziomych kanałów ogniowych o długości 137 m, w odstępie co 9 m każdy. Gaz syntezowy powstały w procesie był odbierany metodą otworu ślepego (ang. blindhole). Metoda ta polegała na podawaniu mediów i odbieraniu powstałego gazu tym samym otworem. Wyprodukowany gaz syntezowy charakteryzował się średnią wartością opałową 3,2 MJ/m 3 oraz następującym składem: CO 2 10,5 %; CO 10,7 %; CH 4 1,8 % i H 2 8,4 %. Eksperyment został zakończony z powodów problemów z rurociągami zasilającymi generator w powietrze do zgazowania. W ostatnich latach metodą szybową udostępniane były złoża do zgazowania węgla w dwóch kopalniach w Chinach w Woniushan Mine oraz Lizhuang Colliery. Proces podziemnego zgazowania węgla w Woniushan Mine (rys. 2 a) [3, 5] trwał 300 dni w złożu pochyłym pod kątem 75 80, znajdującym się na głębokości 46 80 m, o grubości 3,8 m. Na rysunku 2a przedstawiono schemat udostępnienia pokładu z wykorzystaniem istniejących szybów. Proces podziemnego zgazowania został podzielony na dwie fazy. W fazie pierwszej złoże węglowe zostało rozpalone do 700 C za pomocą powietrza 900 m 3 /h. Pierwsza faza trwała 53 h, jej wynikiem było uzyskanie gazu o wartości opałowej 3,35 MJ/m 3. Następnie rozpoczął się właściwy proces zgazowania, dzielony naprzemiennie na dwa stopnie. W pierwszym stopniu do zgazowania wykorzystywane było Rys 1. Newman Spinney 1958 r. Wielka Brytania Źródło: [23] Fig. 1. Newman Spinney 1958 Great Britain Source: [23]

10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Tablica 1. Dane technologiczne wybranych eksperymentów PZW Table 1. Technological data from the selected UCG experiments L.p. Nazwa instalacji Kraj Rok Metoda Czas trwania eksperymentu, dni Grubość pokładu węgla, m Głębokość prowadzenia procesu, m Nachylenie złoża, Ilość zgazowanego węgla, t Czynnik zgazowujący Ilość wyprodukowanego gazu, 1. Angrenskaya Uzbekistan 1961- do teraz bezszybowa - 3-20 100-220 5-15 powietrze 5870 Mg 2. Newman Spinney Wielka Brytania 1958 szybowa 118 0,8 73 - - powietrze - 3. Hanna II USA 1975-1976 bezszybowa 101 9,14 121-7250 powietrze 756 m 3 /d 4. Rocky Mountain USA 1987-1988 5. Lizhuang Colliery Chiny 1996 bezszybowa CRIP bezszybowa ELW szybowa pokład 9 szybowa pokład 12 97 - - 9800 110 47 - - 4050 61 2,5-3,5 125-127,5 35-55 - 62 2,5-3,5 136,8-138,3 45-65 - 6. El Tremedal Hiszpania 1997 bezszybowa 9 2-5 530-580 - 240 7. Woniushan Mine Chiny 2002 szybowa 300 3,8 46-80 75-80 - 8. Chinchilla Australia 1999-2003 bezszybowa 900 10 140-35 000 9. Huge 1 Polska 2007 szybowa 15? 30-22 10. Majuba Republika Południowej Afryki tlen, para wodna tlen, para wodna powietrze, para wodna powietrze, para wodna tlen, powietrze, woda powietrze, para wodna tlen, powietrze, para wodna tlen, powietrze, woda 283,8 m 3 /d 768,18 m 3 /d 3000 m 3 /d 2000 m 3 /d 480 Mg 16000 m 3 /d 80 000 m 3 /h 2007 bezszybowa 3,5 300 5000 nm 3 /h 72 m 3

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 11 Rys. 2. Schemat reaktora do PZW w a)wounishan Mine. b) Liuzhuang Colliery [10, 4] Fig. 2. Outline of the reactor for UCG processes a)wounishan Mine. b) Liuzhuang Colliery [10, 4] powietrze w ilości 2400 2750 m 3 /h, przez 16 h na dobę. W drugim stopniu do zgazowania wykorzystywano parę wodną w ilości 750 m 3 /h przez 8 h na dobę. W wyniku zgazowania uzyskiwano średnio 16 000 m 3 /d gazu syntezowego o różnej wartości opałowej: przy zgazowaniu powietrzem 5,04 MJ/ m 3, a przy zgazowaniu para wodną 13,57 MJ/m 3. Tablica 2 przedstawia analizę elementarną zgazowanego węgla oraz skład gazu syntezowego. Kolejnym udanym eksperymentem w Chinach była przeprowadzona próba podziemnego zgazowania węgla w Liuzhuang Colliery [2, 4, 10] w Tangshan (rys. 2 b). Eksperyment, który trwał 123 dni, przeprowadzono w dwóch złożach węglowych 9# i 12 # na głębokości 125 127,5 m (#9) i 136,8 138,3 m (12#), o nachyleniu 35 55 o oraz 45 65 o i średniej grubości 2,5 3,5 m. Zgazowywane złoża węgla miały długość 110 m (9#) i 210 m (12#) oraz charakteryzowały się następującą ilością węgla: złoże 9# 33 000 t, złoże 12# 112 000 t. Proces zgazowania był prowadzony w dwóch cyklach: 16 h/d powietrzem, 8 h/d para wodną. W wyniku zgazowania wyprodukowano średnio 3000 m 3 / h gazu syntezowego za pomocą powietrza o wartości opałowej 4,18 MJ/m 3 i 2000 m 3 /h gazu syntezowego za pomocą pary wodnej o wartości opałowej 11,8 MJ/m 3.

12 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Tablica 2. Skład gazu syntezowego oraz elementarna analiza węgla, Wounishan Mine Table 2. Syngas composition and elemental analysis of coal, Wounishan Mine Skład gazu I stopień (powietrze) (para wodna) II stopień CO 6 % 18,59 % CH 4 6 % 15,08 % H 2 50 % 72,87 % Węgiel skład elementarny: W tablicach 3 i 4 przedstawiono charakterystykę zgazowanego węgla oraz średni skład wyprodukowanego gazu syntezowego. W eksperymencie w Liuzhuang Colliery udostępniano złoża, zarówno metodą szybową poprzez istniejące szyby i chodniki kopalniane, jak również bezszybową za pomocą wierceń kierunkowych, dzięki której możliwe było wywiercenie długich tuneli i kanału ogniowego. 2.2. Metoda bezszybowa W t - 4,07 % A 21,93 % V daf - 27,08 % C- 61 % H- 4,07 % O- 6,81 % N-1,74% S-1,28 % HHV- 26,17 MJ/kg W Stanach Zjednoczonych przeprowadzono ponad 30 prób pilotowych podziemnego zgazowania węgla metodą bezszybową [17, 18, 19, 22, 23, 11, 12, 13, 14, 24, 25, 26]. W tablicy 5 zamieszczono podsumowanie amerykańskich eksperymentów (1973 1979). Podczas pierwszych prób w latach 1973 1976 zostały poddane ocenie metody PZW wykorzystywane w Rosji. Jednym z lepiej udokumentowanych eksperymentów prowadzonych w latach 70., jest eksperyment Hanna. W latach 1973 1979 przeprowadzono w Hanna cztery próby podziemnego zgazowania węgla: Hanna I 1973 74 (eksperyment trwający 38 dni), Hanna II 1975 76 (24 dni), Hanna III 1977 (36 dni), Hanna IV 1978 79 (24 dni). Poniżej zestawiono dane technologiczne dla eksperymentu podziemnego zgazowania węgla przeprowadzonego w Hanna II [16, 17, 18, 19] w stanie Wyoming. Proces podziemnego zgazowania był prowadzony w pokładzie węgla o grubości 9 m leżącym na głębokości 84 m. Układ ośmiu otworów do fazy I doświadczenia Hanna II został przedstawiony na rysunku 3. Otwory 1, 2, 3 i 4 zostały wyposażone w rury doprowadzające czynnik zgazowujący i produkcyjne. Otwory AA, BB, CC i DD były wyposażone w termopary, geofony, sondy pomiaru oporności i układ do pobierania próbek gazu. Otwory 1, 2 i 4 zostały wywiercone na głębokości 27 m, średnica wynosiła 1,8 m. Obudowa została wykonana z cementu wysokotemperaturowego, który zawierał 35 % mączki Tablica 3. Charakterystyka węgla, Liuzhuang Colliery Table 3. Coal properties, Liuzhuang Colliery Węgiel skład elementarny: #9 #12 W t 0,02-0,18 0,01 A 16,2-19,5 6,24-9,94 V daf 26,6-30,01 30,37-33,27 C 31,71-53,74 58,9-60,7 S 0,75-0,87 0,8-1,72 HHV 23,02 25,12 Tablica 4. Skład otrzymanego gazu, Liuzhuang Colliery Table 4. Composition of the received gas, Liuzhuang Colliery Składnik gazu Średni udział % O 2 2 CO 2 20 N 2 7-10 H 2 40-71,68 CH 4 7-17,5 CO 8-28,25 Tablica 5. Najważniejsze eksperymenty w USA (Lata 1973 1979) Table 5. The most important UCG experiments in the USA (1973 1979) Eksperyment Rok Czas trwania, dni Wartość opałowa gazu, MJ/m 3 Ilość wyprodukowanego gazu (suchego), m 3 /doba Ilość zgazowanego węgla, tony Hanna I 1973-74 180 4,7 45 000 3600 Hanna II, faza 1 1975 38 5,7 48 000 1100 Hanna II, faza 2 1976 25 6,5 238 000 2300 Hanna II, faza 3 1976 38 5,1 336 000 3800 Hanna III 1977 38 5,1 280 000 2600 Hanna IV- A 1978 60 3,7 280 000 1200 Hanna IV- B 1979 24 4,8 280 000 1200 Hoe Creek 1 1976 11 4,1 48 000 118 Hoe Creek 2 1977 58 4,0 92 000 2100 Hoe Creek 3 1979 57 8,0 112 000 3400 Razem: 1 759 000 21 418 Źródło: The DOE underground coal conversion program field test activities for 1979 and 1980 [3]

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 13 Rys. 3. Schemat otworów Hanna II, faza I Źródło: opracowanie własne na podstawie [21] Fig. 3. Injection and production wells scheme, Hanna II, stage I. Source: own elaboration according to [21] Rys. 4. Układ otworów, Hanna II Źródło: opracowanie własne na podstawie [21] Fig. 4. Injection and production wells layout, Hanna II Source: own elaboration according to [21] Tablica 6. Średni skład gazu z eksperymentu Hanna II Table 6. The average gas composition from the experiment, Hanna II Składnik gazu % obj H 2 17.3 CO 14.7 CO 2 12.4 CH 4 3.3 N 2 51.0 Ar 0.6 H 2 S 0.1 C n H m 0.6 kwarcytowej. Powierzchniowy układ dopływu powietrza i odbioru gazu zastosowany w eksperymencie został pokazany schematycznie na rysunku 4. Zgazowywane złoże udostępniono za pomocą pionowych otworów wierconych z powierzchni ziemi. Do przygotowania złoża zastosowano metodę wstecznego spalania, proces postępował w tempie 1,52 m/dobę, co pozwoliło na uzyskanie wysokiej przepuszczalności kanału ogniowego. Proces podziemnego zagazowania był prowadzony za pomocą powietrza, jako medium zgazowującego. W I fazie eksperymentu w Hanna proces PZW prowadzony był przez 38 dni za pomocą powietrza, jako czynnika zgazowującego (2242 m 3 /h). W wyniku zgazowania wyprodukowano 3186 m 3 /h gazu syntezowego o średniej wartości opałowej 5,62 MJ/m 3. Całkowity średni skład gazu z części I zgazowania przedstawia tablica 6. Podczas I fazy eksperymentu zgazowane zostało 1700 ton węgla Kolejna seria eksperymentów w USA (Centralia i próby Rocky Mountain) odbyły się w latach 1984 1989. Próby te były połączeniem metody CRIP i metody radzieckiej opartej na wierceniu otworów pionowych. Podczas prób Rocky Mountain w 1987 roku [16, 17, 18, 20, 21, 11] badane były dwie metody wiercenia otworów udostępniających pokład węglowy na głębokości 110 m. W obydwu częściach eksperymentu, jako czynnik zgazowujący zastosowano tlen i parę wodną. Pierwszy etap zgazowania węgla przeprowadzono metodą ELW (Extender Linked Well), polegającą na wywierceniu dwóch pionowych otworów doprowadzających czynnik zgazowujący oraz jednego otworu produkcyjnego, wywierconego poziomo. Na rysunku 5 przedstawiono schematycznie układ otworów zastosowanych podczas prób. Pionowe otwory doprowadzających (VIW-1 i VIW-2) zostały wywiercone w odległości około 30 m, następnie zostały połączone poziomo wywierconym otworem produkcyjnym (PW-1). Początkowo czynnik zgazowujący był doprowadzany otworem VIW-1, następnie w celu rozszerzenia strefy reakcji, doprowadzenie czynnika przesunięto do drugiego otworu VIW-2. W procesie zgazowano 4000 ton węgla. Drugi etap eksperymentu przeprowadzono metodą CRIP (controlled retractable injection point). Etap ten trwał 97 dni. Metoda udostępniania złoża polegała na wywierceniu trzech otworów: pionowego otworu rozruchowego (CPW-2), poziomego doprowadzającego czynnik zgazowujący (CIW- 1) oraz poziomego otworu produkcyjnego (CPW-1). Na rysunku 6 przedstawiono schematycznie metodę rozpalania złoża. W trakcie eksperymentu zgazowano 11 000 ton węgla. W wyniku zgazowania otrzymano gaz procesowy o średniej wartości opałowej 10 MJ/m 3. W trakcie każdego z etapów podziemnego zgazowania ciśnienie procesu zostało utrzymane na poziomie 440 do 610 kpa i było znacznie niższe od ciśnienia hydrostatycznego (820 kpa). W tablicy 7 przedstawiono skład otrzymanego gazu. W roku 1997 przeprowadzono próbę podziemnego zgazowania w El Tremedal w Hiszpanii [6]. Eksperyment został podzielony na dwie fazy, pierwsza faza trwała 9 dni, a druga 5 dni. Zgazowanie węgla przeprowadzono metodą CRIP, na głębokości 530 580 m, w pokładzie o grubości 2 5 m. Charakterystykę węgla przedstawiono w tablicy 8. Udostępnianie złoża polegało na wywierceniu dwóch otworów: otworu doprowadzającego czynnik zgazowujący oraz otworu produkcyjnego (do odbierania gazu). Odległość między otworami wynosiła ok. 100 m. Medium zgazowującym wykorzystanym w procesie był tlen (0,3 t O 2 /1t węgla) oraz powietrze. Na rysunku 7 przedstawiono schematycznie układ otworów.

14 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Rys. 5. Układ otworów, Rocky Mountain (CRIP i ELW) [19] Fig. 5. Injection and production wells layout, Rocky Mountain (CRIP i ELW) [19] Rys. 6. Sposób rozpalenia złoża, Rocky Mountain Źródło: opracowanie własne na podstawie [16] Fig. 6. Method of deposit ignition, Rocky Mountain Source: own elaboration according to [16] Tablica 7. Skład gazu z eksperymentu Rocky Mountain, USA Table 7. Gas composition from the experiment, Rocky Mountain, USA Skład gazu ELW, % molowe CRIP, % molowe H 2 CH 4 CO CO 2 H 2 S N 2 Ar C n H m 32,7 10,1 8,2 45,7 0,8 0,5 0,2 1,8 39,6 10,3 11,9 35,3 0,6 0,5 0,1 1,7 Rys. 7. Układ otworów, El Tremedal. Źródło [6] Fig. 7. Injection and production wells layout, El Tremedal. Source [6] Tablica 8. Skład węgla, El Tremedal Table 8. Coal composition, El Tremedal Węgiel skład elementarny Zawartość siarki 7,6 % Wilgotność 22,0 % Zawartość części lotnych 27,5 % Zawartość popiołu 14,0 % Wartość opałowa 17,8 MJ/kg

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 15 Wartość opałowa otrzymanego gazu wynosiła 10,9 MJ/m 3, a jego skład przedstawiał się następująco: CO 2 = 45 % obj., H 2 = 27 % obj., CH 4 = 14 % obj., CO = 14 % obj. Badania w Hiszpanii potwierdziły opłacalność wierceń kierunkowych, z końcowym łączeniem kanału zasilającego i produkcyjnego, uzyskanym za pomocą wtrysku wody pod wysokim ciśnieniem. Zastosowanie metody CRIP do zgazowania pokładu węgla, znajdującego się ponad 530 m pod powierzchnią potwierdziło wykonalność procesu dla głęboko zalegających pokładów. W latach 60. XX w na terenie Uzbekistanu rozpoczęła się trwająca do dziś eksploatacja metodą podziemnego zgazowania złoża o powierzchni 150 km 2 Angerenskaya [7, 15]. Zgazowywane, metodą wierceń kierunkowych, złoże węglowe o grubości 3 20 m, znajduje się na głębokości 100 220 m, a jego średni kąt nachylenia wynosi 9 o (5 15 o ). Wyprodukowany gaz syntezowy jest przesyłany do elektrowni odległej od instalacji podziemnego zgazowania węgla o 5 km rurociągiem o średnicy 2 m. W tablicy 9 zestawiono najważniejsze dane dotyczące produkcji gazu syntezowego w instalacji z kilku wybranych lat. Zgazowywany węgiel charakteryzuje się właściwościami przedstawionymi w tablicy 10. W instalacji Angerenskaya produkcja gazu syntezowego w skali komercyjnej (do spalania w elektrowni) jest prowadzona od 1961 roku. Pierwszy generator nr 1 pracował 93 dni i zgazowano w nim 1414 t węgla. Proces polegał na doprowadzeniu do złoża ośmioma otworami o długości 120 150 m powietrza do zgazowania w ilości 210 m 3 /h o ciśnieniu 2 atm i odbieraniu siedmioma otworami gazu syntezowego w ilości 29 000 m 3 /h. Równocześnie podawane było powietrze do łączenia kanałów w ilości 30 000 m 3 /h o ciśnieniu 5 atm. Średnica rur doprowadzających powietrze do zgazowania wynosiła 300 mm, a rur odprowadzających gaz syntezowy 400 mm. Na rysunku 8 przedstawiono schemat otworów. Obecnie stacja Angerenskaya (również pod nazwą Yerostigaz) należy do firmy Linc Energy, która kontynuuje eksploatację złoża metodą podziemnego zgazowania. Tablica 9. Zestawienie danych dotyczących produkcji gazu z instalacji PZW Angrenskaya w latach 1962 1970 Table 9. Summary of gas production in the Angerenskaya UCG installation, 1962 1970 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 Produkcja gazu, 10 6 m 3 489 893 1063 1410 1252 1020 1005 1000 996 LHV, kcal/m 3 792 840 790 794 794 785 766 750 783 Zgazowany wegiel, 10 6 t 182 320 482 484 375 369 356 Ilość wyprodukowanego 2,6 2,8 2,46 2,65 2,59 2,75 2,73 2,67 2,8 m 3 gazu/ kg węgla Wyprodukowany gaz 1,05 1,25 1 1,15 1,0 1,15 1,05 1,00 1,2 m 3 / ilość m 3 mediów zgazowujących Straty gazu % 15 10 23-20 14,6 15,5-14 Sprawność procesu % 59,2 62,3 53,6 59,2 57,3 59,6 57,8-61 Konsumpcja energii elektrycznej, kwh/1000 115 91 102-90 85 94,5-86,2 m 3 Łączenie otworów 1000m/rok Rys. 8. Schemat otworów Angrenskaja Źródło [15] Fig. 8. Injection and production wells scheme of Angerenskaya Source [15] 1,8 2,1 3,4 4,6 4,1 3,3 1,8 2,0 1,7

16 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Tablica 10. Własności fizykochemiczne węgla wykorzystywanego w instalacji do PZW Angrenskaya Table 10. Physical and chemical properties of coal utilized in the Angerenskaya UCG installation Własności węgla W t 35 % A 12 % Wartość opałowa 15,07 MJ/kg V daf 33 % a C t 44 % Analiza elementarna: C 74 79 % O 16,6 % S 1,6 % H 3,5 4,5 % 3. Podsumowanie W wielu krajach na świecie realizowane są badania nad innowacyjną technologią podziemnego zgazowania węgla, aby uzyskany gaz procesowy mógł zostać zastosowany komercyjnie. Główną przyczyną ożywienia badań nad podziemnym zgazowaniem węgla jest pogarszająca się sytuacja surowcowo- -paliwowa oraz wzrost cen ropy naftowej i gazu ziemnego na świecie. Wzrost zużycia energii oraz wzrastające wymagania dotyczące ochrony środowiska, w tym redukcji zanieczyszczenia atmosfery, stały się przyczyną ponownego (po kilkudziesięcioletniej przerwie) zainteresowania procesem PZW. W Polsce również trwają prace nad PZW, m.in. w ramach projektu pt. Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej oraz RFCS HUGE 2 realizowanych przez Główny Instytut Górnictwa. Wybór przedstawionych eksperymentów i instalacji pilotowych, spowodowany jest ograniczonym dostępem do danych dla instalacji komercyjnych pracujących obecnie (np. instalacji w Chinchilla w Australii, Majuba w Pd. Afryce, Wulanchabu w Chinach). 4. Literatura: 1. Kostur K., Sasvari T.: Research of lignite underground gasification, Acta Montanistica Slovaca, 2010 (15/2), s. 121 133. 2. Yang L.: Study of the model experiment of blinding-hole UCG, Fuel Processing Technology 82 (2003) 11 25. 3. Hongtao L., Feng C., Xia P., Kai Y., Shuqin L.: Method of oxygen-enriched two-stage underground coal gasification, Mining Science and Technology (China),2011, 1-6. 4. Yang L., Liang Jie, LiYu: Clean coal technology Study on the pilot project experiment of underground coal gasification, Energy 28 (2003) 1445 1460. 5. WANG Zuo-tang, HUANG Wen-gang, ZHANG Peng, XIN Lin, A contrast study on different gasifying agents of underground coal gasification at Huating Coal Mine, Journal of Coal Science & Engineering, pp 181 186 Vol.17 No.2 June 2011. 6. Creedy D. P., Garner K.: Review of underground coal gasification technological advancements Report No. COAL R211, DTI/Pub URN 01/1041. 7. Olness D.U.: The underground coal gasification station in Lisichansk, September 19, 1978,UCRL-52572, U.S. Department of Energy by the UCLLL under contract number W-7405-ENG-48. 8. Yulan Li, Xinxing Liang, Jie Liang: An overview of the Chinese UCG Program, Data Science Journal, Volume 6, Supplement, 2007. 9. Kreinin E.V., Zorya A.: Underground Coal Gasification Problems, ISSN 03615219, Solid Fuel Chemistry, 2009, Vol. 43, No. 4, pp. 215 218. Allerton Press, Inc., 2009. 10. Yanga L., Zhang X., Shuqin L., Li Y., Zhang W.: Field test of large-scale hydrogen manufacturing from underground coal gasification (UCG), International Journal Of Hydrogen Energy 33 ( 2008 ) 1275 1285. 11. Brandenburg C. F., Fischer D., Campbell G.: The underground gasification of a subbituminous coal, U. S. Department of the Interior, Bureau of Mines Laramie Energy Research Center Box 3395, Laramie, Wyoming 82071. 12. Buscheck T.A., Hao Y., Morris J.P, Burton E. A.: Thermal-Hydrological Sensitivity Analysis of Underground Coal Gasification, 2009 International Pittsburgh Coal Conference Pittsburgh, PA, United States. 13. Klimenko A. Y.: Early Ideas in Underground Coal Gasification and Their Evolution, Energies 2009, 2, 456-476; doi:10.3390/en20200456. 14. Zieleniewski M.: Selection and deployment of a method to evaluate the achievable benefits of extending technologies for uneconomical coal resources in South Africa, University of Pretoria, 2006. 15. Olness D.U.: The Angrenskaya Underground Coal Gasification Station, June 17, 1982,UCRL-53300, U.S. Department of Energy by the UCLLL. 16. Dennis D.: Rocky Mountain 1 Underground Coal Gasification Test Project Hanna, Wyoming, Final Technical Report for the Period 1986 to 2006, National Energy Technology Laboratory, 2006. 17. Creedy D.P, Garner K., Holloway S.: Review of underground coal gasification technological advancements, Report No. COAL R211 DTI/ Pub URN 01/1041 by n, 2001, Rozdział 5, Appendix 4. 18. Shafirovich E., Varma A.: Underground Coal Gasification: A brief review of current status, Ind. Eng. Chem. Res. 2009, 48, 7865-7875, 2009. 19. Hartman H. L.: SME Mining Engineering Handbook, Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc.,1996, pp. 1964-1965. 20. Bartke T.C.: The DOE underground coal conversion program field activities for 1979 and 1980, U.S. Department of Energy project, Wyoming 21. Campbell G.C., Branderburg C.F., Boyd R.M., Sterner T.E.: Underground Coal Gasification at Hanna, Wyoming, Laramie Energy Research Center Laramie, Wyoming, 1975. 22. Sury M., White M., Kirton J., Carr P., Woodbridge R.: Review of environmental issues of underground coal gasification, Report No. COAL R272 DTI/Pub URN 04/1880, 2004. 23. Beath A., Davis B.,: UCG History, Kalkuta, Indie, 2006. 24. Viability of Underground Coal Gasification in the Deep Coals of the Powder River Basin, Wyoming. GasTech, Inc. Casper, Wyoming. 2007. 25. Viability of Underground Coal Gasification with Carbon Capture and Storage in Indiana. School of Public and Environmental Affairs, Indiana University. 2011. 26. The DOE underground coal conversion program field test activities for 1979 and 1980. 27. http://www.carbonenergy.com.au/irm/content/default.aspx.

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 17 UKD 622.1: 550.8: 622.86/.87: 622.4 Identyfikacja zagrożeń, jakie mogą wystąpić podczas eksploatacji georeaktora podziemnego zgazowania węgla Identification of hazards which may occur during the underground coal gasification exploitation in a georeactor dr hab.inż. Eugeniusz Krause* ) prof.dr hab.inż. Marian Turek* ) mgr inż. Marek Pieszczek** ) Treść: Pilotująca próba podziemnego zgazowania wegla w czynnej kopalni węgla kamiennego wymusza dokonanie właściwej lokalizacji georeaktora w jej obszarze górniczym przy uwzględnieniu warunków geologiczno-górniczych, techniczno-organizacyjnych oraz wentylacyjnych. Zidentyfikowanie wszystkich zagrożeń, jakie mogą wystąpić podczas procesu zgazowania w stanie ustabilizowanym oraz awaryjnym dla wybranej lokalizacji georeaktora, pozwoliło na dobór sposobu ich monitorowania oraz zakresu zabezpieczeń w celu zapewnienia bezpiecznych warunków eksperymentu. W artykule przedstawiono zidentyfikowane zagrożenia w KHW S.A. KWK Wieczorek dla lokalizacji eksperymentu w pokładzie 501 oraz przeprowadzono syntetyczną analizę możliwości ich wystąpienia ze szczególnym uwzględnieniem stanu awaryjnego georeaktora. Abstract: In order to perform a pilot test of underground coal gasification in an active hard coal mine successfully, it is necessary to properly locate a georeactor in its mining area taking into account the mining, geologic, technologic, organization and ventilation conditions. Identification of the hazards which may occur during the gasification process in steady and emergency state for the selected location of the georeactor allowed to assort a control method as well as protection level to provide safety during the experiment. This article presents hazards discovered in KHW S.A. KWK Wieczorek for the experiment in coal bed 501. Consequently, a synthetic analysis of the probability of the hazard occurrence with particular focus on the emergency state of the georeactor was performed. Słowa kluczowe: bezpieczeństwo, górnictwo, kopalnia węgla, pokład, zagazowanie, georeaktor, zagrożenia Key words: safety, mining, coal mine, coal bed, gasification, georeactor, hazards 1. Wprowadzenie Ustalenie, na etapie projektowania, zasad prowadzenia eksperymentalnej eksploatacji z zastosowaniem procesu podziemnego zgazowania węgla, jest wymagane zarówno ze względu na współwystępowanie zagrożeń naturalnych, tj. zagrożenia tąpaniami, metanowego, pożarowego, jak również z uwagi na brak doświadczeń w doborze środków bezpieczeństwa dla przebiegu tego procesu. Wprowadzenie rygorów i zasad, łącznie ze sprawnie funkcjonującym wachlarzem zabezpieczeń przed zagrożeniami, powinno zagwarantować warunki bezpieczeństwa dla zatrudnionej załogi oraz ruchu górniczego. Projektowana lokalizacja georeaktora w pokładzie * ) Główny Instytut Górnictwa ** ) KHW S.A.KWK Wieczorek 501, w obszarze górniczym KHW S.A. KWK Wieczorek uwzględniła: warunki geologiczno-górnicze oraz techniczno-organizacyjne w otoczeniu georeaktora, usytuowanie georeaktora w sieci wentylacyjnej kopalni, kształtowanie się zagrożeń: gazowego, klimatycznego, pożarem endogenicznym oraz innych, mogących wystąpić w trakcie procesu podziemnego zgazowania, ze szczególnym uwzględnieniem stanów awaryjnych georeaktora. Opracowanie właściwych kryteriów, rygorów i zasad bezpieczeństwa jest kluczowym zagadnieniem przy ustalaniu warunków bezpiecznego prowadzenia eksperymentu w warunkach czynnej kopalni węgla kamiennego. Dokumentacja zawierająca całokształt zagadnień związanych z zapewnieniem prawidłowego przebiegu procesu podziemnego zgazowania węgla została opracowana przy dużym zaangażowaniu kadry

18 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 inżynieryjno-technicznej KHW S.A. kopalni Wieczorek i koordynowaniu prac przez specjalistów z Głównego Instytutu Górnictwa. Wybór parceli pokładu pod lokalizację georeaktora został dokonany na podstawie analizy resztek pokładów w obszarze górniczym kopalni, a po ustaleniu miejsca na zgazowanie w pokładzie 501 na poziomie 400 m przeprowadzono wielowariantową analizę sposobu jej udostępnienia. Na bazie doświadczeń z przebiegu prób podziemnego zgazowania węgla w kopalni Doświadczalnej Barbara Głównego Instytutu Górnictwa, przeprowadzonych w 2010 roku [1], [3], kilka wariantów projektowanego udostępnienia georeaktora w pokładzie 501 oparto na założeniu, że wyrobiska udostępniające georeaktor powinny być przewietrzane opływowym prądem powietrza. Ograniczenia organizacyjno-techniczne, między innymi zbyt duża długość wyrobisk udostępniających, skłoniły do poszukiwania rozwiązań opartych na udostępnieniu georeaktora wyrobiskiem przewietrzanym wentylacją odrębną. Zaprojektowanie niwelacji wyrobiska udostępniającego georeaktor nad pokładem 501 w skale płonnej oraz wykonanie z tego wyrobiska dwóch otworów technologicznych o średnicy 0,2 m do pokładu 501, stanowiło podstawowe założenie przy opracowaniu dokumentacji technicznej dla wykonania tych wyrobisk oraz projektu technicznego eksploatacji pokładu 501 z zastosowaniem procesu podziemnego zgazowania węgla. Opracowanie dokumentacji niezbędnej do budowy i eksploatacji georeaktora wymaga przeprowadzenia analizy zagrożeń pod kątem bezpieczeństwa procesowego w wyrobiskach podziemnych oraz na powierzchni. Projekt procesu podziemnego zgazowania węgla w KHW S.A. kopalnia Wieczorek, wymaga opracowania założeń i rygorów dla przebiegu tego procesu, obejmując analizą zakres zidentyfikowanych zagrożeń w warunkach normalnej pracy georeaktora oraz infrastruktury z nim związanej, jak i w stanie wystąpienia awarii. W artykule przedstawiono tematykę związaną z identyfikacją zagrożeń, jakie mogą wystąpić w procesie podziemnego zgazowania węgla. 2. Identyfikacja zagrożeń podczas eksploatacji georeaktora Analiza zagrożeń, jakie mogą wystąpić podczas eksploatacji georeaktora w KHW S.A. kopalnia Wieczorek będzie podstawą do opracowania rygorów i zasad bezpieczeństwa dla przebiegu podziemnego zgazowania węgla. Możliwe zagrożenia w trakcie eksploatacji georeaktora, w warunkach normalnej pracy oraz przy wystąpieniu stanu awaryjnego, przedstawiono schematycznie na rysunku 1. Oddzielnie zidentyfikowano zagrożenia w wyrobiskach podziemnych podczas eksploatacji georeaktora (blok 2) oraz na powierzchni w sąsiedztwie urządzeń wykorzystujących gaz procesowy odprowadzany rurociągiem (blok 3). W przypadku wystąpienia stanu awaryjnego rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania lub urządzeń na powierzchni jest identyfikowane wystąpienie następujących zagrożeń (blok 3): wybuchem gazu (blok 6), toksyczne tlenkiem węgla z tytułu rozszczelnienia rurociągu lub instalacji (blok 7), skażenia środowiska wyciekiem skroplonego gazu z instalacji (blok 8). Zagrożenia, jakie mogą wystąpić w wyrobiskach podziemnych (blok 2) podzielono na: zagrożenia wewnątrz georeaktora (blok 4), w tym wybuchowe (blok 11), zagrożenia w czynnych wyrobiskach kopalni wentylacyjnie związanych z georeaktorem oraz siecią rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania (blok 5). Do georeaktora podziemnego zgazowania węgla będą doprowadzane media, takie jak: tlen, powietrze i azot, a na powierzchnię odprowadzane produkty zgazowania. Na uproszczonym schemacie przestrzennym (rys. 2), stanowiącym wycinek poziomu wentylacyjnego 400 m, naniesiono przebieg rurociągów doprowadzających media z powierzchni oraz odprowadzających produkty zgazowania na powierzchnię. Próba podziemnego zgazowania węgla w pokładzie 310 w Kopalni Doświadczalnej Barbara wskazała na możliwość wystąpienia stanu awaryjnego w przebiegającym procesie wewnątrz georeaktora. Zagrożenie gazowe (wybuchowe), jakie może zaistnieć w georeaktorze, wiąże się ze wzrostem ciśnienia na skutek podania dużej objętości mediów (tlenu lub powietrza), przy jednocześnie niewystarczającym odbiorze rurociągiem wytworzonych objętości produktów zgazowania. Wzrost ciśnienia gazu procesowego w georeaktorze oraz nadmierna zawartość tlenu mogą doprowadzić do wybuchu mieszaniny powietrzno-gazowej (blok 11). Nadmienić należy, że zalanie wodą odcinka chodnika badawczego w skale płonnej, udostępniającego georeaktor oraz dodatkowa 20-metrowa półka skalna, oddzielająca to wyrobisko od georeaktora w pokładzie 501, uniemożliwiają przeniesienie wybuchu do sąsiadujących czynnych wentylacyjnie wyrobisk. Ciśnienie w georeaktorze podczas trwania procesu podziemnego zgazowania węgla, będzie monitorowane czujnikiem, zabudowanym na otworze 0,085 m wykonanym z dowierzchni transportowej. Wartości wskazań ciśnienia w georeaktorze będą rejestrowane w dyspozytorni na powierzchni co umożliwi sterowanie doprowadzanymi do georeaktora mediami (powietrze, tlen) oraz wydatkiem gazu odprowadzanym z georeaktora na powierzchnię. Zagrożenia, jakie mogą wystąpić w czynnych wyrobiskach kopalni, wentylacyjnie związanych z georeaktorem oraz z wyrobiskami, w których jest zabudowany rurociąg odprowadzający produkty zgazowania na powierzchnię (blok 5), powinny uwzględniać stan normalny (blok 10) oraz awaryjny pracy georeaktora lub rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania (blok 9). Do zagrożeń w stanie awaryjnym odnoszą się zagrożenia ujęte w blokach: 12, 13, 14 i 15, natomiast w stanie normalnym funkcjonowania georeaktora zagrożenia ujęte w blokach 16 i 17. Dla stanu awaryjnego georeaktora lub rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania zidentyfikowano następujące zagrożenia: wybuchowe (gazu procesowego i w konsekwencji pyłu węglowego (bloki 11 i 12)), powstanie w chodniku badawczym na odcinku przewietrzanym wentylacją odrębną, atmosfery niezdatnej do oddychania w warunkach awarii wentylacji odrębnej (blok 13), pożarem endogenicznym w pokładach 418 i 501 z tytułu sąsiedztwa sieci rurociągów odprowadzających produkty zgazowania (blok 16), klimatyczne, na odcinku chodnika badawczego w warunkach awarii wentylacji odrębnej i wzrostu temperatury powietrza od gorącej powierzchni rurociągu (blok 17), zagrożenie toksyczne tlenkiem węgla we wszystkich wyrobiskach wentylacyjnie związanych z georeaktorem oraz przebiegiem sieci rurociągów odprowadzających produkty zgazowania. Identyfikacja zagrożeń, jakie mogą wystąpić podczas eksploatacji georeaktora podziemnego zgazowania węgla, narzuca konieczność opracowania rygorów, kryteriów i zasad monitorowania przebiegu tego procesu.

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 19 Rys. 1. Identyfikacja zagrożeń generowanych w procesie eksploatacji georeaktora podziemnego zgazowania węgla Fig. 1. Identification of the hazards which may occur during the underground coal gasification exploitation in a georeactor

20 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Rys. 2. Uproszczony schemat przestrzenny przewietrzania wyrobisk w otoczeniu georeaktora podziemnego zgazowania węgla z naniesionym rurociągiem odprowadzającym produkty zgazowania oraz rurociągami: przeciwpożarowym, podsadzkowym oraz do podawania sprężonego powietrza i tlenu lub gazu inertnego Fig. 2. Simplified three-dimensional scheme of excavation ventilation in the surroundings of the georeactor for underground coal gasification with alluvial pipeline which carries away the gasification products as well as anti explosion and filing pipelines, and pipelines fed with compressed air, oxygen or inert gas