Pobierz jako PDF - Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa

Pobierz jako PDF - Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa

ISSN 0033-216X
11/2014
W GÓRNI
CT
A
W
ZYSZENIE
AR
IN
W
O
KÓ
NI
ÓW I T
IER
EC
N
H
ŻY
ST
BARBÓRKA 2014
Pracownikom przemysłu górniczego
z okazji dnia Świętej Barbary
przekazujemy
najserdeczniejsze pozdrowienia
i życzymy pomyślności
w życiu osobistym i zawodowym
Zarząd Główny
Stowarzyszenia Inżynierów
i Techników Górnictwa
oraz
Redakcja „Przeglądu Górniczego”
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
1
założono 01.10.1903 r.
MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA
Nr 11 (1104) listopad 2014
Tom 70 (LXX)
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Badania nad procesem zgazowania węgla
w ramach Projektu NCBiR
Study on coal gasification process within the framework
of the NCBiR Project
dr hab. inż. Andrzej Strugała – prof. AGH*)
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”. M.in. zaprezentowano koncepcję procesu tlenowego zgazowania węgla w skali pilotowej, opartą na
prowadzeniu procesu w reaktorze ciśnieniowym (CFB) i wykorzystaniu w tym procesie ditlenku węgla w charakterze surowca,
jak również rozwijanego w ramach Projektu NCBR procesu podziemnego zgazowania węgla kamiennego.
Abstract: This paper presents the main tasks of the strategic NCBiR Project: “Development of coal gasification technology for high-efficiency fuel and power production” implemented by the Scientific-Industrial Consortium. The project presents, among
others, the idea of the oxygen gasification process, conducted in a pressure reactor on a pilot scale with the use of carbon
dioxide as the gasification agent as well as the idea of underground hard coal gasification process developed within the
framework of the NCBiR Project.
Słowa kluczowe:
węgiel, zgazowanie, instalacje pilotowe, projekt R&D,
Key words:
coal, gasification, pilot systems, R&D project
Bieżący numer „Przeglądu Górniczego” poświęcony jest
w całości badaniom nad procesem zgazowania węgla,
prowadzonym w ramach Strategicznego Programu Badań
Naukowych i Prac Rozwojowych pt.: „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”, finansowanego ze środków
Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Program ten obejmuje cztery zadania, tj.:
1. Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych” bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO2 ze spalin (Lider Konsorcjum – Politechnika
Śląska);
2. Opracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów
pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytem CO2
(Lider Konsorcjum – Politechnika Częstochowska);
3. Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej (Lider
Konsorcjum – Akademia Górniczo-Hutnicza im. St.
Staszica);
4. Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania
paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych
*) AGH w Krakowie
(Lider Konsorcjum – Instytut Maszyn Przepływowych im.
Roberta Szewalskiego PAN).
Zadanie Badawcze nr 3 realizowane jest przez Konsorcjum
Naukowo-Przemysłowe, w skład którego wchodzą: Akademia
Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, 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 SA, Tauron Wydobycie S.A., Grupa
Azoty S.A. oraz KGHM Polska Miedź S.A.
Celem tego Zadania Badawczego jest opracowanie
optymalnych konfiguracji oraz wytycznych procesowych
i projektowych układów zgazowania węgla stanowiących
podstawę do budowy krajowych instalacji demonstracyjnych.
W tym zakresie Projekt ukierunkowany został na opracowanie
i weryfikację w skali pilotowej procesów:
– ciśnieniowego zgazowania węgla w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym CFB przy wykorzystaniu CO2
dla potrzeb zgazowania,
– podziemnego zgazowania węgla kamiennego, opartego
na technologii szybowej,
– oczyszczania i konwersji gazu z procesów zgazowania
w powiązaniu z usuwaniem CO2.
2
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Oprócz powyższych 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,
W ramach części projektu, poświęconej podziemnemu
zgazowaniu węgla tworzone są podstawy technologii podziemnego zgazowania węgla dla potrzeb produkcji ciepła
i energii elektrycznej w średniej mocy. Opracowywana
technologia oparta jest na metodzie szybowej, w której
zakłada się wykorzystanie istniejącej infrastruktury kopalni
dla zgazowania tzw. złóż resztkowych węgla. Kluczowym
elementem prac była długotrwała próba zgazowania w georeaktorze pilotowym zlokalizowanym w jednym z pokładów
KWK „Wieczorek” (rys. 1, 2). Próba ta zakończona została
pozytywnym rezultatem, a obecnie trwa wygaszanie reaktora.
Uzyskane wyniki umożliwią dokonanie oceny efektywności
procesowej, ekologicznej i ekonomicznej procesu podziemnego zgazowania węgla w wersji zaproponowanej przez Główny
Instytut Górnictwa w Katowicach. Uzyskane wyniki wykorzystane zostaną też do opracowania projektu technologicznego
oraz studium wykonalności instalacji demonstracyjnej PZW
dla produkcji ciepła i energii elektrycznej o mocy ok. 20 MWel.
Ciekawym kierunkiem wykorzystania rozwijanej przez
GIG technologii może stać się w przyszłości zaproponowana przez AGH tzw. hybrydowa technologia podziemnego
zgazowania węgla kamiennego w złożach pozabilansowych
z wykorzystaniem istniejącej infrastruktury kopalń likwidowanych. Wykorzystuje ona różnorodne techniki przygotowania
i eksploatacji pokładów zalegających na dużej głębokości, tj.
poniżej poziomu wydobywczego (klasyczne techniki górnicze
i techniki otworowe, szczelinowanie utworów złożowych,
odmetanowanie, a następnie zgazowanie węgla). Wdrożenie
takiego rozwiązania zapobiegnie bezpowrotnej utracie możliwości wykorzystania udostępnionych przez istniejące kopalnie
bardzo istotnych zasobów węgla kamiennego, a także umoż-
2014
Rys. 2.Charakterystyczny płomień spalanego gazu z procesu
podziemnego zgazowania węgla w KWK „Wieczorek”
Fig. 2. Characteristic flame of burning gas from the underground gasification process in “Wieczorek” mine
liwi pełniejsze wykorzystanie posiadającego jeszcze dużą
wartość majątku likwidowanych kopalń węgla kamiennego.
W ramach części Projektu dotyczącej naziemnego zgazowania węgla rozwijana jest technologia zgazowania węgla
w reaktorze CFB z wykorzystaniem CO2 jako składnika
mieszaniny zgazowującej. W ten sposób w praktyce realizowana jest koncepcja tzw. chemicznej sekwestracji CO2, czyli
wykorzystanie go jako surowca chemicznego. Rozwijany
proces zgazowania przebiega w warunkach cyrkulującego
złoża fluidalnego (CFB) (rys. 3), do którego wprowadzany jest
dodatkowy strumień CO2 (rys. 4). Jest on nośnikiem zarówno
tlenu, jak i pierwiastka węgla. Dzięki temu obniża się zużycie
zarówno utleniacza, jak i paliwa węglowego. Aktualnie w fazie
końcowej znajdują się badania prowadzone w instalacji pilotowej (skala: do 100 kgwęgla/h) w reaktorze z cyrkulującą warstwą
fluidalną, a dotychczasowe wyniki są pozytywne. Wynikiem tej
części Projektu będzie opracowanie technologii ciśnieniowego
zgazowania węgla (na VI stopniu gotowości wg wytycznych
zawartych w Rozporządzeniu MNiSW z 4 stycznia 2011 r.
– Dziennik Ustaw Nr 18, poz.91), opracowanie projektu
procesowego instalacji demonstracyjnej oraz studium wykonalności instalacji demonstracyjnej dla aplikacji chemicznych
i/lub energetycznych. Ponadto należy wspomnieć o takich
planowanych rezultatach, jak:
Rys. 1.Infrastruktura powierzchniowa pilotowej instalacji podziemnego zgazowania węgla w KWK „Wieczorek”
Fig. 1. Surface infrastructure of the underground coal gasification pilot system in “Wieczorek” mine
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
– wytyczne procesowe dla nowo opracowanej technologii
usuwania rtęci z węgla kamiennego i brunatnego na drodze
niskotemperaturowej pirolizy.
– technologia termiczno-katalitycznego usuwania smół
zawartych w surowym gazie syntezowym powstającym
z fluidalnego zgazowania paliw stałych.
– technologie usuwania CO2 z gazów procesowych przy
wykorzystaniu procesów absorpcyjnych, adsorpcyjnych
oraz pętli chemicznej.
– technologia wysokotemperaturowego odsiarczania gazów
procesowych.
Rys. 3.Instalacja ciśnieniowego zgazowania węgla w reaktorze
z cyrkulującym złożem fluidalnym. Hala technologiczna
CCTW, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla
Fig. 3. Pressure coal gasification system in the circulating fluidized-bed reactor. Technological house CCTW, Institute of Chemical Processing of Coal
Rys. 4.Spalanie gazu procesowego ze zgazowania węgla przy
wykorzystaniu CO2 (widok pochodni).
Fig. 4. Combustion of the process gas from coal gasification by
use of carbon dioxide (the view of gas flare)
3
Wspomnieć także należy o ciekawej koncepcji układu
elektrociepłowni zintegrowanej ze zgazowaniem węgla
w reaktorze z recyrkulacją CO 2 , opracowanej przez
Politechnikę Śląską.
Koncepcja ta przewiduje zgazowanie węgla na podstawie
opracowanej przez IChPW technologię. Produkowany
w reaktorze fluidalnym gaz jest ochładzany i oczyszczany,
a następnie kierowany do turbiny gazowej, w której jest
realizowany proces spalania tlenowego. Powstałe spaliny
zawierają głównie CO2, parę wodną oraz śladowe ilości innych składników. Po wykropleniu pary wodnej otrzymuje się
CO2 o czystości pozwalającej na jego transport rurociągowy,
przy czym część strumienia CO2 jest zawracana do reaktora
zgazowania, część do turbiny gazowej w celu rozcieńczenia
utleniacza, a pozostała ilość jest wyprowadzana z układu.
Specyfiką procesu fluidalnego zgazowania węgla jest powstawanie karbonizatu stanowiącego jego produkt uboczny.
W celu zwiększenia sprawności całego układu, w opracowanej koncepcji powstały karbonizat wykorzystuje się jako
paliwo dla kotła fluidalnego. Zastosowaniem takiej koncepcji
może być produkcja ciepła dla miejskiego systemu ciepłowniczego przy maksymalnym wykorzystaniu ciepła odpadowego pokrywającego zapotrzebowanie podstawowe. Część
szczytowa ciepła jest wytwarzana w klasycznym wymienniku ciepłowniczym zasilanym z upustu turbiny parowej lub
w kotle szczytowym. Układ charakteryzuje się korzystnymi
wskaźnikami energetycznymi nawet przy uwzględnieniu
pełnego wychwytu CO2. Dzięki zastosowaniu kotła szczytowego maksymalna moc cieplna układu osiąga wartość 220
MWt, natomiast średnioroczna sprawność elektryczna netto
kształtuje się na poziomie 29,1 %.
W zakresie określenia bazy surowcowej dla procesów
naziemnego zgazowania zdefiniowano dwie grupy parametrów (tzw. parametry kluczowe i tzw. parametry istotne),
determinujących przydatność węgla kamiennego i brunatnego dla procesów ich zgazowania różnymi metodami. W
oparciu o te parametry dla wytypowanych złóż GZW i LZW
opracowywane są „Karty technologiczne przydatności węgla
do zgazowania” oraz określana wielkość zasobów tych węgli
możliwych do wykorzystania w procesie zgazowania.
W zakresie bazy węgli kamiennych dla procesu zgazowania podziemnego określono wymagane ich parametry
technologiczne, geologiczne, górnicze i geomechaniczne
związane z oddziaływaniem na środowisko oraz przebieg
procesu zgazowania. Uwzględniając te parametry oraz wyniki
szczegółowej analizy dokumentacji geologicznych złóż oraz
zawartych w niej map pokładowych, opracowań kartograficznych i inwentaryzacji złóż z uwzględnieniem stanu środowiska
przygotowywane są „Karty Paszportowe Pokładów” oraz
określana jest wielkość zasobów tych węgli (w rozbiciu na
GZW i LZW) jako bazy surowcowej dla procesu podziemnego
zgazowania. Stwierdzono, że uwarunkowania techniczno-ekonomiczne i środowiskowe mogą w znacznym stopniu
ograniczyć stosowanie technologii PZW na szeroką skalę
w obszarach spełniających złożowe kryteria przydatności tej
metody. Z tego względu zakres prowadzonych analiz poszerzono o ocenę bazy zasobowej dla wspomnianej wcześniej
hybrydowej technologii podziemnego zgazowania węgla. Pod
kątem tej technologii dokonano oceny głęboko położonych
zasobów węgla w zakresie stanu rozpoznania zasobów na
głębokości poniżej 1000 m, opracowano metodologię oceny
zasobowej dla tej metody oraz zweryfikowano ją na przykładzie zasobów KWK „Ziemowit”.
Odnośnie do bazy zasobowej węgla brunatnego dla potrzeb podziemnego jego zgazowania należy podkreślić, że
doświadczenia światowe w zakresie tej technologii dotyczą
4
PRZEGLĄD GÓRNICZY
praktycznie wyłącznie odmiany węgla brunatnego twardego
(metalignitu) o zdecydowanie odmiennych właściwościach
fizykochemicznych, podczas gdy nasze zasoby to miękki
węgiel brunatny (ortolignit). Z tego względu opierając się na
wynikach analizy budowy geologicznej formacji węglonośnej
trzeciorzędu na Niżu Polskim opracowano parametry kryterialnej oceny przydatności tego właśnie węgla dla potrzeb podziemnego zgazowania oraz dokonano waloryzacji punktowej
krajowych złóż węgla brunatnego. Zarekomendowano lokalizację dla instalacji pilotowej PZW na niewyeksploatowanej
2014
południowo-zachodniej odnodze złoża Turów (rej. Ścinawki),
gdzie pod zwałowiskiem wewnętrznym pozostał III pokład
ścinawski z zasobami ok. 50 mln Mg węgla brunatnego.
Szczegółowe informacje na temat realizacji Projektu
i jego dotychczasowych rezultatów można znaleźć na stronie:
www.zgazowaniewegla.agh.edu.pl. Zamieszczona tam jest też
szczegółowa specyfikacja wszystkich publikacji, referatów
konferencyjnych, oraz monografii habilitacyjnych, rozpraw
doktorskich jak też prac magisterskich i inżynierskich będących rezultatem tego Projektu.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
5
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Obecny stan i kierunki rozwoju technologii podziemnego
zgazowania węgla w świecie
Current status and development trends of underground coal gasification
technology in a global context
prof. dr hab. inż. Józef Dubiński*)
dr inż. Aleksandra Koteras*)
Treść: Podziemne zgazowanie węgla (PZW) jest to technologia zgazowania pokładów węgla in-situ, czyli bezpośrednio w miejscu ich
zalegania. Koncepcja PZW jest bardzo podobna do technologii zgazowania węgla na powierzchni, gdzie gaz syntezowy, będący
produktem zgazowania, jest wytwarzany w skutek tych samych reakcji chemicznych. Prowadzone w świecie i w kraju badania
nad PZW wykazały jednak, że pełna kontrola przebiegu procesu zgazowania jest trudna w realizacji. W artykule przedstawione
zostały informacje dotyczące obecnego stanu, realizacji projektów i kierunki rozwoju technologii PZW w ujęciu światowym.
Opisane zostały również wyzwania dla komercyjnego stosowania technologii PZW na podstawie dotychczasowych osiągnięć.
Abstract: Underground coal gasification (UCG) is a gasification process applied to in situ coal seams. The concept of UCG is very
similar to surface gasification when syngas is produced through the same chemical reactions. However, studies of UCG have
shown that the development of a controllable process is difficult. This paper reviews the status, key concepts and trends
in the UCG technology development around the world, discusses the challenges it faces, and summarizes the international
approach and technical advances made in the UCG technology.
Słowa kluczowe:
podziemne zgazowanie węgla, zgazowanie węgla in-situ, czysta energia, technologie przetwórstwa węgla
Key words:
underground coal gasification (UCG), in situ coal gasification, clean energy, coal processing technologies
1. Wprowadzenie
Zgodnie z danymi Międzynarodowej Agencji Energetycznej węgiel pokrywa obecnie 40 % światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Jest on jednocześnie źródłem
energii pierwotnej, na które zapotrzebowanie rosło najszybciej
w ostatnich latach. Głównym tego powodem był niewątpliwie
silny wzrost gospodarczy w dynamicznie rozwijających się,
krajach świata, których gospodarka opiera się na węglu, takich jak: Chiny, Indie i inne. Węgiel jest bowiem najtańszym
źródłem energii, a jego bogate zasoby mogłyby zaspokoić
światowe zapotrzebowanie na ten surowiec jeszcze przez
150 lat [8]. Już w XXI wieku globalne zużycie węgla wzrosło
z 4762 mln ton w 2000 r. do 7697 mln ton w 2012 r., co stanowi
60% wzrost, czyli średni wzrost o 4% rocznie. W okresie od
2005 r. do 2012 r., tylko same Chiny instalowały każdego dnia
ponad 150 MW mocy wytwórczych opartych na węglu [8].
*) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach
Dużym wyzwaniem dla paliw kopalnych, a szczególnie
dla węgla, są rosnące wymagania wobec ochrony środowiska
przyrodniczego, a w szczególności ochrony klimatu. Biorąc
pod uwagę światowe tendencje w wykorzystaniu paliwa
węglowego oraz analizując prognozy w tym zakresie, które
wyraźnie wskazują na dominującą rolę węgla w najbliższych
dziesięcioleciach, kluczowym staje się opracowanie technologii czystszego i bardziej efektywnego wykorzystania zarówno
samego węgla jak i jego zasobów. Spalanie węgla stanowi
bowiem o 29,5 % emisji gazów cieplarnianych na świecie [8].
Modernizacja istniejących elektrowni węglowych, budowa
nowych bloków o wysokiej sprawności energetycznej, to
wyzwania dla współczesnego przemysłu elektroenergetycznego. Nadal jednak kluczowym wyzwaniem dla środowisk
nauki i przemysłu, pozostaje opracowanie nowych technologii wykorzystania węgla i ich komercjalizacja. Jednym
z kierunków w tym zakresie są czyste technologie węglowe,
a w tym technologia podziemnego zgazowanie węgla (PZW).
6
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2. Charakterystyka technologii podziemnego zgazowania
węgla
Węgiel od wielu już lat jest podstawowym nośnikiem
energii wykorzystywanym w elektrowniach dla produkcji
prądu elektrycznego, a w ciepłowniach dla produkcji ciepła.
Przy takim zastosowaniu węgla podstawowym procesem jego
konwersji na inną formę energii jest jego spalanie. Należy
jednak pamiętać, że węgiel posiada znacznie szersze możliwości jego wykorzystania, w tym także w złożonych procesach
chemicznych. Schemat wyróżniający podstawowe procesy
bazujące na paliwie węglowym i powstające w ich wyniku
produkty przedstawia rysunek 1 [11].
Jak widać, jednym z podstawowych procesów wykorzystania węgla jest jego zgazowanie, w wyniku którego
uzyskiwane są takie produkty, jak: gaz syntezowy i opałowy
czy też substytut gazu ziemnego.
Podziemne zgazowanie węgla (PZW) tym różni się od
zgazowania w powierzchniowych reaktorach zgazowania, że
proces zgazowania ma miejsce bezpośrednio w złożu, a więc
w pokładzie węgla zalegającym pod ziemią. Proces ten jest
metodą bezpośredniej konwersji węgla do gazu syntezowego
bez konieczności wydobycia węgla klasycznym technikami
górniczymi. Technologia PZW polega na tym, że węgiel
znajdujący się polu podziemnego georeaktora jest poddawany
działaniu takich mediów zgazowujących, jak powietrze, tlen,
para wodna czy też ich mieszanina, w wyniku czego dochodzi do silnej reakcji endotermicznej, a więc wymagającej
wysokiej temperatury, podczas której powstaje mieszanina
składająca się głównie z takich gazów jak: H2, CO, CO2
oraz CH4. Procentowy udział poszczególnych składników
w otrzymywanym produkcie gazowym zależy, między innymi,
od warunków termodynamicznych, w jakich prowadzony jest
sam proces zgazowania oraz od zastosowanych czynników
zgazowujących. W praktyce podziemne zgazowanie węgla
jest procesem dużo trudniejszym i bardziej skomplikowanym
niż mogłoby się to wydawać, stąd ciągle jeszcze wymaga
prac badawczych i większej liczby eksperymentów w skali
demonstracyjnej, zanim stanie się w pełni komercyjną i dostępną technologią.
Proces PZW rozpoczyna się od zapalenia pokładu węgla
na początku otworu generatorowego. Po wytworzeniu się
przodka ogniowego następuje kolejny, ważny etap procesu
jakim jest doprowadzenie w to miejsce czynnika zgazowującego, co powoduje rozpoczęcie procesu zgazowania.
2014
W miarę jego rozwoju, wysokotemperaturowy front zgazowania przemieszcza się stopniowo wzdłuż otworu spełniającego
rolę kanału odprowadzającego gazowe produkty zgazowania
[10]. Właśnie taki model rozwoju procesu podziemnego
zgazowania pokładu węgla przedstawia rysunek 2.
Rys. 2. Koncepcja podziemnego zgazowania węgla oraz strefy
reakcji w kanale zgazowania [14]
Fig. 2. Conception of in situ underground coal gasification process and coal gasification reaction zones [14]
Technologia podziemnego zgazowania węgla wyróżnia
jego dwa podstawowe warianty, różniące się sposobem udostępnienia pokładu węgla przeznaczonego do zgazowania,
określane mianem metody szybowej i bezszybowej. Metoda
szybowa, jak wskazuje sama jej nazwa, polega na udostępnieniu pokładu węgla szybem. Georeaktor stanowi tutaj wydzielony fragment pokładu, do którego poprzez otwory wiertnicze podawane są media zgazowujące i odbierane produkty
zgazowania. Zarówno jedne, jak i drugie są transportowane
na powierzchnię odpowiednimi rurociągami zainstalowanymi
w wyrobiskach dołowych i szybie. Natomiast, w metodzie
bezszybowej, w celu zgazowania pokładu węgla udostępnienie
georeaktora polega na wykonaniu z powierzchni otworów
wiertniczych stanowiących odpowiednio kanały zasilające
i produkcyjne, które są połączone kanałem łączącym wykonanym w zgazowywanym pokładzie węgla. Ten wariant
technologii PZW jest obecnie szerzej rozwijany, głównie ze
względu na mający miejsce w ostatnich latach wyraźny postęp
w wierceniach kierunkowych. Schematy ideowe metod PZW
przedstawiono na rysunkach 3 i 4.
Rys. 1. Podstawowe procesy i produkty wykorzystania węgla [11]
Fig. 1. Basic processes and products of coal utilization [11]
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
a)
7
b)
Rys. 3.Metoda szybowa na przykładzie metody ślepych otworów – a, oraz schematu zastosowanego dla potrzeb zgazowania pokładu 501 w KWK Wieczorek – b [17]
Fig. 3. Example of shaft method ˗ blind holes method – a, and the scheme used for the gasification of seam no. 501 in
Wieczorek coal mine – b [17]
Portman Energy w 2012 roku i opatentowana w 2013 roku.
Technologia ta wykorzystuje jeden pionowy otwór zarówno do
iniekcji mediów zgazowujących, jak i dla odbioru produktów
zgazowania. Technologia ta polega na zastosowaniu pojedynczej osłony do umieszczonych w wewnątrz rurociągów.
Przestrzeń zostaje wypełniona gazem obojętnym, co umożliwia monitorowanie ewentualnych wycieków oraz zapobiega
korozji i transmisji ciepła [22] Ogólny schemat tej technologii
przedstawiony został na rysunku 5.
Rys. 4.Metoda bezszybowa PZW na przykładzie metody CRIP
[20]
Fig. 4. Shaftless method of UCG based on CRIP method [20]
Analizując możliwości podziemnego zgazowania węgla
przy wykorzystaniu bezszybowego – otworowego wariantu
udostępnienia złoża do zgazowania należy zwrócić uwagę
na wiodące obecnie i szeroko rozwijane technologie zgazowania. Należy do nich bez wątpienia technologia CRIP (ang.
Controlled Reacting Ignition Point) opracowana w USA
w latach 1980÷1990 przez Lawrence Livermore National
Laboratory, która wykorzystuje metodę wierceń kierunkowych i umożliwia zasilanie generatora PZW czynnikiem zgazowującym w ściśle określonym punkcie pokładu, za pomocą
giętkiego przewodu stalowego. W miarę jak spadają parametry
otrzymywanego gazu, punkt zasilania jest przesuwany, co
umożliwia dalsze zgazowanie pokładu [22].
Nieco inną technologią jest opracowana, na bazie doświadczeń radzieckich przez firmę Ergo Exergy, technologia
εUCG (ang. εUnderground Coal Gasification), z sukcesem
zastosowana w projekcie podziemnego zgazowani węgla
w Chinchilla. Metoda ta szeroko wykorzystuje wiele nowoczesnych metod wiertniczych, w tym precyzyjnych otworów
kierunkowych, jak i konwencjonalnych otworów pionowych
i pochyłych, przy jednoczesnym zastosowaniu różnych mediów zgazowujących, dobieranych optymalnie do warunków
prowadzonego procesu [21]. Najprościej mówiąc, w technologii εUCG udostępnianie pokładu węgla wykonywane jest
poprzez wywiercenie dwóch otworów pionowych, z których
jeden jest otworem zasilającym, a drugi produkcyjnym.
Otwory te łączy się otworem kierunkowym, usytuowanym
w zgazowywanym pokładzie węgla.
Nową technologią jest technologia SWIFT (ang. Single
Well Integrated Flow Tubing), która opracowana została przez
Rys. 5.Schemat technologii SWIFT), na podstawie: [16]
Fig. 5. Scheme of SWIFT technology (Single Well Integrated
Flow Tubing), based on: [16]
3. Światowe doświadczenia w zakresie technologii pzw
Jeśli ograniczymy się do procesu pozyskiwania gazu z węgla to należy zauważyć, że sama idea tego procesu zrodziła się
ponad 200 lat temu, i była szeroko wykorzystywana zarówno
w Europie jak i Ameryce [3]. Lata 60-te XIX wieku to już
intensywny rozwój technologii pozwalających wykorzystać
gaz z węgla. W 1883 roku przez angielskiego przemysłowca
i chemika Ludwiga Monda została opracowana metoda zgazowania węgla powietrzem [19]. W zdecydowanie późniejszych
latach, podczas II wojny światowej, proces zgazowania był
szeroko stosowany do konwersji węgla przy zastosowaniu
syntezy Fischera˗Tropscha. W kolejnych latach proces
gazyfikacji węgla wykorzystywano w celu jego konwersji
w wodór, a następnie do produkcji amoniaku i nawozów,
czy też w innych gałęziach przemysłu chemicznego. Skala
możliwych zastosowań produktów procesu zgazowania węgla
jest szeroka. Gaz syntezowy o wysokiej zawartości H2 i CO
8
PRZEGLĄD GÓRNICZY
jest cennym surowcem przemysłu chemicznego dla różnych
rodzajów i typów syntez chemicznych. Przemysł energetyczny wykorzystuje proces zgazowania węgla stosunkowo od
niedawna, głównie za sprawą wprowadzenia technologii ze
zastosowaniem bloku gazowo-parowego zintegrowanym ze
zgazowaniem paliwa węglowego (ang. Integrated Gasification
Combined Cycle (IGCC)) [3].
Powracając do technologii podziemnego zgazowania
węgla należy podkreślić, że pierwsze koncepcje przeprowadzenia zgazowania węgla w warunkach złożowych zostały przedstawione już w 1868 roku przez Carla Wilhelma
Siemensa, który przed Chemical Society of London sugerował taką możliwość. Idea ta została rozwinięta kilka
dekad później, między innymi, przez słynnego uczonego,
rosyjskiego chemika Dimitri Mendelejewa. Pierwsze lata
XX wieku to, między innymi, opatentowanie zgazowania
węgla jako metody wykorzystania jego niewydobywalnych
zasobów przez Anasona Bettsa w latach 1909÷1910 oraz
pierwsze plany przeprowadzenia eksperymentu podziemnego zgazowania w kopalni w Wielkiej Brytanii [2, 3], który
jednak z powodu wybuchu I wojny światowej nie doszedł
do skutku. Koniec lat 20. ubiegłego wieku i lata późniejsze
to intensywne prace nad technologią podziemnego zgazowania węgla w dawnym ZSRR, gdzie eksperymenty były
prowadzone, między innymi, w basenie Podmoskiewskim
(1933) i Donieckim, gdzie w 1935 roku powstała również
pierwsza instalacja pilotowa. W latach 50. XX wieku
w ZSRR działało już pięć instalacji przemysłowych. Obecnie
pracują tylko dwie: Jużno˗Abinskaja na Syberii i Angren
w Uzbekistanie, gdzie roczna produkcja gazu osiąga 1,5 mld
m3. W latach 40. i 50. XX wieku technologię PZW zaczęto
rozwijać w USA, przy czym szczególnie intensywne prace
były prowadzone w latach 1973÷1989 w Lawrence Livermore
National Laboratory, gdzie wykonano testy i próby w kilku
zagłębiach węglowych. W drugiej połowie XX wieku badania
nad technologią PZW oraz praktyczne próby jej zastosowania
miały miejsce również w wielu innych krajach świata, a mianowicie: Belgii, Maroko, Wielkiej Brytanii, Francji, Hiszpanii,
Nowej Zelandii, Australii, Indiach, RPA i Polsce. Powstała
nawet w 1988 roku Europejska Grupa Robocza ds. PZW.
W Polsce do badań nad technologią podziemnego zgazowania węgla przystąpiono już w latach końcu lat 40-tych
ubiegłego wieku. W 1948 roku polscy inżynierowie, na zasa-
2014
dach partnerskich, zostali włączeni do badań nad PZW prowadzonych w Belgii. Dalsze badania w latach 50-tych i dalszych
były kontynuowane w ówczesnym Zakładzie Górniczym
Głównego Instytutu Górnictwa, gdzie dla ich prowadzenia
utworzono specjalny Dział Zgazowania Podziemnego [6].
Obecnie technologia podziemnego zgazowania węgla
i jej dalszy rozwój jest obiektem zainteresowania wielu węglowych gospodarek świata i pracujących dla nich instytucji
naukowo-badawczych. Wśród krajów zainteresowanych tą
technologią należy wymienić głównie Australię, ale także
Nową Zelandię, RPA, Chiny, USA, Polskę, kraje Europy
Wschodniej, Indie, Indonezję, Wietnam, Pakistan i Wielką
Brytanię, która niedawno wydała wiele pozwoleń także na
wykorzystanie technologii PZW poza lądem [20]. Miejsca
przeprowadzonych prób podziemnego zgazowania węgla
na świecie i zrealizowane w tym zakresie projekty przedstawione zostały na rysunku 6. Osiągnięcia w zakresie technologii PZW zostaną przedstawione w kolejnym rozdziale na
przykładzie doświadczeń wybranych krajów.
3.1. Chińska Republika Ludowa
Chiny mogą pochwalić się długą historią badań i prac
nad rozwojem technologii PZW, a także prowadzonymi
w tym zakresie projektami pilotowymi. Międzynarodowa
organizacja UCG Association szacuje, że na terenie Chin
zlokalizowanych jest Obecnie około 30 projektów PZW,
znajdujących się w różnych fazach przygotowań. Chińskie
źródła literaturowe podają natomiast, że obecnie na terenie Chin działać może nawet ponad 50 instalacji PZW [4].
Chińskie doświadczenia w zakresie PZW, poza opisanymi
już wcześniej próbami, koncentrują się głównie wokół
stworzonego w 1980 roku, na zasadzie konsorcjum naukowo-przemysłowego, Programu Podziemnego Zgazowania
Węgla. Wśród wiodących jednostek naukowo-badawczych
znalazły się, między innymi: China University of Mining and
Technology w Pekinie (UCG Engineering Research Center of
Coal Industry), China University of Mining and Technology
w Xuzhou (Underground Coal Gasification and Clean Coal
Energy Research Institute).
Do głównych projektów PZW należy zaliczyć instalację
należącą do Xinwen Coalmines Group w Lai-wu w prowincji Shandong oraz instalację w kopalni węgla brunatnego
Rys. 6.Światowe próby PZW, na podstawie: [2]
Fig. 6. UCG Projects Worldwide, based on: [2]
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Gonygon w Wulanchabu położonej w Północnej części
Mongolii Wewnętrznej.
Pierwsza z tych instalacji działa od 1998 roku. Dzienna
produkcja gazu ze zagazowania węgla wynosi 50 000 m3.
Otrzymany gaz zostaje oczyszczony i następnie wykorzystywany do celów gospodarczych. Zgazowanie jest prowadzane w pokładzie węgla o grubości do 2 m, zalegającym
na głębokości 300 m. Teren nad goereaktorem jest obszarem
zabudowanym. Proces zgazowania jest prowadzony głownie
przez dostarczanie powietrza, okresowo z dodatkiem tlenu,
poprzez 2 otwory iniekcyjne zlokalizowane w odległości
300 m od siebie. Otwór produkcyjny znajduje się pomiędzy
otworami iniekcyjnymi. Przybliżony skład chemiczny gazu
otrzymywanego w procesie zgazowania to: H2 – 43 %; N2 –12
%; CO – 10 %; CH4 – 14 %; CO2 – 21 %. Wartość opałowa
gazu nie przekracza 10 MJ/m3 [4].
Xinwen Coalmines Group w prowincji Shandong posiada
5 instalacji do podziemnego zgazowania węgla, które dostarczają gaz do 25 000 gospodarstw domowych w okolicy kopalń.
W kopalniach Suncun i E’zhuang gaz jest wykorzystywany
do wytwarzania energii elektrycznej przy użyciu 4 jednostek
wytwórczych o mocy znamionowej 400 kW na jednostkę [4].
Z kolei instalacja w kopalni węgla brunatnego Gonygon w
Wulanchabu bazuje na gazyfikacji pokładu węgla o miąższości
12÷20 m, położonego na głębokości około 200 m. Proces zgazowania odbywa się przez otwory wywiercone z powierzchni,
które są zlokalizowane w odległościach od 12 do 20 m. Ilość
otrzymanego gazu oscyluje w granicach 150 000 m3/dobę,
a jego kaloryczność to 5 MJ/m3. Obecnie prowadzone są prace
mające na celu osiągnięcie wielkości produkcji gazu około
1 mln m3/dobę. Gaz uzyskany z gazyfikacji jest używany
głównie do produkcji energii elektrycznej w silnikach gazowych. System produkcji jest stale doskonalony poprzez stałe
monitorowanie podstawowych parametrów technologicznych
procesu zgazowania i oczyszczania gazu.
W ostatnim okresie notuje się w Chinach chęć realizacji
wielu nowych projektów. Do jednego z nich należy, między
innymi, zatwierdzony przez rząd chiński projekt podziemnego zgazowania węgla w zagłębiu Haoqin, w środkowej
Mongolii, która należy do Zhengzhou Coal Industry Group
(Zhengmei Group). Projekt ten ma być realizowany wspólnie
z firmą Carbon Energy, która na bazie swojej technologii ma
stworzyć instalację demonstracyjną. Przedmiotowe zagłębie
węglowe obejmuje swym zasięgiem około 184 km2, a jego
zasoby szacowane są na 3,1 mld ton węgla [5].
3.2. Republika Południowej Afryki
Duże zainteresowanie technologią podziemnego zgazowania węgla obserwowane jest w ostatnim okresie również
w RPA. Jednak należy zauważyć, że inicjatywy w zakresie
PZW nie są w tym rejonie świata nowością. Pierwsze próby
zgazowania były już prowadzone w latach 60. XX wieku
przez firmę Sasol. Do sukcesów tej firmy należą pierwsze
próby zgazowania węgla do cieczy – CTL (Coal to Liquid).
Obecnie Sasol i Eskom podejmują próby usprawnienia technologii PZW w celu podniesienia jej efektywności. Pierwsza
instalacja PZW – projekt Majuba (rys. 7), ruszyła w RPA
w 2007 roku, a jej budowę poprzedził szereg projektów
badawczych prowadzonych od 2002 roku, mających na celu
weryfikację możliwości wykorzystania PZW do produkcji
energii. Pozytywne wyniki tych badań doprowadziły do​​
budowy instalacji pilotażowej, która pozwoliła z początkiem
2007 roku na osiągnięcie wydajności 5000 Nm3/godz. gazu
uzyskiwanego w procesie PZW [18]. Obecnie instalacja ta
pozwala na produkcję wysokiej jakości gazu syntezowego,
który używany jest do wytwarzania energii w istniejącym
9
bloku 4110 MW. Eskom planuje w tym rejonie budowę do
2020 roku nowego bloku 2100 MW [21].
Rys. 7.Instalacja PZW w elektrowni Majuba w Mpumalanga
Fig. 7. Majuba UCG project at the Majuba power station in
Mpumalanga
3.3. Australia
Jednym z najbardziej znanych i rozpoznawalnych w świecie projektów PZW jest instalacja pilotowa w miejscowości
Chinchilla, uruchomiona przez australijską firmę Linc Energy,
która bazuje na technologii dostarczonej przez Ergo Exergy.
W latach 1999÷2002 były tam prowadzone próby podziemnego zgazowania węgla. Instalacja obejmowała 9 otworów
iniekcyjnych i produkcyjnych oraz 19 otworów monitorujących i prowadzona była na złożu węgla położonym na średniej
głębokości około 140 m. [15]. Prowadzone próby trwały 30
miesięcy, w czasie których zgazowanych zostało około 35 000
ton węgla, osiągając maksymalną produkcję gazu na poziomie
80 000 Nm3/godz. [15]. W kolejnych latach trwały prace nad
rozbudową instalacji podziemnego zgazowania węgla wraz
z demonstracyjnymi instalacjami do produkcji paliw syntetycznych w technologii Gas-to-Liquids (GTL) o kolejne,
dodatkowe trzy moduły. W 2007 roku uruchomiono trzeci
z modułów, który pozwolił na produkcję paliw syntetycznych
z wykorzystaniem technologii GTL na bazie otrzymanego ze
zgazowania węgla gazu syntetycznego. Moduł ten jest już
jednak wyeksploatowany. Obecnie działa już moduł 4, który
produkuje syngaz. Firma Linc Energy połączyła technologię
GTL z uzyskiwanym ze zgazowania węgla gazem. W rezultacie, otrzymany ze zgazowania gaz syntetyczny jest poddawany
konwersji chemicznej do ropy syntetycznej metodą syntezy
GTL Fischer˗Tropsch.
Wśród innych działających w Australii instalacji należy wymienić instalację pilotową Bloodwood Creek firmy
Carbon Energy Ltd. Instalacja Bloodwood Creek pozwoliła
na udaną produkcję gazu syntezowego już w 2008 roku,
wykorzystując przy tym metodę (CRIP). W trwającej 100
dni próbie osiągnięto poziom zgazowania węgla około
150 ton/dziennie. Po tym sukcesie uruchomiono kolejne
dwa moduły instalacji oraz wybudowano blok energetyczny
o mocy 5 MW [13]. Niewątpliwym sukcesem tego projektu
było włączenie w 2012 roku wygenerowanej na bazie syngazu energii elektrycznej do sieci energetycznej [na podstawie
danych UCG Association].
3.4. Federacja Rosyjska
Rosja ma duże doświadczenia związane z badaniem i rozwojem technologii podziemnego zgazowania węgla. Jak już
wspomniano intensywne badania i pierwsze próby zgazowania
10
PRZEGLĄD GÓRNICZY
w skali pilotowej w warunkach naturalnych przeprowadzone zostały na węglu brunatnym (Mosbas) oraz na węglach bitumicznych (Donbas, Kuzbas) w byłym Związku
Radzieckim, już w latach 20. i 30. ubiegłego wieku.
W latach 1935÷1941 na terenie obecnej Rosji realizowanych
było 9 projektów pilotażowych podziemnego zgazowania
węgla w zagłębiach Mosbasu, Donbasu i Kuzbasu. Z kolei
w latach 1946÷1996 działało 5 instalacji przemysłowych
i prowadzono 2 próby pilotowe, wśród których 4 obejmowały
zgazowanie węgla brunatnego, a 3 – węgli bitumicznych.
Działania te zaskutkowały uzyskaniem 50 mld m3 gazu oraz
zgazowaniem 15 mln ton węgla [9]. Po tym okresie ma miejsce w Rosji dominacja gazu ziemnego, co hamuje rozwój
technologii PZW i raczej niewiele działo się w tym zakresie.
Należy jednak odnotować, że w 2013 roku australijska firma
Linc Energy i rosyjska Yakut Minerals podpisały umowę na
zbadanie możliwości uruchomienia wspólnego projektu PZW
w Autonomicznym Regionie Chukotka. Projekt będzie mógł
być realizowany po wybraniu lokalizacji i rozpoznaniu złoża
odpowiedniego dla technologii PZW [12].
4. Bariery i wyzwania dla podziemnego zgazowania węgla
Analiza światowych projektów PZW i uzyskanych na
tej podstawie doświadczeń pozwala spojrzeć krytycznie
na ten proces, z którym wiąże się wiele nadziei w zakresie
bardziej efektywnego wykorzystania bogatych zasobów tego
surowca, a tym samym sformułować pewne bariery stojące
przed technologią PZW oraz wyzwania dla ich pokonania.
Technologia podziemnego zgazowania węgla wymaga bowiem nie tylko bardzo dobrego przygotowania technicznego
projektu, budowy instalacji czy też samego prowadzenia
procesu, ale także wymaga uwzględnienia wszystkich
czynników środowiskowych mogących mieć wpływ na sam
przebieg procesu, jak również jego wpływ na różne elementy
środowiska. Pierwszym i kluczowym czynnikiem warunkującym prawidłowy przebieg procesu i jego bezpieczeństwo są
warunki geologiczne wybranej lokalizacji georeaktora i jego
otoczenia. Wśród podstawowych kryteriów geologicznych
opisujących złoże odpowiednie do zastosowania technologii
PZW należy wymienić [7]:
– ogólną charakterystyką złoża: typ złoża opisaną przez
jego budowę geologiczną, liczbę pokładów nadających
się do zgazowania i ich sumaryczną grubość oraz rodzaj
nadkładu,
– charakterystykę pokładu węgla przeznaczonego do zgazowania: tj.: jego grubość i upad,
– budowę petrologiczną pokładu węgla przeznaczonego do
zgazowania, charakteryzującą parametry jakościowo-chemiczne istotne z uwagi na jakość powstających produktów
zgazowania (m.in. zawartość wilgoci, popiołu, części
2014
lotnych, zawartość siarki, wartość opałowa, zawartość
pierwiastków szkodliwych),
– właściwości strukturalne oraz teksturalne skał otaczających pokład węgla przeznaczony do zgazowania,
w tym parametry opisujące: litologię skał stropowych
i spągowych, ich cechy strukturalno-teksturalne, budowę petrograficzną w aspekcie zapewnienia szczelności
georeaktora PZW oraz wyniki analizy zmian parametrów
skał pod wpływem wysokich temperatur powstających
w georeaktorze PZW,
– zaburzenia tektoniczne, a w tym ich położenie w stosunku do georeaktora PZW (problem bezpieczeństwa PZW
związany z możliwością migracji produkowanych gazów
strefami uskokowymi),
– zaburzenia sedymentacyjne definiujące ciągłość pokładu
węgla (wymycia, ścienienia, rozszczepienia pokładu),
mogące mieć wpływ na przebieg procesu PZW,
– warunki hydrogeologiczne złoża określone przez parametry opisujące właściwości hydrogeologiczne skał
i determinujące ich przepuszczalność, takie jak porowatość, szczelinowatość, przepuszczalność, odsączalność czy
też wodochłonność; są one niezwykle istotne, zwłaszcza
w aspekcie możliwości migracji ubocznych produktów
zgazowania,
– zagrożenia naturalne mogące wystąpić w miejscu PZW
– takie jak: sejsmiczne, tąpaniami, metanowe, pożarowe,
wodne.
Analizując doświadczenia światowe w tym zakresie zostały opracowane kryteria dla właściwego wyboru miejsca lokalizacji georeaktora PZW. W tabeli 1 przedstawiono te kryteria
w odniesieniu do podstawowych wybranych parametrów.
Inną grupą barier dla prowadzenia PZW są uwarunkowania
środowiskowe, czyli te które mogą wynikać z potencjalnego wpływu procesu na poszczególne elementy środowiska
przyrodniczego. Źródła tych zagrożeń są ściśle związane
z warunkami zalegania złoża, wyrobiskami górniczymi,
atmosferą kopalnianą oraz powierzchnią nad georeaktorem.
Ogólny schemat obrazujący zależność między produktami
procesu PZW, a elementami środowiska naturalnego został
przedstawiony na rys. 8 [1].
Wśród podstawowych zagrożeń dla środowiska przyrodniczego należy wskazać możliwość zanieczyszczenia wód
podziemnych. Produktami ubocznymi zgazowania węgla są
bowiem liczne zanieczyszczenia, do których zaliczyć należy
przede wszystkim związki aromatyczne takie jak: benzen,
toluen, etylobenzen, ksyleny, fenole oraz wielopierścieniowe
węglowodory aromatyczne. Istnieje również wysokie ryzyko
uwalniania się znacznych ilości metali ciężkich z popiołów
powstających w trakcie prowadzenia procesu. Wysokie temperatury panujące w reaktorze podczas prowadzenia zgazowania
oraz znaczne rozgrzanie górotworu może istotnie wpływać
na wzrost przepuszczalności skał, ułatwiając tym samym
Tablica 1. Podstawowe kryteria dla podziemnego zgazowania węgla, według różnych opracowań
Table 1. Basic criteria for underground coal gasification according to various studies
Parametr
Głębokość
Miąższość
Zawartość popiołu
Nieciągłości, zaburzenia
pokładu
Poziomy wodonośne
Andrew Beath
z CSIRO Exploration
& Mining
100÷600 m
ponad 5 m
> 60%;
Peter Sallans
z Liberty Resources Limited
100÷1400 m
ponad 3 m
> 60%
minimalne
minimalne
całkowita izolacja
całkowita izolacja
Armitage M.
i Burnard K.
(warunki europejskie):
600÷1200 m
>2m
–
filar ochronny od opuszczonych
zrobów
w pracujących kopalniach: 500 m
pionowa odległość do zbiorników
wód podziemnych: 100 m
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
11
Rys. 8. Zagrożenia dla poszczególnych elementów środowiska wynikające z procesu PZW [7]
Fig. 8. Threats to individual (respective) elements of the environment resulting from the UCG process [7]
migrację zanieczyszczeń do warstw wodonośnych. Wysoka
mobilność zanieczyszczeń w otoczeniu georeaktora spowodowana jest występowaniem wielu różnych naturalnych oraz
sztucznie wytworzonych spękań górotworu, powstających pod
wpływem działania czynników termicznych i mechanicznych
związanych z procesem PZW [10]. Do kluczowych zagadnień
będących wyzwaniem dla komercjalizacji technologii należą
również: kontrola przebiegu procesu zgazowania, jego optymalizacja i efektywność poparta efektami ekonomicznymi.
5. Wnioski
1. Węgiel pokrywa obecnie 40 % światowego zapotrzebowania na energię elektryczną, a bogate zasoby węgla
kamiennego i brunatnego w świecie mogą być gwarantem
dla stabilnego pozyskiwania energii jeszcze przez wiele
dziesięcioleci.
2. Coraz bardziej powszechny jest pogląd, że węgiel jako
specyficzny surowiec nie powinien być wykorzystywany
wyłącznie w celach energetycznych czy też ciepłowniczych poprzez jego spalanie, posiada bowiem ogromny
niewykorzystany dotychczas potencjał innych zastosowań
energochemicznych, do których kluczem są procesy jego
konwersji, takie jak zgazowanie czy też uwodornienie.
3. Światowe doświadczenia wskazują, że technologia
podziemnego zgazowania węgla jest jedną z najbardziej
przyszłościowych opcji pełniejszego wykorzystania jego
zasobów, szczególnie tych, które nie są osiągalne ze
względów technicznych i ekonomicznych dla klasycznych
technologii eksploatacji pokładów węgla.
4. Pomimo wielu już lat doświadczeń przeprowadzonych
w różnych częściach świata, technologia podziemnego
zgazowania węgla nie jest jeszcze w pełni dojrzała do jej
powszechnego zastosowania w skali przemysłowej.
5. Istnieje wiele uwarunkowań wynikających, między innymi, z budowy geologicznej złoża, lokalizacji miejsca
zgazowania, uwarunkowań technicznych i środowiskowych, które decydują zarówno o bezpieczeństwie
i pełnej kontroli procesu PZW, jak i o opłacalności tego
przedsięwzięcia w skali przemysłowej.
6. Przed środowiskiem naukowym i przemysłowym stoi
jeszcze wiele wyzwań, których realizacja stwarza niepo-
wtarzalną szansę dla na powstanie efektywnej i bezpiecznej technologii XXI wieku służącej pozyskiwaniu energii
z pokładów węgla.
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac
rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania
energii”.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Baron R., Kabiesz J., Koteras A.: Wybrane aspekty ryzyka środowiskowego związanego z procesem podziemnego zgazowania węgla [w]:
„Zagrożenia i technologie” pod red. J. Kabiesz, 2013.
Bhutto A. W., Bazmi A. A., Zahedi G.: Underground coal gasification:
From fundamentals to applications, Progress in Energy and Combustion
Science 39, 2013, 1.
Breault R. W.: Gasification Processes Old and New: A Basic Review of
the Major Technologies, Energies 2010, 3(2).
Chuantong L., Jiu H: Experimental Study on Running of Underground
Coal Gasification Power Generation System [w]: materiały konferencyjne: International Conference on Coal Science and Technology, IEA
Clean Coal Centre , Nottingham, 2007.
Creamer Media: Carbon Energy signs UCG deal in China, 8th May
2013, dostęp w dniu: 29.05.2014.
Dubiński J., Stańczyk K., Cybulski K., i inni: Podziemne zgazowanie
węgla – doświadczenia światowe i eksperymenty prowadzone w KD
Barbara. Polityka Energetyczna, tom 13, zeszyt 2, 2010.
Frejowski A, Myszkowski J.: Wybrane kryteria geologiczne determinujące zastosowanie dostępnych technologii górniczych dla podziemnego
zgazowania węgla kamiennego, [w]: „Zagrożenia i technologie” red. J.
Kabiesz, Główny Instytut Górnictwa, 2012.
International Energy Agency: Medium-Term Coal Market Report 2013
˗ Executive Summary, OECD/IEA, 2013 dostępne w internecie, dostęp
w dniu: 04.06.2014
Kreynin E.: International UCG Practices Overview: New Russian
Method and Its Engineering Solutions, Joint-stock company “Gazprom
12
10.
11.
12.
13.
14.
PRZEGLĄD GÓRNICZY
promgaz”, Online: http://archive.zeuslibrary.com/ucg2011/presentations/02Kreynin_Gazprom_Presentation.pdf, dostęp w dniu: 20.05.2014.
Kapusta K., Stańczyk K.: Uwarunkowania i ograniczenia rozwoju procesu podziemnego zgazowania węgla w Polsce. Przemysł Chemiczny
2009, 88/4
Karcz A., Ściążko M.: Energochemiczne przetwórstwo węgla do paliw
ciekłych. Wiadomości Górnicze, nr 2, Katowice 2007.
Kiryukhina Y.: Australian company to launch innovative coal-to-gas
project in Russia, Russia Beyond The Headlines: August 15, 2013 RBTH
Asia Pacific, Online: dostęp w dniu 29.05.2014.
Neville A.: Underground Coal Gasification: Another Clean Coal
Option, Electric Power, Business and Technology for the Global
Generation Industry, 07/01/2011 JD, www.powermag.com, dostęp w
dniu 20.05.2014.
Self S., Reddy B., Rosen M.:Review of underground coal gasification
technologies and carbon capture, International Journal of Energy and
Environmental Engineering, 2012.
2014
15. Shafirovich E.. Varma A.: Underground Coal Gasification: A Brief
Review of Current Status, Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 48 (17).
16. Stojcevski A., Harish Kumar RN, Devamanokar Lakshmanan Udayakumar,
Maung Than Oo A.: Underground Coal Gasification: an alternate,
Economical, and Viable Solution for future Sustainability, International
Journal of Engineering Science Invention, Vol. 3, Issue 1, 2014
17. Strugała A., Czaplicka-Kolarz K., Ściążko M.: Projekty nowych technologii zgazowania węgla powstające w ramach Programu Strategicznego
NCBiR, „Polityka Energetyczna”, tom 14, zeszyt 2, s. 375˗390.
18. Van der Riet M.: Underground coal gasification., Eskom Research and
Innovation Department, Online: http://www.ee.co.za, dostęp w dniu
24.05.2014.
19. Wikipedia za: Google book: Mond Gas. R.D. Wood & Co. Retrieved
14 Nov 2012.
20. http://www.ucgassociation.org
21. http://ergoexergy.com/about_us_ourb_projects_eskom.htm
22. http://en.wikipedia.org
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
13
UKD 622.332: 622.1: 550.8
Środowisko, technologia, ekonomia – czynniki określające
perspektywę zagospodarowania polskich złóż węgla
brunatnego z wykorzystaniem procesu zgazowania
Environment, technology, economics – the factors determining prospects
of the use of Polish lignite deposits in a gasification process
dr inż. Stanisław Hajdo*)
prof. dr hab. inż. Zbigniew
Kasztelewicz*)
dr inż. Grzegorz Galiniak*)
dr inż. Krzysztof Polak*)
dr inż. Kazimierz Różkowski*)
Treść: W artykule przedstawiono główne uwarunkowania technologiczno-złożowe i środowiskowe kwalifikacji złóż węgla brunatnego
w Polsce przydatnych do podziemnego zgazowania. Uwarunkowania te określono przyjmując założenie, że ich spełnienie
pozwoli na podziemne zgazowanie węgla, w wyniku którego uzyska siępalny gaz palny możliwy do dalszego wykorzystania
w procesach energetycznych lub chemicznej syntezy. Określone uwarunkowania (kryteria) mają charakter kryteriów wstępnych,
gdyż w dotychczasowej historii podziemnego zgazowania na świecie nie są znane udane próby podziemnego zgazowania tego
typu węgli brunatnych.
Abstract: This paper presents the main technological, geological and environmental conditions of qualification of brown coal deposits
in Poland which are suitable for underground gasification. The conditions were determined by assuming that the coals would
meet them and can undergo the underground gasification process, resulting in the production of combustible gas suitable for
further use in energy generation processes or chemical synthesis. The presented conditions (criteria) are only preliminary, as
in the world’s history of underground gasification there were no successful attempts of gasification of this type of brown coal.
Słowa kluczowe:
węgiel brunatny, podziemne zgazowanie węgla
Key words:
brown coal, underground coal gasification
*)
AGH w Krakowie
14
PRZEGLĄD GÓRNICZY
1. Wprowadzenie
Istotnym problemem strategicznym dla Polski jest zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego. Wśród rozpatrywanych elementów tego zabezpieczenia centralne miejsce
zajmuje wykorzystanie krajowych surowców energetycznych,
głównie węgla brunatnego i węgla kamiennego. W Polsce
ponad 90 % energii elektrycznej produkowane jest w oparciu
o spalanie węgla. Przy czym sam węgiel brunatny (wydobycie
blisko 60 mln Mg rocznie) dostarcza w kraju ponad 33 %
relatywnie najtańszej energii elektrycznej. Polska jest jednym
z krajów, które posiadają udokumentowane i wciąż niezagospodarowane duże bilansowe zasoby węgla brunatnego.
W naszym kraju rozpoznano ponad 150 złóż i obszarów węglonośnych, udokumentowano ponad 20 mld Mg zasobów
w złożach pewnych, ponad 60 mld Mg w zasobach oszacowanych, a możliwości występowania paliwa w obszarach potencjalnie węglonośnych ocenia się na ponad 140 mld Mg. Jednak
nie ma wątpliwości, że aby utrzymać obecny udział produkcji
energii elektrycznej w bilansie energetycznym kraju z tego
najtańszego źródła energii, należy wprowadzać tzw. czyste
technologie węglowe. Już dzisiaj można to osiągnąć poprzez
gruntowne modernizacje starych bloków energetycznych,
czy też budując nowe bloki o sprawności netto dochodzącej
do 45 % przy nadkrytycznych parametrach pary. Obiecującą
technologią jest także produkcja energii elektrycznej w układach gazowo-parowych, zintegrowanych ze zgazowaniem
węgla (IGCC). Naziemne zgazowanie węgla brunatnego w
oparciu o technologię IGCC może być kierunkiem rozwoju
energetyki wielkich mocy łączącym możliwość wykorzystania
strategicznych zasobów, tj. węgla i gazu ziemnego konwencjonalnego lub niekonwencjonalnego. Niemniej istotnym
oraz ważnym zagadnieniem jest odpowiedź na pytanie, czy
w Polsce istnieje alternatywa dla dotychczasowego zagospodarowania złóż węgla brunatnego w oparciu o technologię
innowacyjną, za jaką w niektórych kręgach uważane jest
podziemne zgazowanie węgla. Mała skala zastosowania tej
technologii w świecie i brak własnych doświadczeń sprawia,
że wiarygodna odpowiedź na to pytanie jest jeszcze odległa
w czasie. Zastosowanie technologii podziemnego zgazowania
możliwe jest tylko w określonych warunkach górniczo-geologicznych i środowiskowych (kryteriach) zalegania zasobów
węgla przeznaczonego do zgazowania. Skala zagospodarowania natomiast zależeć będzie od wielkości zasobów złóż
nadających się do zgazowania, czyli spełniających te warunki.
Zależy ponadto od możliwości zastosowania i opanowania
tej technologii w zakresie najlepszych dostępnych praktyk
mogących zapewnić racjonalność ekonomiczną oraz akceptowalność środowiskową i społeczną [6, 7, 8]
Dla każdej z wymienianych technologii konieczny jest
dostęp do tego paliwa, jakim są złoża węgla brunatnego. Duże
zasoby tej kopaliny umożliwiają określenie bardzo wielu
wariantów ich wykorzystania w przyszłości, ale już dzisiaj
należy dokładać wszelkich starań, aby móc w pełni wykorzystać ich potencjał. Chodzi tu głównie o zabezpieczenie złóż,
które powinny być traktowane jako trwały zasób strategiczny
kraju, objęty szczególną ochroną prawną.
W artykule prezentuje się najważniejsze uwarunkowania
technologiczno-złożowe, środowiskowe oraz ekonomiczne
kwalifikacji złóż węgla brunatnego do podziemnego zgazowania.
2. Istota i uwarunkowania metody podziemnego zgazowania węgla
Zgazowanie jest procesem chemicznym zmiany paliwa
stałego lub ciekłego w palny gaz, który może być wykorzy-
2014
stany do produkcji energii cieplnej lub elektrycznej albo stanowić surowiec do produktów chemicznych, takich jak wodór,
metanol czy gaz syntetyczny. Na świecie istnieje ponad 160
dużych instalacji zgazowania, jednak są to powierzchniowe
instalacje zgazowania węgla wydobywanego konwencjonalnymi metodami. Produkują one równowartość około 50 tys.
MW syngazu [12]. Natomiast podziemne zagazowanie węgla
polega na zmianie fazy stałej w mieszaninę gazów palnych
bezpośrednio w złożu. Część warstwy węglowej, w której
zachodzi proces zgazowania stanowi tzw. gazogenerator.
Połączenie z powierzchnią odbywa się za pomocą wyrobisk
doprowadzających media zgazowujące (powietrze, tlen i/lub
parę wodną) i odprowadzających powstałą mieszaninę gazów
palnych na powierzchnię (otworów pionowych, otworów kierunkowych, wyrobisk podziemnych pionowych i poziomych).
Istota metod geotechnologicznych polega na nieskomplikowanym sposobie udostępniania złoża. Eksploatację
prowadzi się najczęściej przy wykorzystaniu otworów
wiertniczych, z czego wynika wiele udogodnień, ale także
i problemów. W dotychczasowej, blisko stuletniej, praktyce
podziemnego zgazowania węgla (PZW) na świecie, otwory
były wiercone w różnych konfiguracjach rozmieszczenia
i nachylenia. Eksploatacja pionowymi otworami ewoluowała
od pojedynczych gazogeneratorów do rozmieszczenia otworów zasilających i odbierających w regularnej siatce o module
do 25 m. Rozwój techniki wiercenia otworów spowodował
opracowanie i zastosowanie gazogeneratorów z kombinacją
otworów pionowych inicjujących (lub odbierających) i kierunkowych z podciąganiem rur zasilających i odbierających.
Daje to możliwość istotnego zwiększenia odległości między
otworami, przez co eliminuje się ich usytuowanie w obszarze
kumulacji naprężeń w osiadającym nadkładzie nad zgazowanym złożem, a tym samym ogranicza istotnie możliwość ich
zniszczenia. Przemieszczanie się czynników zgazowujących
węgiel, a później gazu w złożu, wykorzystuje naturalną gazoprzepuszczalność złoża węgla, która dodatkowo zwiększa się
wskutek ubytku masy węgla oraz na skutek przepływu wód
podziemnych przez strefę zgazowaną [6]. Często konieczne jest wykonywanie specjalnych połączeń w złożu w celu
uformowania kanału zgazowania. Szczegółowe rozwiązania
techniczne przedstawiono w wielu pracach [5, 7, 13, 14]
Zarysowana istota procesu podziemnego zgazowania
węgla jako technologii zagospodarowania złóż węgla dla
produkcji gazu energetycznego, w odniesieniu do metod
konwencjonalnych jego eksploatacji ma wiele zalet i wad,
które zostały wypunktowane w wielu publikacjach. Jednakże
właśnie wady technologii PZW będą głównymi czynnikami,
które trzeba uwzględnić przy określeniu kryteriów technologicznych i złożowych dla weryfikacji krajowej bazy złóż
węgla brunatnego, by zapewnić możliwość ich neutralizacji.
Wśród wad podziemnej gazyfikacji węgla wymienić należy
m.in. [6]:
– brak pełnej kontroli procesu eksploatacji na poziomie
podobnym, jak w przypadku metod konwencjonalnych
bądź zgazowania prowadzonego na powierzchni;
– wpływ na środowisko naturalne (zanieczyszczenie warstw
wodonośnych produktami spalania, osiadanie powierzchni
terenu);
– działanie trujące i własności wybuchowe powstających
substancji gazowych;
– ograniczone możliwości reakcji na powstające zagrożenie
dla środowiska, wynikające z opóźnionej w czasie kontroli
skutków środowiskowych eksploatacji;
– wahania stabilności procesu podziemnego zgazowania
w czasie, powodujące problemy w utrzymaniu stałej jakości produktu końcowego.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
W odniesieniu do metod konwencjonalnych podziemne
zgazowanie posiada również i zalety [4]:
– mniejsze koszty i krótki czas udostępniania, co umożliwia
eksploatację złóż pozabilansowych dla konwencjonalnych
metod wydobycia;
– mniejszy zakres przekształceń powierzchni terenu (eksploatacja selektywna);
– brak konieczności wydobywania i składowania skał płonnych w postaci odpadów na powierzchni terenu;
– brak konieczności transportu węgla na powierzchnię;
– brak powierzchniowych instalacji zgazowania;
– pozostawienie produktów spalania pod powierzchnią
ziemi;
– redukcja emisji zanieczyszczeń do środowiska SOx, NOx,
metali ciężkich i pyłów;
– możliwość składowania CO2 w pustkach poeksploatacyjnych.
3. Ocena możliwości zastosowania zgazowania podziemnego złóż węgla brunatnego w Polsce
W dotychczasowej ponad stuletniej historii doświadczeń
podziemnego zgazowania węgla pracowało kilkadziesiąt
instalacji testowych i pilotowych o czasie prowadzenia
eksperymentów od kilkunastu dni do kilku lat [1, 3, 4, 6,
13, 14]. Tylko pojedyncze instalacje przemysłowe pracowały w dłuższym czasie, tj. do kilkudziesięciu lat. Chociaż
przeważająca większość prób dotyczyła zgazowania węgla
kamiennego, to najbardziej optymistyczne rezultaty osiągnięto
jednak przy zgazowaniu węgla brunatnego (Angren, Zagłębie
Podmoskiewskie, Chinchila – Australia) [7, 8] Zestawienie
najistotniejszych realizacji podziemnego zgazowania węgla
brunatnego i jego niektórych parametrów jakościowych
przedstawiono w tablicy 1.
Przez określenie „węgiel brunatny”, które w Polsce jest
określeniem tradycyjnym i potocznym, należy rozumieć
w pojęciu klasyfikacji międzynarodowej (UN-ECE) orto-lignity, meta-lignity i węgiel subbitumiczny, czy też wg DIN
węgiel brunatny miękki, matowy i błyszczący, których wartość
energetyczna zawarta jest w przedziale 6,7 MJ/kg ÷25MJ/kg
[15]. Złoża, na których prowadzono udane próby PZ odpowiadały zazwyczaj węglom brunatnym matowym opisywanym
w klasyfikacji DIN, a w klasyfikacji UN-ECE, meta-lignitom.
Natomiast krajowe węgle brunatne, wg klasyfikacji DIN,
zaliczane są przeważnie do węgli miękkich odpowiadających
w skali UN-ECE orto-lignitom. Z przeprowadzonych studiów literaturowych wynika, że w dotychczasowej praktyce
podziemnego zgazowania nie prowadzono udanych eksperymentów czy prób przemysłowych podziemnego zgazowania
o większej skali, na złożach o wartości energetycznej odpo-
15
wiadającej polskim złożom węgla brunatnego. W prowadzonych próbach zgazowania na złożu Sinelnikowski wartość
opałowa węgla wynosiła tylko 8,0 MJ/kg. Niestety brak jest
szczegółowych danych dotyczących uzysku gazu, a nawet
informacji czy eksperyment w ogóle się powiódł. Natomiast
w literaturze rosyjskojęzycznej niepublikowanej, formułowane były oceny, że proces podziemnego zgazowania na
złożach o cieple spalania poniżej 10 MG/kg zachodzi trudno. Fakt ten wskazuje, że mimo podatności na zgazowanie
naszych węgli brunatnych, ograniczone możliwości kontroli
i przebiegu zgazowania pod ziemią mogą być główną barierą
aplikacji tej metody dla ich zagospodarowania. Wyniki analizy
dotychczas zrealizowanych eksperymentów podziemnego
zgazowania węgla brunatnego wskazują, że w pełni udane
próby zgazowania prowadzono dotychczas:
– na złożach zalegających na głębokościach do max. 250 m,
– na złożach o stosunkowo niedużej miąższości, w zakresie od 0,5 do 24 m, eksploatacja pokładów o miąższości
poniżej 1 m stwarzała problemy techniczne,
Ponadto w udanych eksperymentach:
– minimalna wartości opałowa węgla wynosiła 11,8 MJ/kg.
– najbardziej korzystne rezultaty eksperymentów uzyskiwano dla meta-lignitów i węgli podbitumicznych, tzn.
o wartości opałowej powyżej 15 MJ/kg, a także węgli
bitumicznych o wartości opałowej dochodzącej do 25 MJ/
kg.
– zgazowywane węgle charakteryzowały się ponadto wilgotnością, zawartością popiołu i zawartością substancji
lotnych zazwyczaj poniżej 35 %.
Na podstawie wyników z większości prowadzonych na
świecie projektów podziemnego zgazowania węgla sformułowano kryteria technologiczno-złożowe i środowiskowe
określające warunki prowadzenia podziemnego zgazowania węgla, czyli także stanowiące kryteria dla kwalifikacji
złóż dla tego sposobu zagospodarowania. Nie są to kryteria
zgeneralizowane, lecz tylko uwzględniające specyfikę złóż
w rejonie podziemnej gazyfikacji i miejscowe uwarunkowania środowiskowe charakterystyczne dla regionu świata,
w którym eksperymenty były prowadzone [16]. Wobec braku
dotychczas jednoznacznego potwierdzenia praktycznej możliwości zgazowania podziemnego węgli brunatnych miękkich,
odpowiadających występującym w Polsce typom, najważniejszym powinno być przygotowanie programów badawczych
i eksperymentów podziemnego zgazowania na wytypowanych
złożach węgla brunatnego.
Skuteczne, stabilne i bezpieczne sterowanie procesem
podziemnego zgazowania oraz minimalizacja wystąpienia
zakłóceń i ich negatywnego oddziaływania na środowisko
wymaga szczegółowej znajomości budowy geologicznej
złoża i równie szczegółowego rozpoznania warunków hydrogeologicznych w jego otoczeniu. Należy tu podkreślić,
Tablica 1. Parametry jakościowe węgla w eksperymentach podziemnego zgazowania [6]
Table 1. Quality parameters of coal during the experiments of underground gasification [6]
Lokalizacja/Nazwa
Jóźno-Abińsk
Lisiczańsk
Chinchila
Taszkient (Angren)
Tula, Podmoskownaja 1
Szatsk,
Szatskaja 1
Sinelnikowsk
Rodzaj węgla UNECE
Wilgotność węgla
%
Zawartość
popiołu
%
Substancje lotne
%
Subbitumiczny
Subbitumiczny
Subbitumiczny
Meta-lignite
Orto-lignite
2,5 ÷ 8,0
12,0 ÷ 15,0
10,0
35,0
30,0
2,3 ÷ 5,2
7,0 ÷ 17,0
19,3
12,2
34,3
27,0 ÷ 32,0
39,0 ÷ 40,0
40,0
33,0
44,5
Wartość
energetyczna
węgla
MJ/kg
21,0 ÷ 25,0
20,0 ÷ 23,0
23,0
15,1
11,8
Orto-lignite
30,0
26,0
38,1
11,1
Orto-lignite
55,0
23,8
65,5
8,0
16
PRZEGLĄD GÓRNICZY
że krajowe złoża węgla brunatnego występują w obszarach
wielopoziomowych i nieciągłych struktur piętra czwartorzędowego i neogeńskiego, w kontakcie hydraulicznym
z poziomami wodonośnymi piętra kredowego i jurajskiego.
W wyniku podziemnego zgazowania tych złóż mogą także
powstać lokalne ograniczenia ilościowe w dostępności do
zasobów wód podziemnych o dobrym stanie chemicznym
w użytkowych poziomach wodonośnych. Kryteria związane
z minimalizacją negatywnego wpływu procesu na środowisko powiązane są ściśle z izolowaniem gazogeneratora
i hermetyzacją względem otoczenia skalnego i horyzontów
wodonośnych oraz powierzchni. Konieczność tej hermetyzacji wynika nie tylko z aspektów technologicznych ochrony
gazogeneratora, ale także ze względów środowiskowych.
Przez kryteria fizjograficzne i środowiskowe należy rozumieć ograniczenia formalne i parametryczne wynikające
z ustaleń wiążących aktów prawnych krajowych i UE, które
mają na celu eliminację lub zmniejszenie stopnia zagrożenia
podziemnym zgazowaniem węgla dla jakości wód podziemnych, użytkowych poziomów wodonośnych, wód powierzchniowych i powierzchni ziemi w odniesieniu do chronionych
ekosystemów lądowych, użytków rolnych, łąkowych i leśnych
oraz dla infrastruktury osadniczej, drogowej i budowlanej
[5, 10]. Dla zachowania dobrego ilościowego i chemicznego
stanu wód podziemnych na potrzeby zaopatrzenia ludności
w wodę do spożycia, a także decydujących o stanie wód
powierzchniowych i ekosystemów lądowych i wodnych,
wymagane jest sformułowanie kryteriów odległości rejonu
podziemnego zgazowania od stref potencjalnych kontaktów
hydraulicznych pionowych i bocznych między poszczególnymi poziomami wodonośnymi, od kontaktów hydraulicznych
wód podziemnych z wodami powierzchniowymi, od stref
potencjalnych dróg migracji produktów termicznej gazyfikacji
węgla brunatnego. W tym zakresie kryteriami fizjograficznymi
i środowiskowymi winny być następujące kryteria [5, 10]:
– nieprzepuszczalności nadkładu bezpośredniego,
– stopnia izolacji poziomów wodonośnych,
– odległości od zbiorników wód podziemnych mających
znaczenie dla obecnego i przyszłego zaopatrzenia w wodę
do spożycia i do produkcji żywności.
– odległości od podziemnych ujęć wody,
– odległości od struktur uskokowych jako potencjalnych
dróg migracji zanieczyszczeń,
– odległości od wód powierzchniowych (rzek, jezior naturalnych i sztucznych),
– odległości od obszarów systemu ochrony przyrody Natura
2000 i korytarzy ekologicznych, czyli obszarów specjalnej ochrony ptaków i obszarów mających znaczenie dla
ochrony przyrody,
– odległości od parków krajobrazowych i obszarów chronionego krajobrazu,
– odległości od sąsiednich obszarów górniczych,
– odległości od sieci osadniczych, liniowych i przestrzennych obiektów zagospodarowania na powierzchni terenu.
Z innych kryteriów fizjograficznych i środowiskowych formalnych wymienić należy kryterium eliminacji podziemnego
zgazowania węgla ze złóż węgla brunatnego na terenach mających klasę bonitacyjną gleby I-IV, która powinna podlegać
ochronie, a także z terenów większych kompleksów leśnych.
Określenie i spełnienie tych kryteriów daje gwarancje uzyskania pozytywnych raportów OOŚ, które są wymagane na
różnych etapach przygotowania i realizacji projektów PZW.
Ograniczeniem dla stosowania PZW są dyrektywy, które
wymagają dążenia do osiągnięcia, co najmniej dobrego stan
wód, ekologicznych ich funkcji oraz ekosystemów lądowych
i z terenów podmokłych zależnych od wód. Środkiem prowa-
2014
dzącym do tego celu jest określenie i wdrożenie koniecznych
przedsięwzięć ochronnych. Tam, gdzie stan czystości wody
jest dobry, powinien zostać utrzymany, a znaczący i utrzymujący się trend wzrostu stężenia jakiegokolwiek zanieczyszczenia, powinien zostać zidentyfikowany i odwrócony przez
długoterminowe planowanie i zastosowanie przedsięwzięć
ochronnych prowadzących do odtworzenia pożądanego stanu
wód podziemnych. W tej chwili brak jest wiarygodnych ocen
podziemnego zgazowania węgla od strony kosztowej, a zatem
także nie wiadomo, jaka jest możliwość działań kompensacyjnych w zakresie niwelowania niekorzystnego wpływu na
środowisko i osiągnięcia racjonalności ekonomicznej metody. Rozpatrując charakterystykę hydrogeologiczną warstw,
konieczna jest obecność w stropie i spągu pokładu węgla
utworów o niskiej przepuszczalności, najlepiej zwięzłych,
odkształcających się plastycznie, bądź w przypadku osadów
skonsolidowanych, o dużej wytrzymałości.
Analiza światowej literatury wykazała istnienie opinii sugerujących, że pod względem infrastruktury powierzchniowej
kryteria lokalizacji PZW powinny odpowiadać założeniom
zdefiniowanym dla zakładów górniczych eksploatujących
kopaliny metodą podziemną natomiast infrastruktura przesyłowa winna być objęta takimi obostrzeniami, jak instalacje
przesyłowe gazu [6].
Przegląd literatury oraz analiza poszczególnych przypadków w zakresie wyników produkcji gazu z instalacji
podziemnego zgazowania węgla oraz wpływu na środowisko
naturalne, pozwoliła na wskazanie kryteriów selekcji w postaci katalogu (karty) dziesięciu najważniejszych wymagań
technologiczno-złożowych i środowiskowo-fizjograficznych
będącego podstawą do kwalifikacji polskich złóż węgla
brunatnego do podziemnego zgazowania (tabl. 2). Kryteria
te powinny mieć także zastosowane zarówno przy wyborze
złóż węgla brunatnego do przeprowadzenia prac pilotowych,
jak i doświadczalnych. Jako najważniejsze kryteria uznano:
– minimalną głębokość zalegania pokładu, od której można
prowadzić podziemne zgazowanie węgla (określono jako
130 m),
– minimalną miąższość zgazowywanego pokładu (powyżej
2 m),
– niezbędną izolacyjną miąższość nieprzepuszczalnych
warstw nad stropem pokładu węgla w powiązaniu z jego
miąższością.
Mając na uwadze przeprowadzoną analizę i syntezę światowych wyników badań eksperymentalnych i przemysłowych
podziemnego zgazowania węgla brunatnego oprócz sformułowanych najważniejszych uwarunkowań technologiczno-złożowych należy wziąć pod uwagę stosowane w Polsce kryteria
środowiskowe oraz fizjograficzne w zakresie eksploatacji złóż
surowców stałych. W tym zakresie proponuje się następujące
rodzaje kryteriów dotyczących planowanych eksperymentów
i doświadczeń pilotowych w zakresie podziemnego zgazowania węgla brunatnego:
– odległość do zbiorników wód podziemnych – brak GZWP
w sąsiedztwie, brak poziomów użytkowych.
– minimalna odległość do rzek i zbiorników wodnych – brak
rzek nad obszarem eksploatacji, 1 km od powierzchniowych zbiorników wodnych.
– mała gęstość zaludnienia i ograniczona działalność człowieka w najbliższym sąsiedztwie.
– odległość do eksploatowanych kopalń – min. 2 km.
– odległość do zamkniętych kopalń – 1 km.
– większe przewyższenia przeważającej powierzchni terenu
złożowego ponad poziomem wody w ciekach drenujących
ten teren jest czynnikiem korzystnym przy tworzeniu
rankingu złóż.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
17
Tablica 2. Proponowane kryteria technologiczno-złożowe dla określenia potencjalnej bazy złożowej węgla brunatnego przydatnej do podziemnego zgazowania
Table 2. Technological and geological criteria proposed for the determination of the potential deposit source of
brown coal suitable for underground gasification
Lp.
1
Kryterium
Typ węgla i właściwości
fizykochemiczne:
a – wartość opałowa
b – zawartość części lotnych
c – zawartość popiołu
d – wilgotność naturalna
e – zawartość siarki
Zakres zmienności
wartość minimalna – nie określona (od 6,5 MJ/kg)
poniżej 50 %
poniżej 20 % ewentualnie 25 %
poniżej 55 %
poniżej 4,0 %
2
Miąższość pokładu:
a - minimalna
b - maksymalna
3
Głębokość zalegania:
– minimalna
4
Rodzaj złoża:
a - jednopokładowe
b - wielopokładowe
5
Wskaźnik nadkładu N:W:
> 12 (10) przy zaleganiu stropu złoża do głębokości 350 m**
6
Kąt nachylenia pokładu
poziome lub lekko nachylone
7
Warunki izolacyjności pokładu od skał
otoczenia
skały stropowe pokładu w postaci bardzo słabo przepuszczalnych utworów
typu iły, mułki (k≤9∙10-8m/s) o miąższości ≥10÷20 m; 2,8 miąższości
pokładu)**
8
Warunki hydrogeologiczne:
a - usytuowanie względem
poziomów wodonośnych
b - wielkość dopływu wody do pokładu
9
Tektonika
brak szczelin i uskoków – niewskazana obecność istotnych zaburzeń
tektonicznych w obrębie pól eksploatacyjnych
10
Porowatość skał otaczających
skały w stropie i spągu powinny mieć mniejszą gazoprzepuszczalność niż
pokład węgla, miąższość słaboprzepuszczalnych skał otaczających pokład
węgla powinna wynosić 1÷2 m dla 2 m pokładu węgla lub miąższość 2÷4 m
dla 3÷10 m pokładu węgla **
11
Wielkość zasobów
dla instalacji pilotowej wymagane zasoby to 75 ÷ 450 tys. Mg, przy
komercjalizacji projektu należy zapewnić minimalne zasoby na poziomie 3,5
Mt**
12
Własności filtracyjne ośrodka skalnego
Stosunek porowatości pokładu węgla do porowatości otaczających go skał nie
powinien być mniejszy niż mD 18:20**
2 m, 4 m optymalna
uzależniona od warunków izolacyjności hydraulicznej oraz konieczności
jej ochrony oraz od ochrony konstrukcji otworów (sterowanie osiadaniem
nadkładu)
powyżej 150 m* - poniżej wymyć erozyjnych i rynien glacitektoniczych
w złożach pozbawionych glacitektoniki głębokość może być mniejsza
preferowane
możliwe przy zawansowanej technologii (np. z podsadzaniem)
odległość między pokładami >20m
poniżej użytkowych poziomów wodonośnych i poza GZWP, minimalna
odległość 40m.
poniżej 2 m3/ Mg węgla bez dodatkowych zabiegów odwadniania
Lokalizacyjne
13
Powierzchnia terenu pod instalację PZW
minimalna powierzchnia dla instalacji pilotowej to 50 ÷ 100 ha (0,5÷1 km2),
dla instalacji komercyjnej powyżej 100 ha**
14
Warunki bezpieczeństwa
minimalna odległość od: terenów zamieszkałych (1÷3 km), rzek i jezior (1÷3
km), obszarów chronionych (5 km), pracujących kopalń/terenów eksploatacji
górniczej (5 km), nieczynnych kopalń/wyrobisk (3 km), przewodów
przesyłowych i linii kolejowych (1÷3 km)**
*
**
*
**
w szczególnych przypadkach braku glacitektoniki warunki mogą być mniej restrykcyjne
kryteria według Cuprum
in specific cases of the lack of glacial tectonics the conditions may be less restrictive
criteria according to Cuprum
Pojawienie się konfliktu ze środowiskiem naturalnym,
lub potrzeba ochrony powierzchni ze względu na istniejącą
infrastrukturę w sposób automatyczny ogranicza możliwość
zagospodarowania złoża. W przypadku szczególnie cennych
przyrodniczo obszarów, objętych ochroną prawną w ramach
parków krajobrazowych, narodowych, rezerwatów, obszarów Natura 2000, czy innych form ochrony, w warunkach
ograniczonych możliwości zagospodarowania powierzch-
ni, lokowanie instalacji staje się praktycznie niemożliwe.
W przypadku, gdy ze względu na nadrzędny interes publiczny
związany z realizacją przedsięwzięcia, pogorszenie stanu wód
podziemnych i środowiska jest nie do uniknięcia, oraz gdy nie
ma korzystniejszych rozwiązań alternatywnych – technicznie
i ekonomicznie możliwych do zastosowania – niezbędne są
działania kompensacyjne w odniesieniu do objętych ochroną
elementów środowiska i użytkowników wód do spożycia.
18
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Kolejnym czynnikiem decydującym o możliwości zastosowania w warunkach polskich metody eksploatacji polegającej na podziemnej gazyfikacji węgla brunatnego jest
strategia górnictwa węgla brunatnego i oparta na nim polityka
energetyczna kraju. Wydobycie węgla brunatnego przez kopalnie odkrywkowe, które są powiązane układem sztywnym
z elektrowniami, powoduje, że eksploatowane zasoby muszą
być w pierwszej kolejności przypisane i przeznaczone dla tej
technologii. Obecnie poziom techniczny elektrowni opalanych tym paliwem spełnia współczesne wymagania, stawiane
konwencjonalnym technologiom. Z tych właśnie względów,
oceniając polskie zasoby węgla brunatnego nadające się do
zagospodarowania w procesie zgazowania, zweryfikowano
potrzeby obecnej energetyki, opartej na węglu brunatnym, pozyskiwanym metodami klasycznymi (metodą odkrywkową),
w zależności od możliwych do zrealizowania strategii rozwoju
górnictwa węgla brunatnego. Istniała więc konieczność przeprowadzenia analizy tych strategii w celu określenia ostatecznej bazy zasobowej węgla brunatnego dla potrzeb zgazowania.
Węgiel brunatny do celów energetycznych wydobywany jest
obecnie w czterech zagłębiach górniczo-energetycznych:
adamowskim, bełchatowskim, konińskim i turoszowskim.
W każdym z tych zagłębi eksploatacja tego surowca prowadzona jest metodą odkrywkową. Średnie roczne wydobycie
węgla brunatnego w Polsce kształtuje się na poziomie 60 mln
Mg. Analizując stan zasobów przemysłowych, a więc takich,
na które kopalnie posiadają koncesje na wydobywanie, umożliwią one pracę tych kopalń przez kolejne 22 lata. Jednak ze
względu na wyczerpywanie się zasobów w dwóch zagłębiach
(konińskim i adamowskim) obecny poziom wydobycia może
zostać utrzymany tylko do początku 2022 r. [2, 11, 17, 18].
Analizując więc stan zasobów przemysłowych, jak również
obecne scenariusze wykorzystania zasobów ze złóż, na które
kopalnie posiadają koncesje można zauważyć, że scenariusze
te w pełni podporządkowane są zaspokojeniu dostaw do pobliskich elektrowni, zarówno istniejących bloków jak i tych
planowanych (m.in. 450 MW w PGE Górnictwo i Energetyka
Konwencjonalna S.A. Oddział Elektrownia Turów). Realnym
scenariuszem dalszego wykorzystania zasobów węgla brunatnego do celów energetycznych jest zagospodarowanie złóż
satelickich czynnych zagłębi górniczo-energetycznych. Złoża
te, z uwagi na ich położenie geograficzne, można przypisać
do odpowiednich zagłębi:
– adamowskiego: Grochowy-Siąszyce, Piaski oraz Rogóźno,
– bełchatowskiego: Złoczew,
– konińskiego: Ościsłowo, Mąkoszyn-Grochowiska i Dęby
Szlacheckie-Izbica Kujawska,
– turoszowskiego: Radomierzyce.
Zagospodarowanie nowych złóż poza dotychczasowymi
zagłębiami górniczo-energetycznymi węgla brunatnego jest
częścią opracowanego tzw. scenariusza optymistycznego
rozwoju działalności górnictwa węgla brunatnego w Polsce
w kontekście zgazowania węgla. Perspektywiczne złoża
zostały umownie podzielone na trzy rejony:
– lubuski,
– legnicki,
– centralnej Polski.
zowania węgla i szacunkowe określenia wielkości zasobów
przemysłowych i operacyjnych.
Ich uściślenie i pogłębiona analiza będą możliwe etapowo, dopiero po pierwszych próbach przemysłowych w skali
instalacji pilotowych i półtechnicznych i dalszej weryfikacji
modeli teoretycznych opisu zjawisk występujących w otoczeniu gazogeneratora (gazogeneratorów).
Dalsze wykorzystanie węgla brunatnego uzależnione jest
od wielu czynników, jednak najważniejszym z nich są wyzwania stawiane przez politykę klimatyczną UE, skupiającą się na
ograniczeniu emisji CO2. Jej realizacja będzie powodowała
poważne implikacje ekonomiczne. Z uwagi na to, jedynym
sposobem na utrzymanie znaczącej roli węgla brunatnego
w wytwarzaniu energii elektrycznej w Polsce jest budowa
nowoczesnych bloków energetycznych pracujących na podstawowe obciążenie (około 7000 godzin/rok) o sprawności
wytwarzania netto zbliżonej do 45 %, a w niedalekiej przyszłości do 50 %. Dużą szansę należy także upatrywać w blokach
o technologii hybrydowej z układem gazowo-parowym
o sprawności około 60 %. Bloki te powinny pozwolić
w przyszłości na wykorzystanie syngazu ze zgazowania węgla brunatnego w połączeniu z gazem ziemnym. Powyższa
technologia wykorzystania węgla brunatnego, zaliczana do
tzw. „czystych technologii węglowych”, powinna umożliwić
w przyszłości na zagospodarowanie wielu perspektywicznych
złóż węgla brunatnego w Polsce w XXI wieku. W związku
z potrzebami zabezpieczenia dostaw węgla do obecnie
istniejących elektrowni można stwierdzić, że w przypadku
eksploatowanych już złóż trudno będzie znaleźć rezerwy
węgla, które mogą zostać przeznaczone dla zgazowania węgla. Najszerszą perspektywę potencjalnego wykorzystania
węgla oraz długoletni dostęp do tego rodzimego surowca
dałoby zbudowanie nowych zagłębi górniczo-energetycznych
w rejonie lubuskim bądź legnickim. Złoża w tych rejonach
są jednymi z największych złóż w Europie i gwarantowałyby
bezpieczeństwo energetyczne na co najmniej kolejne 50 lat.
Warto rozważyć także zagospodarowanie złoża w rejonie
Legnica-Ścinawa lub mniejszych złóż rejonu centralnej Polski,
na których, w szczególnie sprzyjających warunkach środowiskowych oraz technologicznych, można będzie przeprowadzić
pierwsze próby przemysłowych instalacji podziemnego zgazowania węgla. Bez względu na przyszłe proporcje inwestycji
w odkrywkową eksploatację złóż dla tradycyjnych bloków
energetycznych wysokiej sprawności, czy też dla układów
gazowo-parowych lub w końcu dla podziemnego zgazowania,
należy w racjonalny sposób wykorzystać posiadane zasoby.
4. Podsumowanie
1.
Rekomendowane na obecnym etapie rozpoznania technologii podziemnego zgazowania węgla brunatnego kryteria
weryfikacji polskich złóż pod kątem możliwości takiego ich
kierunku zagospodarowania należy traktować jako wstępne.
Pozwalają one jednak na wskazanie potencjalnych złóż do
zagospodarowania w oparciu o technologie podziemnego zga-
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac
rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania
energii”.
Literatura
2.
Arens W.Ż., Semenenko D.K.: Fiziko-chimiczeskije mietody razrabotki miestorożdienij kaustobiolitow, Gosudarstwiennyj NaucznoIssliedowatielskij Institut Gornochimiczieskowo Syria. Moskwa 1971.
(pod redakciej akad. N.W. Mielnikowa).
Bednarczyk J. Nowak A.: Strategie i scenariusze perspektywicznego
rozwoju produkcji energii elektrycznej z węgla brunatnego w świetle
występujących uwarunkowań. Górnictwo i Geoinżynieria. Rok 34.
Zeszyt 4. Kraków 2010.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Creedy, D. P., Garner K., February.: Clean Energy from Underground
Coal Gasification in China. DTI Cleaner Coal Technology Transfer
Programme, Report No. COAL R250, DTI/Pub URN 03/1611, 2004.
4. Fyodorov N.A., Kreinin E.V., Zvygiantsev K.N.: Underground coal
gasification and its application in world practice. Energy resources of
the world 27- th nt. Geol. Congress. Coll 02 Reports vol. 2, p. 121- 133.
PO Nauka. Moscow 1984.
5. Gautam N. N.: Underground Coal Gasification - Application In The
Country. 1st Asian Mining Congress, 2006, Kolkata, India 2006.
6. Hajdo i inni.: Sprawozdanie merytoryczne dla NCBiR z Części
tematu badawczego 1.4.1. pt.: Analiza wyników eksperymentalnych
dotyczących wymagań technologicznych i środowiskowych podziemnego zgazowania węgla brunatnego oraz opracowanie kryteriów
złożowych i technologicznych dla weryfikacji krajowych zasobów
węgla. Praca niepublikowana. AGH Kraków – listopad 2010.
7. Hajdo S., Klich J., Polak K.: Uwarunkowania podziemnego zgazowania
węgla - 100 lat rozwoju metody. Górnictwo i Geoinżynieria. Kwartalnik
AGH, rok 34, zeszyt 4, Kraków 2010.
8. Hajdo S., Kasztelewicz Z., Polak K.: Perspektywy, ograniczenia oraz
zadania dla wdrożenia podziemnego zgazowania węgla w Polsce w
świetle doświadczeń światowych. Konferencja SITG – 4 listopad 2010,
Ustroń.
9. Hajdo S., Klich J., Polak K.: Własności węgli niskogatunkowych w
podziemnym zgazowaniu węgla. Górnictwo i Geoinżynieria, Rok 35,
Zeszyt 3, Wyd. AGH – Kraków 2011.
10. Herbich P.: Sprawozdanie merytoryczne dla NCBiR z Cz.T.B. nr
1.4.5., pt. Ocena wpływu na wody podziemne i środowisko geologiczne
procesów zgazowania węgla charakteryzowanych kryteriami złożowo-technologicznymi w odniesieniu do dyrektyw środowiskowych UE oraz
3.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19
przepisów krajowych”. PIG- PIB, Praca niepublikowana. Warszawa –
maj 2011.
Kasztelewicz Z., Kaczorowski Z., Mazurek S., Orlikowski D., Żuk S.:
Stan obecny i strategia rozwoju branży węgla brunatnego w I połowie
XXI wieku w Polsce. VI Międzynarodowy Kongres Górnictwo Węgla
Brunatnego. Kwartalnik AGH, seria Górnictwo i Geoinżynieria, rok 33,
zeszyt nr 2, Kraków, 2009.
Kasztelewicz Z., Polak K., Zajączkowski M.: Metody wydobycia i przetwórstwa węgla brunatnego w I połowie XXI wieku. Węgiel Brunatny,
nr 4 / 65, 2008.
Khadse A., Qayyumi M., Mahajani S., Aghalayam P.: Underground coal
gasification: A new clean coal utilization technique for India. Energy
32, 2061–2071 Elsevier, 2007.
Kraynin E.V.: Undrground coal gasification: theoritical and practical
foundations. Corina-ofset. Moscow 2010 (oryginał w języku rosyjskim).
Libicki J., Szczepiński J.: Międzynarodowy System Klasyfikacji Węgli
oraz Rozporządzenie Rady Ministrów w Sprawie Pomocy Publicznej
dla Przemysłu Węglowego. Węgiel Brunatny, nr 2/59, 2007.
Mastalerz M., Drobniak A., Parke M., Rupp J.: Site evaluation of
subsidence risk, hydrology, and characterization of Indiana coals for
underground coal gasification (UCG). Final report to CCTR, 2011.
Tajduś A., Czaja P., Kasztelewicz Z.: Stan obecny i strategia rozwoju branży węgla brunatnego w I połowie XXI wieku. Kwartalnik
„Górnictwo i geologia”, Tom 5, Zeszyt 3. Wydawnictwo Politechniki
Śląskiej. Gliwice, 2010.
Tajduś A., Kaczorowski J., Kasztelewicz Z., Czaja P., Cała M., Bryja Z.,
Żuk St.: Węgiel brunatny – oferta dla polskiej energetyki. Możliwość
rozwoju działalności górnictwa węgla brunatnego w Polsce do 2050
roku. Komitet Górnictwa PAN, Kraków. 2014.
20
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Ocena zasobów węgla kamiennego dla celów podziemnego
zgazowania węgla metodą szybową w złożach czynnych
kopalń Kompanii Węglowej S.A.
Assessment of hard coal resources for underground coal gasification process with
the use of the shaft method in productive coal mines of Kompania Węglowa S.A.
in the Upper Silesian Coal Basin
dr inż. Jarosław Chećko*)
dr inż. Magdalena Głogowska*)
mgr inż. Robert Warzecha*)
mgr inż. Tomasz Urych*)
Treść: W artykule zamieszczono wyniki przeprowadzonej oceny zasobów węgla kamiennego w GZW dla celów podziemnego zgazowania węgla. Praca przedstawia ocenę kopalń należących do Kompanii Węglowej S.A. Analiza
zasobów węgla kamiennego na potrzeby zgazowania metodą szybową obejmowała następujące parametry kryterialne: typ węgla 31, 32 i 33, grubość pokładu węgla >1,5 m, powierzchnia parceli węglowej >2,0 km2. W oparciu
o przyjęte kryteria wytypowano pokłady znajdujące się w pięciu kopalniach tj.: „Sośnica-Makoszowy” – „ruch Sośnica”,
„Piast”, „Ziemowit”, „Chwałowice” i „Jankowice”. Zasoby potencjalnie atrakcyjne dla PZW do głębokości 1000 m w Kompanii
Węglowej S.A. dla metody szybowej wynoszą ponad 700 mln Mg
Key words:
zgazowanie węgla, zasoby węgla, metoda szybowa
Słowa kluczowe:
coal gasification, coal resources, shaft method
*) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
21
Abstract: This paper describes the results of hard coal resources assessment for underground coal gasification (UCG) in the Upper
Silesian Coal Basin. This study was executed in the framework of the project: “Development of coal gasification technology
for high production of fuels and energy”, supported by the National Center for Research and Development. The paper presents
coal resources assessment of the mines owned by Kompania Węglowa SA. Coal resources assessment for underground coal
gasification with the use of shaft method involves the following criterial parameters: only power coal, coal seam thickness
greater than 1,5 meter, area of coal seam parcel greater than 2,0 km2. On the basis of the adopted criteria coal seams in the
following coal mines were selected: “Sośnica-Makoszowy”, “Piast”, “Ziemowit”, “Chwałowice” i “Jankowice”. The size
of coal resources up to the depth of 1000 m which are suitable for the underground coal gasification using the shaft method
is more than 700 million tons.
1. Wprowadzenie
Podziemne zgazowanie węgla (PZW), jako jedna z form
wykorzystania gospodarczego złóż węglowych jest procesem
znanym od przełomu XIX i XX wieku. Już w latach 60. ub. w.
w Głównym Instytucie Górnictwa prowadzone były prace
nad podziemnym zgazowaniem węgla w kopalni „Mars”
w Sosnowcu. Podejmowane od prawie stu lat eksperymenty
w zakresie PZW kończyły się w większości przypadków
niepowodzeniem lub były krótkotrwałe. Jedyna instalacja
działająca na skalę przemysłową przez dłuższy czas znana jest
ze złoża twardego węgla brunatnego Angren w Uzbekistanie
[10, 11, 14]. Inne instalacje komercyjne, np.: Chinchilla
(Australia), Majuba (RPA) i Wulonchabu (Chiny), działają
od niedawna na ograniczoną skalę w pokładach charakteryzujących się dużą miąższością i dogodnymi warunkami
geologiczno-górniczymi.
W ramach realizowanego projektu pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji
paliw i energii elektrycznej” finansowanego przez NCBR
dokonano analizy bazy zasobowej węgla kamiennego dla
potrzeb zgazowania podziemnego metodą otworów wiertniczych z powierzchni, metodą szybową oraz metodą otworowo-szybową. O tych metodach pisali wcześniej [10, 11 i 13].
W niniejszym artykule skupiono się na analizie bazy zasobowej Kompanii Węglowej S.A. (KW) pod kątem zgazowania
węgla metodą szybową. Podkreślić należy, że ze względu na
dużą objętość pracy w artykule przedstawiono jedynie przykłady map pokładowych.
2. Metodyka prac
W każdej z kopalń KW (rys. 1) przeanalizowano od
kilkunastu do kilkudziesięciu pokładów węgla, z których
wytypowano potencjalne zasoby na potrzeby PZW.
Dla przeprowadzenia omawianej analizy szukano parcel
zasobowych na obrzeżach projektowanej eksploatacji (głównie pokłady nieprzemysłowe) i zalegające poniżej najniższego
poziomu eksploatacyjnego [9], [12].
Wyznaczone zasoby stanowią potencjalne zasoby dla metody szybowej PZW. Analiza zasobów węgla kamiennego na
potrzeby zgazowania podziemnego obejmowała następujące
parametry kryterialne:
– typ węgla 31, 32 i 33,
– grubość pokładu węgla >1,5 m,
– powierzchnia parceli węglowej >2,0 km2 [12].
Przyjęta w niniejszej analizie powierzchnia parceli węglowej 2,0 km2 uzasadniona jest koniecznością wyznaczenia
filara ochronnego dla uskoków. Należy uwzględnić także
szczelność górotworu, który jest w znacznym stopniu naruszony przez prowadzoną działalnością górniczą. Ze względu na
Rys. 1.Lokalizacja kopalń węgla kamiennego należących do Kompanii Węglowej S.A.
Fig. 1. Location of hard coal mines owned by Kompania Węglowa S.A.
22
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
zachowanie norm bezpieczeństwa, wykazana baza zasobowa
przeznaczona do PZW może być wykorzystana w okresie
postawienia kopalni w stan likwidacji.
Analizy dokonano na podstawie dokumentacji geologicznych złóż węgla kamiennego i/lub ich dodatków,
a ponadto projektów zagospodarowania złóż i/lub ich
dodatków zamieszczonych w spisie literatury [1, 2, 3, 4,
5, 6, 7, 8].
3. Zasoby węgla zakwalifikowane do podziemnego zgazowania węgla metodą szybową w wytypowanych złożach
Kompani Węglowej S.A.
W artykule przedstawiono wyniki analiz przeprowadzonych w ramach projektu „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii
elektrycznej” w obrębie złóż kopalń należących do KW S.A.
Kryteria selekcji bazy zasobowej dla potrzeb podziemnego
zgazowania węgla metodą szybową są spełnione w części
pokładów należących do złóż: „Sośnica”, „Piast”, „Ziemowit”,
„Chwałowice”, „Jankowice”.
W złożu „Sośnica” KWK „Sośnica-Makoszowy”,
w pokładzie 504 jest 48,84 mln t zasobów węgla kamiennego
spełniających kryteria do PZW. Stanowią one 54 % zasobów
bilansowych tego pokładu (rys. 2 i rys. 3).
W złożu „Piast” na podstawie przeprowadzonej analizy
jest pięć pokładów 206, 207, 209, 215/1 i 314 o zasobach przydatnych do procesu podziemnego zgazowania węgla w ilości
50,30 mln t (rys. 4, 5).
Na podstawie dokonanej analizy zasobów kwalifikujących się do procesu podziemnego zgazowania węgla w złożu
„Ziemowit” jest osiem pokładów spełniających założenia do
Rys. 2.Zasoby w poszczególnych pokładach złoża „Sośnica”
Fig. 2. Coal seams resources in “Sośnica” deposit
Rys. 3.Mapa pokładu 504 – złoże „Sośnica”
Fig. 3. Map of coal seam no. 504 – “Sośnica” deposit
PZW o zasobach 101,11 mln t do głębokości dokumentowania,
tj. 1000 m. W złożu występują również pokłady zalegające
poniżej 1000 m, które zakwalifikowano do tzw. metody hybrydowej podziemnego zgazowania węgla nie będące przedmiotem niniejszego artykułu. Poniżej na rysunku 6 przedstawiono
zasoby w poszczególnych pokładach. Na przykładzie jednego
pokładu 349 pokazano rozkład powierzchniowy parcel zakwalifikowanych do PZW (rys. 7).
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
23
Rys. 4.Zasoby w poszczególnych pokładach złoża „Piast”
Fig. 4. Coal seams resources in “Piast” deposit
Rys. 5.Mapa pokładu 314 – złoże „Piast”
Fig. 5. Map of coal seam no. 314 – “Piast” deposit
W złożu „Jankowice” występują węgle energetyczne, jak
również węgle koksowe. Zgodnie z założeniami dokonano
analizy całej bazy zasobowej głównie węgli energetycznych
typu 31-33, miąższości parcel >1,5 m i powierzchni grupy
parcel powyżej 2 km2. Na podstawie dokonanej analizy
zasoby kwalifikujące się do procesu podziemnego zgazowania węgla znajdują się we fragmentach 13 pokładów tj.:
408/1,409/2, 413/2, 417/1, 501/3, 502/1, 502/2, 502/3, 502/4,
503, 504, 505, 506. Szacunkowe zasoby to około 350 mln t
do głębokości 1300 m. Na rysunku 8 przedstawiono zasoby
w poszczególnych pokładach bilansowych i zakwalifikowanych do PZW oraz na przykładzie jednego z pokładów
506 rozkład powierzchniowy zasobów proponowanych do
zgazowania (rys. 9).
W złożu „Chwałowice” ze względu na to, że ma budowę
niecki pociętej poprzecznymi uskokami o znacznych zrzutach,
24
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 6. Zasoby w poszczególnych pokładach złoża „Ziemowit”
Fig. 6. Coal seams resources in “Ziemowit” deposit
spełniają fragmenty pokładów 412/2 i 502/3 o zasobach
w ilości 23,5 mln t (rys. 10). Na przykładzie jednego pokładu 412/2 pokazano rozkład powierzchniowy parcel zakwalifikowanych do PZW (rys. 11).
4. Podsumowanie
Rys. 7. Mapa pokładu 349 – złoże „Ziemowit”
Fig. 7. Map of coal seam no. 349 – “Ziemowit” deposit
a ponadto jego obecna dokumentacja ma kategorię zasobów
tzw. pozabilansowych gr „b”, przyjęto następujący sposób
kwalifikowania zasobów przydatnych do PZW:
– w pokładzie 502/3 do PZW metodą szybową zaliczone
zostały także zasoby położone głębiej niż 1000 m. Zasoby
te liczone osobno nie spełniają kryterium powierzchni,
a nie sposób ich pominąć ze względu na budowę złoża
w formie niecki, co oznacza, że zalegają one w samym
centrum części pokładu przewidzianego do zgazowania.
– do PZW zaliczone zostały także zasoby należące do pozabilansu gr „B”, które występują w zatwierdzonej dokumentacji. Dotyczy to przede wszystkim pokładów grupy
500. Zasoby w złożu „Chwałowice” zostały przedstawione
na rysunku 10. Przyjęte kryteria do PZW metodą szybową
Złoża Kompanii Węglowej S.A. w Górnośląskim
Zagłębiu Węglowym mogą być objęte w niewielkim zakresie podziemnym zgazowaniem węgla metodą szybową.
Wyselekcjonowana baza zasobowa obejmuje pięć złóż
KW, tj.: „Sośnica”, „Piast”, „Ziemowit”, „Chwałowice”
i „Jankowice”. Zasoby potencjalnie atrakcyjne dla PZW do
głębokości 1000 m dla metody szybowej wynoszą ponad
700 mln t. Należy jednak pamiętać, że wyeksploatowanie tą
metodą małych fragmentów najatrakcyjniejszych partii pokładów może przeszkodzić w wybraniu pozostałych technikami
konwencjonalnymi. Dlatego najbardziej racjonalnym zagospodarowaniem tych zasobów metodą szybową PZW, będzie
zastosowanie jej w końcowej fazie produkcyjnej kopalni.
W analizowanych złożach występują również pokłady
zalegające poniżej 1000 m nadające się do metody wiertniczo-szybowej tzw. hybrydowej, które nie są przedmiotem
niniejszego artykułu. Projektowanie podziemnego zgazowania wymaga jednak całościowego spojrzenia na racjonalną
gospodarkę złożami.
Potencjalna eksploatacja fragmentów złóż metodą szybową będzie musiała uwzględnić również bezpieczeństwo
związane z możliwością migracją gazów, jak również uwarunkowania środowiskowe, która ograniczy również bazę
zasobową.
Pracę wykonano w ramach zadania badawczego pt
„Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej” finansowanego przez NCBR w ramach strategicznego programu
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 8. Zasoby w poszczególnych pokładach złoża „Jankowice”. Na wykresie zostały pokazane zasoby bilansowe i zasoby, które spełniają kryteria do zgazowania pod kątem
miąższości, typu węgla i powierzchni parceli kolorem czerwonym
Fig. 8. Coal seams resources in “Jankowice” deposit. The bar graph shows the anticipated
economic resources and resources which meet the criteria for underground coal gasification with regard to thickness, the type of coal and the area of the parcel (red color)
Rys. 9. Mapa pokładu 506 – zasoby przydatne do podziemnego zgazowania węgla
Fig. 9. Map of coal seam no. 506 – coal resources which meet the criteria for underground coal gasification
25
26
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 10. Zasoby w poszczególnych pokładach złoża „Chwałowice”*
Fig. 10. Coal seams resources in “Chwałowice” deposit*
*do PZW zaliczone zostały także zasoby należące do pozabilansu grupy „B”, które jeszcze występują w zatwierdzonej dokumentacji złoża
*anticipated sub-economic “B” group resources are added to the resources suitable for underground coal gasification (that still exist in the approved resources of the last geological documentation)
2014
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
27
Rys. 11. Mapa pokładu 412/2 – złoże „Chwałowice”*
Fig. 11. Map of coal seam no. 412/2 – “Chwałowice” deposit*
* do PZW zaliczone zostały także zasoby należące do pozabilansu grupy „B”, które
jeszcze występują w zatwierdzonej dokumentacji złoża
* anticipated sub-economic „B” group resources are added to the resources suitable
for underground coal gasification (that still exist in the approved resources of the last
geological documentation)
badań naukowych i prac rozwojowych pt.: „Zaawansowane
technologie pozyskiwania energii” oraz częściowo w ramach
badań statutowych KGZiG AGH.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Dokumentacja geologiczna złoża węgla kamiennego KWK „Sośnica”
zalegającego w OG Sośnica III w kat. A, B, C1, C2. Tychy 1994.
Dodatek nr 6 do projektu zagospodarowania złoża węgla kamiennego
„Sośnica” na lata 2006-2020. Katowice 2006.
Dodatek nr 1 do dokumentacji geologicznej złoża węgla kamiennego
„Piast” w kategorii A+B+C1+C2 w miejsc. Bieruń, Bojszowy, Chełmek,
Chełm Śląski, Lędziny, Oświęcim. Katowice 2007.
Dodatek nr 1 do projektu zagospodarowania złoża węgla kamiennego
„Piast”. Katowice 2011.
Dokumentacja geologiczna w Kat. A, B, C1 i C2 złoża węgla kamiennego
„Ziemowit”. Katowice 2001.
Dokumentacja geologiczna w kat. A, B, C1, C2 złoża węgla kamiennego
KWK "Chwałowice" w miejsc. Rybnik. Wrocław 1995.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Dodatek nr 2 do Projektu Zagospodarowania Złoża węgla kamiennego
„Chwałowice” na lata 2004-2014. Katowice 2004.
Dodatek nr 2 do dokumentacji geologicznej złoża węgla kamiennego
KWK „Jankowice”. Cieszyn 2013.
Drzewiecki J.: The basic technological conditions of underground coal
gasification (UCG). AGH Journal of Mining and Geoinginering. Vol.
36, No 1, p. 117-124, 2012.
Hajdo S., Klich J., Ptak K.: Uwarunkowania podziemnego zgazowania węgla
– 100 lat rozwoju metody. Górn. i Geoinż., R. 34, z. 4, s. 225 ÷ 235, 2010.
Ludwik-Pardała M., Niemotko K.: Przegląd metod podziemnego zgazowania węgla na podstawie wybranych przeprowadzonych prób na
świecie. Przegl. Górn., 2, s. 8÷16, 2013.
Nieć M.: Geologiczne bariery i ograniczenia dla podziemnego zgazowania węgla. Biul. PIG 448, s.183÷194, 2012.
Nieć M., Chećko J., Górecki J., Sermet E.: Uwarunkowania geologiczno-złożowe stosowania PZW w polskich złożach węgla kamiennego,
Przegl. Górn., 2, s. 26÷36, 2013.
Sermet E., Górecki J.: Podstawowe kryteria możliwości podziemnego
zgazowania węgla w Lubelskim Zagłębiu Węglowym. Zesz. Nauk.
IGSMiE PAN, nr 83, s. 185÷192, 2012.
28
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.553.96: 622.553.94
Stan bazy zasobowej węgli w Polsce i jej problemy złożowo-środowiskowe w odniesieniu do eksploatacji metodą
podziemnego zgazowania
State of the resources base of coal in Poland and deposit and environmental
problems in relation to the underground coal gasification process
Prof. dr hab. inż. Marek Nieć*)
dr inż. Jarosław Chećko**)
Dr inż. Jerzy Górecki*)
Dr inż. Edyta Sermet*)
Treść: Ewidencjonowane w Polsce zasoby geologiczne złóż węgla kamiennego i brunatnego są bardzo duże. Istnieje jednak szereg
ograniczeń dla wykorzystania złóż węgli przy zastosowaniu podziemnego zgazowania węgla (PZW). Są to miąższość pokładu/
złoża, warunki hydrogeologiczne złoża i jego otoczenia, rodzaj, budowa i grubość nadkładu, tektonika, budowa wewnętrzna
złoża (ciągłość, przerosty skał płonnych itp.). Efektem gazyfikacji są m.in. toksyczne produkty ciekłe i gazowe. Ich emisja do
środowiska może powodować skażenia np. wód podziemnych, a także poważne zagrożenia dla bezpieczeństwa publicznego
(np. migracja CO, CH4). Innymi negatywnymi zjawiskami mogą być deformacje i osiadanie powierzchni terenu.
Abstract: Registered geological resources of hard coal and lignite deposits are very large in Poland. However there are lots of limits to
the use of coal deposits by applying the underground coal gasification (UCG). These are: seam or deposit thickness, hydrogeological conditions of the deposit and its environment, type, structure and thickness of the overburden, tectonics, structure
of the deposit. The overburden increased permeability and subsidence, gas (CO, CO2, H2) and organic pyrolysis products
emission, possible water and air contamination are the main negative events related to underground coal gasification.
Słowa kluczowe:
złoża węgla kamiennego, złoża węgla brunatnego, podziemne zgazowanie węgla (PZW), złożowo-środowiskowe warunki stosowania PZW
Key words:
hard coal deposits, brown coal deposits, underground coal gasification (UCG), deposit and environmental conditions for the UCG application
*) AGH w Krakowie, **) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
1. Wprowadzenie
Trudności, na jakie napotyka tradycyjna eksploatacja złóż
węgli, zarówno podziemna, jak i odkrywkowa powodują, że
duże nadzieje wiąże się ich wykorzystaniem metodą podziemnego zgazowania (PZW). Podejmowane były liczne próby
podziemnego zgazowywania węgla w wielu krajach [13, 11,
14, 19]. W trzech przypadkach udało się uruchomić eksploatację na skalę przemysłową węgli kamiennych niskiej klasy
w zagłębiu kuznieckim w okresie 26 lat oraz twardych węgli
brunatnych w zagłębiu podmoskiewskim w okresie 15 lat,
a także na złożu Angren w Uzbekistanie trwającą od 1965 r.
[12]. We wszystkich przypadkach uzyskiwano gaz o wartości opałowej 700 ÷ 900 kcal/m3 użytkowany na cele lokalne
w odległości do 30km od miejsca pozyskania. Zgazowywanych
rocznie było 36 ÷ 79 tys. t węgla [12]. Próbną eksploatację
uruchomiono także w Australii na złożu Chinchilla [9].
Rosnące zainteresowanie możliwością eksploatacji węgla
tą metodą skłania do rozważania jej zastosowania w złożach
polskich [20, 3, 11]. Do czasu podjęcia systematycznych badań nad możliwością stosowania PZW, w wielu publikacjach
krajowych i zagranicznych prezentowano, w sposób bezkrytyczny, całą bazę zasobową złóż węgli w Polsce jako podstawę
dla optymistycznej oceny możliwości stosowania tej metody
na szeroką skalę [4, 5, 6, 3, 33]. Zakładano, że PZW może
być alternatywą dla konwencjonalnych metod eksploatacji
węgla, w szczególności w pokładach, których eksploatacja
nie może być podejmowana ze względów ekonomicznych lub
z powodu istniejących zagrożeń, w szczególności w pokładach cienkich, na dużej głębokości, a także w resztkach nie
wyeksploatowanych pokładów w likwidowanych kopalniach
[5, 33] oraz, że pozwoli ono na bardziej efektywne i mniej
kosztowne wykorzystanie zasobów [28, 22, 23].
Opinie te budziły zastrzeżenia [24, 17]. Zwracano uwagę
na znaczenie znajomości budowy geologicznej dla właściwego projektowania podziemnego zgazowania oraz wpływ
czynników geologicznych na przebieg procesu PZW i jego
efektywność [28, 24, 17, 10].
2. Problemy podziemnego zgazowania węgla
W 2010 r. podjęte zostały systematyczne prace w celu
oceny możliwości stosowania PZW i oceny zasobów realnie
przydatnych do takiej eksploatacji z uwzględnieniem specyficznych cech budowy geologicznej polskich zagłębi węglowych oraz warunków występowania i właściwości pokładów
węgla. Realizowane są one w ramach strategicznego programu
badań naukowych i prac rozwojowych pt.: „Zaawansowane
technologie pozyskiwania energii”, finansowanego przez
Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, w zadaniu badawczym
„Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”. Celem jest
29
„Opracowanie szczegółowej bazy danych węgli krajowych
dla procesu zgazowania” (temat badawczy 1).
Ewidencjonowane w Polsce zasoby węgla kamiennego
w pokładach o miąższości ponad 1 m i węgla brunatnego (miękkiego) w pokładach o grubości ponad 3 m są bardzo duże (tabl.
1). Istnieje jednak wiele ograniczeń dla wykorzystania złóż
węgli przy zastosowaniu podziemnego zgazowania. Zmuszają
one do krytycznej oceny możliwości stosowania tej metody.
Rozpatrywana jest możliwość podziemnego zgazowania
węgla w trzech wariantach:
– za pomocą otworów wierconych z powierzchni,
– w złożu udostępnionym wyrobiskami górniczymi,
– za pomocą otworów wierconych z wyrobisk górniczych
(tzw. metodą hybrydową).
Podstawowymi czynnikami geologicznymi istotnymi dla
prowadzenia takiej eksploatacji są:
– miąższość złoża,
– warunki hydrogeologiczne złoża i jego otoczenia,
– rodzaj, budowa i grubość nadkładu,
– tektonika złoża,
– rodzaj i właściwości skał budujących złoże i ich zmiany
w wyniku eksploatacji,
– budowa wewnętrzna złoża (jego ciągłość, przerosty skał
płonnych itp.).
Produktem zgazowania jest gaz o złożonym składzie,
w którym, w zależności od sposobu realizacji procesu poważny udział, nawet do kilkudziesięciu procent mają składniki
toksyczne w szczególności CO. Ubocznym efektem zgazowania są produkty wyprzedzającej pirolizy węgla, na przykład
fenole. Podstawowym pytaniem jest czy PZW stanowi szanse
czy zagrożenie dla bezpiecznej i racjonalnej gospodarki złożem spełniającej wymagania ochrony środowiska.
Podstawową trudnością w ocenie bazy zasobowej złóż do
PZW jest brak wyczerpujących i jednoznacznych informacji,
jakie wymagania musi spełniać złoże węgla i poszczególne
pokłady by mogły kwalifikować się do eksploatacji tą metodą,
w szczególności w złożach wielopokładowych. Nie uzyskano
ich dotychczas mimo licznych, podejmowanych prób stosowania PZW. Przedstawiane w wielu publikacjach takie wymagania stanowią oceny eksperckie nie popierane uzasadnieniem.
Jedynymi kryteriami, które są dotychczas dostatecznie
udokumentowane przez doświadczenia praktyczne są:
– miąższość pokładów węgla,
– typ węgla.
Efektywny przebieg procesu, oceniany na podstawie
wartości opałowej uzyskiwanego gazu ma miejsce, gdy prowadzona jest gazyfikacja pokładów o miąższości ponad 2 m
[12]. Może być zadowalający jeszcze przy miąższości ok. 1,5
m, ale gdy jest ona mniejsza, efektywność procesu gwałtownie spada (rys. 1). Do podobnego wniosku prowadzi także
analiza kosztów podziemnej gazyfikacji [23]. W przypadku
małej miąższości pokładów istotne znaczenie dla przebiegu
gazyfikacji mają straty ciepła w stropie i spągu pokładu.
Tablica 1. Zasoby złóż węgli w Polsce (mld t) wg [35, 38]
Table 1. Resources of coal in Poland (mld t) acc. to [35, 38]
WĘGIEL KAMIENNY
Ogółem
Złoża zagospodarowane
WĘGIEL
BRUNATNY
Ogółem
Złoża zagospodarowane
Łącznie
48,2
19,1
Udokumentowane bilansowe
do 1000 m
typ 31-33
typ 34-37
34,5
12,9
11,4
7,7
Udokumentowane bilansowe
do 350 m
22,6
1,59
Prognostyczne
poniżej 1000 m
34,6
Prognostyczne
do 350 m
27,5
30
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 1.Zależność wartości opałowej gazu Q (kcal/m3) od miąższości złoża H (m) i dopływu wody q (m3/t) [wg. 12]
Fig. 1. Relation of heating value of the gas Q (kcal/m3) from
deposit thickness H (m) and water inflow q (m3/t) [after
12]
Również duże straty ciepła powoduje wysoka wilgotność
węgla. Na podstawie doświadczeń gazyfikacji naziemnej
w reaktorze fluidalnym można przyjąć, że powinna być ona
mniejsza od 15 % [32].
Istotne znaczenie dla efektywności procesu, mierzonej
kalorycznością uzyskiwanych produktów gazowych, ma
zawodnienie złoża (rys. 1). W przypadku złóż zawodnionych
2014
i występowania utworów wodonośnych bezpośrednio w otoczeniu złoża niezbędne jest ich odwodnienie.
Na skalę przemysłową udało się dotychczas prowadzić podziemne zgazowanie węgli brunatnych twardych.
Przyjmuje się, że do tego procesu nadają się tylko węgle
o niskiej spiekalności [16 wg 30]. Według doświadczeń zgazowania naziemnego w reaktorze fluidalnym nie kwalifikują się
do zgazowania węgle o wskaźniku spiekalności wyrażonym
indeksem Rogi ponad 15, a zatem już węgle typu 32.2, 33
oraz koksowe typu 34, 35 i wyższych [32]. Kwestia możliwej
gazyfikacji węgli o dużej spiekalności, zwłaszcza w złożu
(„in situ”) nie jest dostatecznie wyjaśniona. Można jedynie
przypuszczać, że w przypadku gazyfikacji węgli koksowych,
które na dużej głębokości mają małą porowatość, wystąpią
zjawiska uszczelniania gazogeneratora przez produkty pirolizy
poprzedzającej samo zgazowanie, które będą utrudniać jego
prowadzenie. Można też przypuszczać, że zmienność jakości
węgla jest jednym z czynników zróżnicowania składu produktów gazyfikacji, ale brak na ten temat dostatecznych danych.
W przypadku zgazowania naziemnego za parametr kluczowy podawana jest zawartość chloru, która powinna wynosić poniżej 0,1 %. Można w związku z tym żywić obawy,
że utrudniać może ona proces gazyfikacji węgla na dużych
głębokościach, gdy w serii węglonośnej występują wody
zasolone i solanki.
Na przebieg procesu zgazowania węgla w złożu i jego
efekty ma także wpływ budowa wewnętrzna pokładu, w szczególności jego ciągłość, obecność i rozmieszczenie przerostów
płonnych oraz zmienność jakości węgla. Brak jednak na ten
temat dostatecznych danych.
3. Problem szczelności górotworu
Efektem gazyfikacji są toksyczne produkty ciekłe i gazowe. Emisja ich do środowiska może powodować jego skażenia
i poważne zagrożenia (rys. 2). Mogą się one ujawniać nawet
Rys. 2.Osiadanie i spękania nadkładu, deformacje powierzchni terenu, emisja gazów
(CO, CO2, H2, związków organicznych), możliwe zanieczyszczenie wód podziemnych i atmosfery w związku z eksploatacją węgla metodą podziemnego zgazowania [wg 17, zmodyfikowany]
Fig. 2. Overburden increased permeability and subsidence, gas (CO, CO2, H2) and organic pyrolysis products emission, possible water and air contamination, related
to underground coal gasification process [after 17]
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
po znacznym upływie czasu, zależne od okresu i dróg migracji tych produktów w otoczeniu gazogeneratora. Substancje
gazowe, a także ciekłe, powstające w pierwszej fazie koksowania węgla w wysokiej temperaturze, poprzedzającej fazę
gazyfikacji stwarzają zagrożenie zanieczyszczeniem wód
podziemnych [30]. Zwraca się uwagę w szczególności na
fenole, jako charakterystyczne, wykrywane produkty gazyfikacji [39]. Migracja gazów do powierzchni (w szczególności
CO, CH4) może powodować bezpośrednie zagrożenie dla
bezpieczeństwa publicznego. Zgodnie przyjmuje się zatem, że
istotną cechą pokładu i przestrzeni, w której prowadzona jest
gazyfikacja (gazogeneratora) jest jego izolacja od powierzchni, zbiorników wód podziemnych i poziomów wodonośnych.
Wymaganie szczelności gazogeneratora, jego izolacja, ma
dwojakie znaczenie:
– zabezpieczenie przed dopływem wody z zewnątrz z poziomów wodonośnych,
– zabezpieczenie środowiska przed skażeniem: wód
podziemnych przez produkty ciekłe pirolizy węgla
(w szczególności fenole) oraz wód powierzchniowych,
podziemnych i atmosfery przez gazowe produkty gazyfikacji (CO, CH4, NH3, H2S).
Całkowicie brak jest niestety danych zarówno doświadczalnych, jak i modelowych na temat warunków, jakie muszą
być spełnione by odpowiednia szczelność była zapewniona.
Brak w związku z tym danych odnośnie niezbędnej minimalnej miąższości utworów izolujących pokład, nieprzepuszczalnych dla toksycznych produktów zgazowania,
w szczególności po naruszeniu tych utworów przez deformacje poeksploatacyjne i przemiany fazowe skał pod wpływem
wysokiej temperatury. Wypowiadane opinie na temat wymaganej miąższości skał nieprzepuszczalnych, izolujących gazogenerator są bardzo zróżnicowane. Podawane są wielkości
od 10 do 100 m. Hajdo i Herbich [15] uważają, że powinna
ona wynosić 2,74 grubości pokładu węgla, ale jest to ocena
bardzo zaniżona, uwzględniająca tylko strefę zawału i spękań
z nią bezpośrednio związanych.
Powyżej zawału powstaje strefa spękań. Przyjmuje się, że
jej miąższość jest równa około 40 krotnej grubości pokładu
[18]. Podawane są także wartości równe 20÷100-krotnej
miąższości warstwy wybranej, a wysokość strefy spękań
połączonych w której zachodzić może swobodny przepływ
płynów szacuje się na 19 ÷ 41 m [29].
Zakłada się też, że wysokość strefy zwiększonej przepuszczalności H zależy od długości gazoreaktora L [34].
Wynosi ona
Hg = L/Gg
gdzie Gg – współczynnik 1,45 dla pokładów poziomych
wzrastający do 2,12 dla pokładów nachylonych pod
kątem 50°.
Zasięg strefy spękań w poziomie zależy od wysokości a
nad gazoreaktorem i wynosi
Xg= L – a Gg
Strefa wzmożonej przepuszczalności może występować
także poniżej gazoreaktora i jej głębokość wynosi
Hd = L/Gd
gdzie Gd – współczynnik 3,91 dla pokładów poziomych
wzrastający do 5,33 dla pokładów nachylonych pod
kątem 50°.
Zasięg strefy wzmożonej przepuszczalności w poziomie
zależy od głębokości b poniżej gazoreaktora i wynosi:
Xd= L – b Gd
31
Poza strefą spękań, w skałach porowatych, np. w piaskowcach możliwa jest migracja gazów (szczególnie CO) na
znaczną odległość, dochodzącą nawet do 133 m.
Można przyjąć, że przy uwzględnieniu pełnego zawału
stropu nad gazogeneratorem i samopodsadzenia przestrzeni
wyeksploatowanej na wysokość równą 5 M (gdzie M miąższość pokładu przy założeniu współczynnika rozluźnienia skał
w zawale 1,2), miąższość strefy poeksploatacyjnych spękań
łącznie ze strefą zawału wyniesie 60 do 70 m (dla pokładów
o miąższości 2 ÷ 4 m). Zakładając, że nienaruszona, wyżej
leżąca izolująca warstwa skał nieprzepuszczalnych powinna
mieć grubość co najmniej 10 m, gazogenerator powinien
być odległy od utworów zawodnionych w stopie o minimum
70 ÷ 80 m. Ze względu na niejednorodność litologiczną
utworów karbońskich powinno się przyjmować tą odległość
około 100 m. Odpowiada to miąższości półki ochronnej
przyjmowanej w Lubelskim Zagłębiu Węglowym dla serii
węglonośnej występującej pod zawodnionym nadkładem
utworów jurajskich i kredowych. Zarazem jest to odległość
przyjmowana jako zasięg migracji gazów w stropie wyrobiska eksploatacyjnego [21]. Należy też mieć na uwadze, że w
górotworze zbudowanym z warstw o różnych parametrach
fizycznych następuje nierównomierne uginanie warstw
i tworzyć się mogą między nimi pustki („pustki Webera”)
zapełniane przez gazy toksyczne.
Warunkiem szczelności gazogeneratora jest brak zaburzeń
tektonicznych, uskokowych, naruszających ciągłość pokładu
i stanowiących potencjalne drogi migracji gazowych produktów reakcji do otoczenia. Na temat niezbędnej odległości
gazogeneratora od uskoków brak jest również przekonywających danych Przyjmuje się, że nie powinny one występować
w promieniu od 50 m do 1 km.
Nieuniknionym efektem eksploatacji jest osiadanie
powierzchni terenu nad wyeksploatowaną częścią złoża.
Wielkość obniżeń zależy od jego miąższości i stopnia wypełnienia przestrzeni wyeksploatowanej. Brak możności
bezpośredniego sterowania przebiegiem procesów w złożu
powoduje często nieregularny jego rozwój i w konsekwencji zmienny kształt tej przestrzeni. Istotne znaczenie mają
zwykle w tym przypadku zjawiska tektoniczne i spękania
skał tworzących złoże. Zaburzenia takie naruszają ciągłość
złoża i mogą albo utrudniać prowadzenie eksploatacji, albo
powodować ukierunkowany przebieg procesów wydobywczych i nieregularny kształt przestrzeni poeksploatacyjnej.
Zaburzenia tektoniczne, w szczególności układ spękań,
wpływają na rozwój procesów zgazowania w złożu [27],
a w konsekwencji na kształt przestrzeni wyeksploatowanej
[2]. Zaburzenia tektoniczne, nieciągłe (uskoki, spękania)
naruszają także szczelność nadkładu i wpływają na przebieg
poeksploatacyjnych obniżeń powierzchni.
Przy obecnym stanie wiedzy na temat podziemnego
zgazowania można wskazać warunki, w których jego realizacja powinna być uwieńczona sukcesem oraz takie, które
wykluczają stosowanie tej metody. Można także wskazać
warunki, w których możliwość jej stosowania wymaga badań
i wyjaśnienia (tabl. 2).
4. Problemy stosowania PZW w złożach węgla brunatnego i racjonalnego wykorzystania jego złóż
Warunki stosowania PZW w polskich złożach węgla brunatnego są bardzo trudne ze względu na cechy ich budowy
geologicznej i związany z tym uwarunkowania hydrogeologiczne. Utwory wodonośne występują w bezpośrednim
sąsiedztwie pokładów węgla. Stanowią je osady piaszczyste
w trzeciorzędowej serii węglonośnej, pod powęglowe i nad
32
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Tablica 2. Kryteria kwalifikacji pokładów węgla do podziemnego zgazowania
Table 2. Eligibility criteria for coal seams in underground coal gasification
Cechy złóż pokładów i węgla
stopień uwęglenia (typ
węgla)
zawartość popiołu
Właściwości węgla
wilgotność
zawartość siarki
miąższość
przerosty płonne
Cechy pokładu
skały otaczające
Miąższość nadkładu nieprzepuszczalnego dla gazów
Zuskokowanie
Wymagane
31÷32
do 30 %
do 15 %
do 1 %
ponad 2 (1,5m)
brak
nieprzepuszczalne
mułowce, iłowce piaskowce
małoporowate,
ponad 100 m
brak uskoków
węglowe, oraz obecne w nadkładzie zawodnione osady
czwartorzędowe, często piaski i żwiry wodnolodowcowe.
Wodonośne osady czwartorzędowe wypełniają również rynny
erozyjne i paleodoliny nieraz wcięte głęboko, nawet poniżej
pokładów węgla. Stanowią one często Użytkowe Poziomy
Wodonośne oraz często Główne Zbiorniki Wód Podziemnych
(rys. 3).
Doświadczenia eksploatacji węgla metodą PZW wskazują, że stopień wykorzystania węgla w procesie zgazowania
wynosi: ok. 80 % w przestrzeni roboczej i poniżej 80 % w
przestrzeni złoża [12, 1]. Udział produktów palnych w uzyskiwanym gazie stanowi ok. 70 ÷ 80% według dotychczasowych
doświadczeń eksploatacji. Łącznie wykorzystanie zasobów
złoża wynosi wobec tego do około 50 %, to jest znacznie mniej
niż w przypadku eksploatacji odkrywkowej. Zatem ze względu na wymagania racjonalnego wykorzystania zasobów złóż
jako nieodnawialnego składnika środowiska przyrodniczego
złoża dostępne dla eksploatacji odkrywkowej nie powinny
być przeznaczane do gazyfikacji.
Czynnikiem, który praktycznie uniemożliwia stosowane
PZW jest bardzo duża naturalna wilgotność węgla wynosząca
Niewyjaśniona przydatność
33, 34 i wyższe
Nieprzydatne
15÷20 %
ponad 1 %
1,0÷1,5 (2) m
dopuszczalny maksymalny udział
przerostów i ich miąższość
ponad 20 %
wpływ przeobrażeń termicznych
skał ilastych, węglanowych na
przebieg i efektywność procesu
(straty cieplne)
10÷100 m
uskoki w odległości 50 ÷ 300 m
poniżej 1,0 m
porowate
piaskowce,
piaskowce
zawodnione
poniżej 10 m
sieć uskoków co
50 m
około 50 %. Próby podziemnego zgazowania takiego węgla
w basenie dnieprowskim nie zostały uwieńczone sukcesem
[12]. Można jednakże rozpatrywać możliwości stosowania
PZW w przypadku gdy węgiel została w sposób naturalny
przynajmniej częściowo osuszony [15].
5. Problemy stosowania PZW w złożach węgla kamiennego i racjonalnego wykorzystania jego złóż wielopokładowych
W złożach węgla kamiennego, w Górnośląskim,
Lubelskim i Dolnośląskim Zagłębiu Węglowym wiele czynników ogranicza lub nawet wyklucza możliwość stosowania
PZW (tab. 3).
Jako podstawowe kryteria kwalifikacji pokładów do
PZW przyjęto:
– minimalną miąższość węgla w pokładzie 1,5 m,
– typ węgla 31-33,
– odległość od zawodnionych utworów leżących na serii
węglonośnej 100 m,
Rys. 3.Typowe warunki występowania złóż węgla brunatnego (złoże Trzcianka)
1 – węgiel brunatny, 2 – gliny zwałowe, 3 – iły i mułki trzeciorzędowe, 4 – zawodnione piaski i żwiry
oraz piaski czwartorzędowe, 5 – piaski trzeciorzędowe (a –głównych poziomów wodonośnych, b –
podrzędnych poziomów wodonośnych) GZWP – Główne Zbiorniki Wód Podziemnych
Fig. 3. Natural conditions for lignite deposit occurrence (Trzcianka lignite deposit)
1 – lignite, 2 – quaternary boulder clays, 3 – tertiary clays and silts, 4 – quaternary waterbearing sands
and gravels, 5 – tertiary waterbearing sands (a – main, b – subordinated), GZWP – main protected
aquifers
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
33
Tablica 3. Czynniki ograniczające lub wykluczające (przy obecnym stanie wiedzy) możliwość stosowania PZW [25], uzupełnione)
Table 3. Factors excluding or limiting the possibilities of the UCG process application, acc. to [25]
Zagłębie
DZW
Czynniki ograniczające
niewielki udział węgli typu 32-33
Czynniki wykluczające
Uwagi
nie wyjaśniona możliwość
zgazowania węgli koksowych
i antracytu
zaburzenia tektoniczne
zagrożenia wyrzutami węgla i skał
LZW
GZW
niewyjaśniony wpływ CO2 w
gazach złożowych na przebieg
PZW
pokłady położone blisko stropu
niewielkie fragmenty odosobnionych pokładów o
rozpatrywane mogą być
serii węglonośnej pod nadkładem
miąższości ponad 1,5 m, liczne przerosty płonne
pokłady na głębokości ponad
zawodnionych utworów jurajskich i
w pokładach
800 m
kredowych
częściowo pokłady typu 33 i wyższe,
pokłady o miąższości ponad 1,5 m w serii
Pokłady w krakowskiej serii
mułowcowej (warstwy załęskie i brzeskie)
piaskowcowej (grupy 100 i 200) ze
blisko położone w stosunku do siebie i
względu na wysoką przepuszczalność
innych o miąższości mniejszej. Blisko siebie
piaskowców i występowanie w ich
położone pokłady w warstwach siodłowych
obrębie użytkowych poziomów
(w górnośląskiej serii piaskowcowej) bez
wodonośnych)
dostatecznej wzajemnej izolacji
nie wyjaśniony wpływ
metanonośność pokładów ponad 2 m3/tcsw,
metanonośności węgla na
zwykle poniżej pokładu 328 oraz pod nadkładem
przebieg jego podziemnego
mioceńskim
zgazowania
często przyczyna
częste bardzo silne zuskokowanie
pozostawiania niewybranych
resztek pokładów
znaczny udział węgli koksowych (typ 34 – 35)
nie wyjaśniona możliwość
zwłaszcza w pokładach głęboko położonych
zgazowania węgli koksowych
– odległość od głównych uskoków przynajmniej 50 m,
– minimalne zasoby parceli nienaruszonej uskokami spełniającej wyżej wymienione warunki które powinny zapewnić
efektywne wykorzystanie złoża 3-5 mln t; przy miąższości
pokładu 2 m odpowiada to przeciętnie powierzchni około
1,5 mln m2 (1,5 km2).
Na podstawie szczegółowej analizy map pokładowych
stwierdzono, że powyższe warunki spełnia tylko niewielka część zasobów. W niezagospodarowanych złożach
Rys. 4. Rozmieszczenie zasobów potencjalnie przydatnych do zgazowania w niezagospodarowanym złożu Studzienice (oprac. A. Wątor)
Fig. 4. Spatial distribution of coal seam resources suitable for the UCG in Studzienice coal deposit
(elab. A. Wątor)
w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym stanowią one 16 %,
a w Zagłębiu Lubelskim 10,3 % zasobów bilansowych, to jest
odpowiednio 1,197 i 0,878 mld t. W Dolnośląskim Zagłębiu
Węglowym brak zasobów spełniających kryteria dla stosowania PZW.
W GZW i LZW części pokładów przydatne do PZW
rozrzucone są w pionie i poziomie, nie tworzą zwartych
kompleksów (rys. 4, 5). Rozproszenie to powoduje, że w przypadku stosowania PZW znaczna część zasobów w pokładach
34
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 5. Rozmieszczenie zasobów węgla przydatnych do podziemnego zgazowania w pokładzie 382 w LZW [wg. 31]
Fig. 5. Areas potentially useful for the UCG in the undeveloped LCB deposits of seam no. 382 [acc. to 31]
o mniejszej miąższości nie będzie mogła być wykorzystana.
Stosowanie PZW uniemożliwi racjonalne zagospodarowanie
całości zasobów złoża. Zastosowanie PZW za pomocą otworów wierconych z powierzchni, w złożu wielopokładowym
spowoduje niewielkie wykorzystanie zasobów. W złożu
udostępnionym wyrobiskami górniczymi, może znacznie
utrudnić wykorzystanie zasobów nie przydatnych do PZW
konwencjonalnymi metodami górniczymi z powodu konieczności pozostawiania filarów ochronnych w otoczeniu partii
złoża eksploatowanych metodą ogniową.
PZW nie zapewnia racjonalnego wykorzystania zasobów węgla w złożach wielopokładowych i z tego względu
nie powinno być stosowane. Nie wyklucza to możliwości
eksploatacji węgla metodą zgazowania podziemnego w tych
przypadkach, gdy nie naruszy to możliwości racjonalnego
wykorzystania pozostałych zasobów.
Sugerowana była także i wiązano z tym duże nadzieje,
możliwość podziemnego zgazowania węgla pozostawionego
w likwidowanych kopalniach w resztkach niewybranych pokładów o dużej miąższości. Są to znaczne zasoby wynoszące
w GZW około 3,1 mld t [26], formalnie skreślone z bilansu
zasobów. Występują one jednak w odosobnionych, rozproszonych, nie wielkich fragmentach. Ponadto znajdują się one
w górotworze naruszonym przez eksploatację. Pozostają one
często w kontakcie hydraulicznym z sąsiadującymi czynnymi
kopalniami co stwarza zagrożenie rozpływem produktów
zgazowania [29].
W złożach zagospodarowanych, nie przewidziane do
eksploatacji fragmenty pokładów, których zasoby kwalifikowane są jako nieprzemysłowe są zwykle małe, oddzielone od
reszty pokładu albo dużymi uskokami (rys 6), albo są silnie
tektonicznie zaburzone (co jest powodem niekwalifikowania
ich zasobów jako przemysłowych). Przeciętnie zasoby takich
fragmentów wynoszą 0,03 – 1,48 mln t (średnio 0,6 mln t)
rzadko wynoszą ponad 3 mln t (ok. 5%) i tylko wyjątkowo
dochodzą do 5 mln t. [37, 7].
W złożach, których eksploatacja została zaniechana
przydatne do zgazowania może być tylko około 7% pozostawionych zasobów to jest 0,086 mld t. Warunki występowania
„resztek” pokładów, w otoczeniu starych zrobów, często silne
ich zuskokowanie (rys. 7) w zasadzie wykluczają możliwość
ich eksploatacji metodą podziemnego zgazowania.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
35
Rys. 6.Typowe warunki występowania zasobów resztkowych
A – zasoby tracone w parcelach oddzielonych uskokami, B – zasoby tracone w otoczeniu pól ścianowych i strefach
zuskokowanych
Fig. 6. Natural conditions for remaining resources occurence
A – resources in fault-separated blocks, B – resources surrounding longwall panels and faulted zones
węgla kamiennego sposobem podziemnego zgazowania.
Myślą przewodnią jest możliwość jej stosowania do eksploatacji głęboko położonych pokładów węgla, znajdujących się
w szczególności na głębokości poniżej 1000 m, które mogą
być niedostępne dla eksploatacji tradycyjną metodą podziemną, „szybową” (z powodu zagrożeń naturalnych lub przyczyn
ekonomicznych).
Zasadnicze znaczenie na głębokości ponad 1000 m mają
zasoby w pokładach grubych o miąższości ponad 1,5 m.
W pokładach takich znajduje się w GZW około 60 % zasobów. Występują one przede wszystkim w górnośląskiej serii
piaskowcowej w warstwach rudzkich i siodłowych, przede
wszystkim na obrzeżeniu niecki głównej i w południowej
części GZW. Na uwagę zasługują w szczególności bardzo
grube pokłady, wstępujące na dużym obszarze, np. 405
i 510 (rys. 7). W przeważającej ilości poniżej 1000 m występują węgle koksowe (typ 34-35) stanowiące 88 % zasobów
prognostycznych. Wyjaśnienie możliwości ich zgazowania
w złożu (in situ) ma istotne znaczenie dla prognoz powodzenia
stosowania „hybrydowej” metody PZW (tabl. 4).
Tablica 4. Szanse i trudności stosowania metody hybrydowej
ilustruje uproszczona analiza SWOT
Rys. 7.Obszar występowania pokładu 510 w GZW na głębokości 1000 ÷ 1500 m (zaszrafowany
Fig. 7. Area (dashed) of occurrence of the seam no. 510 at the
depth of 1000 ÷1500 m in the Upper Silesian Coal Basin
6. Możliwości stosowania PZW za pomocą otworów wierconych z wyrobisk górniczych (metodą „hybrydową”)
Duże nadzieje wiąże się z możliwością stosowania metody górniczo-wiertniczej (hybrydowej) do eksploatacji węgla
metodą podziemnego zgazowania [8]. Stanowi ona propozycję
oryginalnego nowatorskiego podejścia do eksploatacji złóż
S – Mocne strony:
Duże zasoby w GZW
w pokładach o miąższości
ponad 1,5 m, nienaruszone
przez wcześniejszą
z eksploatację;
O – Szanse
Udostępnienie złoża na
wyższych poziomach
wyrobiskami górniczymi;
W – Słabe strony
Niski stopień rozpoznania złoża;
Trudność wykonania otworów wiertniczych
o dużej głębokości z wyrobisk górniczych;
Niewyjaśniona możliwość zgazowania
węgla typu 34-35;
Konieczność utrzymania wyżej położnych
wyrobisk udostępniających i odwadniania
górotworu
T – Zagrożenia
Wysoka metanonośność pokładów;
Możliwość dalekiej migracji toksycznych
produktów gazowych;
36
PRZEGLĄD GÓRNICZY
7. Wnioski
Analiza warunków geologicznych polskich zagłębi węglowych (GZW, LZW i DZW) wykazała, że stwarzają one ograniczenia, a niekiedy barierę dla bezpiecznego stosowania PZW.
Przy obecnym stanie wiedzy, z punktu widzenia racjonalnego wykorzystania zasobów, wielopokładowych złóż węgla
kamiennego, które można eksploatować w sposób tradycyjny,
stosowanie metody podziemnego zgazowania nie jest wskazane ze względu na:
– ograniczone wykorzystanie zasobów,
– stwarzane zagrożenia przez migrację toksycznych produktów zgazowania, PZW może być stosowne tylko w
szczególnych przypadkach.
W złożach węgla brunatnego zasadniczą barierę dla
stosowania podziemnego zgazowania jest duża wilgotność
naturalna węgla.
Zagadnieniami kluczowymi dla wyjaśnienia możliwości
szerszego zastosowania PZW jest wyjaśnienie:
– zasięgu i dróg migracji toksycznych gazów w górotworze,
– możliwości zgazowania „in situ” węgli koksowych typu
34-35 i wyższych,
– możliwości zgazowania w złożu węgla brunatnego o dużej
wilgotności.
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac
rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania
energii”.
Literatura
Arens V. Ż.: Skvażinnaja dobycza poleznych iskopajemych. Niedra.
Moskva 1986
2. Bartke T. C., Gunn R. D.: The Hanna, Wyoming underground coal
gasification field test series. In: Underground gasification: the state of
the art. AIChE Symp. Ser. V. 79, Nr 226, 1983, p. 4÷14
3. Bednarczyk J.: Rozwój technologii podziemnego zgazowania węgla i
perspektywy jej przemysłowego wdrożenia. Górn. i Geoinż. r. 31, z. 3,
2007
4. Białecka B.: Estimation of coal resources for UCG in the Upper Silesian
Coal Basin, Poland. Nat. Resources Research. V.17, nr 1, 2008a p. 21÷28
5. Białecka B.: Podziemne zgazowanie węgla. Podstawy procesu decyzyjnego. Prace GIG, Katowice 2008b
6. Białecka B.: An assessment of prospective reserves for underground coal
gasification in Poland. In: Deep mining challenges. International Mining
Forum 2009. CRC Press/Balcema. London et al. 2009 p. 157÷168
7. Cebula C., Słota M., Wrana A.: Inwentaryzacja resztek pokładów węgla,
oraz analiza mechanizmów ich powstawania na przykładzie kopalni
„Piekary”. Wiad. Górnicze, nr 2, 2012 s. 74÷79
8. Czaja P., Klich J., Tajduś A.: Metoda pozyskiwania pierwotnych nośników energii ze złóż węgla kamiennego na drodze odmetanowania
i zgazowania in situ. Polityka Energetyczna t. 16, z. 3, 2013a, s. 83÷98
9. Czaja P., Kwaśniewski K., Polak K., Różkowski K.: Podziemne zgazowanie węgla (PZW) – instalacja badawcza Chinchilla w Autralii. Przegl.
Górn. nr 2, 2013b, s. 131÷138
10. Drzewiecki J.: Kryteria technologiczne i środowiskowe podziemnego
zgazowania węgla. Opracowane technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej. Mat. Arch.
GIG, Katowice 2011
11. Dubiński J., Rogut J., Czaplicka K., Tokarz A.: Coal mine of 21st: In
situ producer of energy, fuels and chemicals. In: New technological
1.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
2014
solutions in underground mining. International Mining Forum 2006.
Taylor&Francis. London, 2008, p.1÷13
Fyodorov N. A., Kreinin E. V., Zvygiantsev K. N.: Underground coal
gasification and its application in world practice. In; Energy resources
of the world. 27th nt. Geol. Congress. Coll 02 Reports vol. 2, 1984,
p.121 – 133. P.O.Nauka. Moscow
Green M.: Underground coal gasification, state of the art. Clean Coal
Conf. Bedewo, Poland 2008
Hajdo S., Klich J., Ptak K.: Uwarunkowania podziemnego zgazowania
węgla – 100 lat rozwoju metody. Górn. i Geoinż. R. 34, z. 4, 2010 s.
225÷235
Hajdo S., Herbich P.: Uwarunkowania technologiczno-złożowe I
środowiskowe kwalifikacji złóż węgla brunatnego do podziemnego
zgazowania. Przegl. Górn. Nr 2, 2013, s. 148÷158.
Hyder Z.: Site characterization, sustainability evaluation and life cycle
emissions assessment of underground coal gasification. Blacksburg,
Virginia 2012
Kasztelewicz Z., Ptak K., Zajączkowski M.: Szanse i zagrożenia podziemnego zgazowania węgla. Przegl. Górn. Nr 1-2, 2009, s. 8÷11
Kidybiński A., Siemek J., red. Podziemne magazyny gazu w zaniechanych kopalniach węgla. GIG, Katowice 2006
Kler W.R.: Izuczenije i geołogo-ekonomiczskaja ocenka kaczestva uglej
pri geołogorazviedocznych rabotach. Niedra. Moskva 1975
Kowol K.: Szanse i perspektywy podziemnego zgazowania węgla.
Szkoła Ekspl. Podziemnej. Symp. i Konf. IGSMiE PAN, 1997
Kozłowski B., Grębski Z.: Odmetanowanie górotworu w kopalniach.
Wyd. Śląsk, Katowice 1982
Magda R.: Ekonomiczne aspekty podziemnego zgazowania węgla – na
przykładzie złoża Seelyville w stanie Indiana. Polit. Energet. T. 15, z.
1, 2012, s. 21÷34
Magda R., Franik T., Woźny T., Załucki J.: Próba oszacowania kosztów
procesu podziemnego zgazowania węgla kamiennego Polit. Energet. t.
15, z. 2, 2012, s. 71÷85
Nieć M.: Uwarunkowania geologiczne eksploatacji otworowej złóż
kopalin stałych i podziemnego zgazowania węgla. Szkoła Ekspl.
Podziemnej. Symp. i Konf. IGSMiE PAN nr 74, 2009, s. 73÷84
Nieć M.: Geologiczne bariery i ograniczenia dla podziemnego zgazowania węgla. Biul PIG 448, 2012, s. 183÷194
Nieć M., Młynarczyk M.: (w druku) – Gospodarowanie zasobami węgla
kamiennego w Polsce.
Orłov G. V., Katajev A. B.: Opredielenije treszczinovatosti ugolnogo
płasta pri podziemnoj gazifikacji uglej. Geołogija, metody poiskov i
razviedki mioestorożdienij tviordych gorjuczich iskopajemych. Ekspres.
Inform. Min. Geoł. SSSR, wyp.9, Moskva 1988
Palarski J., Wirth H., Karaś H.: Koncepcja eksploatacji złóż węgla
brunatnego z zastosowaniem technologii zgazowania termicznego.
Szkoła Ekspl. Podziemnej. Symp. i Konf. IGSMiE PAN nr 74, 2009,
s. 41÷53
Palarski J., Strozik G., Jendruś R.: Wpływ deformacji górotworu na warunki ochrony powierzchni oraz zasobów użytkowych wód podziemnych
przy podziemnym zgazowaniu węgla. Mat. Konf. XII dni miernictwa
górniczego i ochrony terenów górnczych. Brenna, 2013, s. 406÷417
Salamon K., Kobiesz J.: Wybrane aspekty zagrożeń związanych
z próbami podziemnego zgazowania węgla. Przegl. Górn. nr 12, 2013,
s. 23÷31
Sermet E., Górecki J.: Ocena potencjału zasobowego złóż Lubelskiego
Zagłębia Węglowego do podziemnego zgazowania węgla. Górn.
Odkrywk. r. 55, nr 2-3, 2014, s. 80÷84
Sobolewski A., Chmielniak T., Topolnicka T., Giesa N.: Dobór węgli do
zgazowania w ciśnieniowym reaktorze fluidalnym. Karbo, r. 58, nr 1,
2013, s. 28÷38
Stańczyk K.: Czyste technologie użytkowania węgla, Wyd. GIG,
Katowice 2008
Szlązak N.: Uwarunkowania wentylacyjne i zabezpieczenia pożarowe
w procesie podziemnego zgazowania węgla w gazogeneratorze wykonanym w podziemnych wyrobiskach kopalni. Raport końcowy, AGH,
Kraków. Nie pub. 2013
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
35. Szuflicki M., Malon A., Tymiński M.: Bilans zasobów złóż kopalin w
Polsce wg. stanu na 31.XII.2012 r. PIG- PIB, Warszawa 2011
36. Underground gasification: the state of the art. AIChE Symp. Ser. V. 79,
nr 226, 1983
37. Turek M., Lubosik Z.: Identyfikacja resztkowych parcel pokładów węgla
kamiennego. Wiad. Górnicze, nr 3, 2008, s. 182÷189
37
38. Wołkowicz S., Smakowski T., Speczik S.: red. Bilans perspektywicznych
zasobów kopalin Polski. PIG-PIB, Warszawa 2011
39. Wong F.T., Mead S.W.: Water quality monitoring at the Hoe Creek
test site: review and preliminary conclusions. Underground gasification: the state of the art. AIChE Symp. Ser. V. 79, nr 226, 1983
s. 154÷173
38
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.332: 622.1:550.8: 622.332.552: 66.014
Zróżnicowanie bazy zasobowej węgla brunatnego w Polsce
dla produkcji gazu metodą naziemnego i podziemnego
zgazowania
Diversification of lignite resource base in Poland for the production of gas using
both surface and underground gasification
Doc. dr inż. Kazimierz Matl*)
prof. dr hab. inż. Zbigniew
Kasztelewicz*)
dr inż. Barbara Bielowicz*)
dr Jacek Kasiński*)
dr inż. Grzegorz Galiniak*)
Treść: Przedstawiono analizę charakterystyki utworów węglonośnych trzeciorzędu (paleogen i neogen) tworzących formację węglonośną miękkiego węgla brunatnego na Niżu Polsko-Niemieckim. Analiza obejmuje ocenę litologiczną skał w profilu, jakości
węgla (budowa petrograficzna, parametry technologiczne, złoża i zasoby), zmienności jakości węgla, która polepsza się ku
zachodowi w rejonach na zachód od Poznania aż do granicy polsko-niemieckiej. Złoża koncentrują się w niektórych rejonach,
co uwarunkowane jest wpływem: budowy tektonicznej podłoża i tendencją do ruchów subsydencyjnych, morfologii podłoża,
często wywołanej tektoniką, niekiedy obecności struktur salinarnych w podłożu, przebiegu paleodolin rzecznych, obecności
tektoniki glacjalnej. Wpływa to na ekstremalny nieraz wzrost wielkości zasobów w złożach i rozmieszczenie złóż o charakterze
przemysłowym.Węgiel brunatny miękki (ortolignit C) jest przydatny dla energetyki, ale stanowi także znakomity surowiec chemiczny do przetwórstwa w zakładach chemicznych, m.in. do otrzymywania gazu syntezowego i wielu produktów ubocznych.
Przewiduje się także możliwość jego zgazowania podziemnego (otworowego) po usunięciu nadmiernej wilgotności złoża.
Węgiel musi wtedy spełniać szereg kryteriów decydujących o jego przydatności do przetwórstwa.
Abstract: This paper presents the characteristics of Paleogene and Neogene coal-bearing formations and focuses on their economic
importance, quality, technological and petrographic properties. A particular attention has been paid to both the possibility
and conditions of gasification of coal in fluidized bed reactor and underground coal gasification. The individual deposits
were evaluated on the basis of the adopted criteria. It has been shown that Polish lignite is suitable for surface gasification,
while the possibility of underground gasification process is limited and requires the development of appropriate technology
to remove the excess moisture.
*) AGH w Krakowie, **) Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy Warszawa
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
39
Słowa kluczowe:
trzeciorzęd, węgiel brunatny miękki (ortolignit), rozmieszczenie złóż, petrografia węgla, zgazowanie, produkty chemiczne
Key words:
tertiary, lignite C, petrological and technological characteristics, coal beds, gasification
1. Wprowadzenie
Formacja produktywna węgla brunatnego polskiego
trzeciorzędu jest równie ważna lub nawet ważniejsza dla
gospodarki narodowej niż formacja węgla kamiennego górnego karbonu eksploatowanego w Górnośląskim i Lubelskim
Zagłębiu Węglowym. Obydwie formacje węglonośne różnią
się warunkami geologiczno-górniczymi, jakością węgla,
wielkością zasobów, ich dostępnością, liczbą i miąższością
pokładów węgla a także stopniem rozpoznania geologicznego
oraz liczbą złóż rozpoznanych, udokumentowanych i perspektywicznych. Istotna różnica polega też na wieku osadów,
głębokości występowania pokładów węgla, a co za tym idzie
dostępności kopaliny i technice eksploatacji, a także wielkości
powierzchni złóż.
Węgiel brunatny w polskich warunkach wydobywany jest
odkrywkowo i przy stosunkowo niskich kosztach, a następnie
przetwarzany na energię elektryczną i cieplną w sąsiadujących
z kopalniami kombinatach energetycznych.
Produkcja energii elektrycznej i ciepła to obecnie jedyny
kierunek wykorzystania węgla brunatnego w Polsce. Pomijane
są natomiast inne możliwości użytkowania tego surowca
związane z jakością, rodzajem jego składników genetycznych
i własnościami technologicznymi.
Właściwości polskiego węgla brunatnego były analizowane już pod koniec lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku
w zespole Prof. J. Bednarczyka [2]. Wtedy też wzorem
Kombinatu Chemicznego Schwarze Pumpe (dawn.NRD)
analizowano możliwości uzyskiwania m.in. gazu syntezowego i opałowego z polskiego węgla ze złóż przyległych do
granicy niemieckiej, które rozciągały się również na teren
Niemiec. Węgiel brunatny można utwardzić (łatwy transport
takiego węgla), brykietować, przetwarzać na koks, paliwa
napędowe i produkty chemiczne. Próbki polskiego węgla
z KWB Bełchatów i Turów były pod tym kątem badane
w Brennstoffinstitut Freiberg, na Węgrzech w Varpalota
i w Austrii (Voest Alpine) z bardzo pozytywnym skutkiem [2].
Tematyka zgazowania węgla brunatnego została podjęta
aktualnie w znacznie nowocześniejszy sposób w ramach
projektu NCBR nr 23.23.100.8498/R34 realizowanego
przez Akademię Górniczo-Hutniczą im. Stanisława Staszica
w Krakowie jako koordynatora w ramach konsorcjum badawczego z udziałem GIG Katowice, IChPW Zabrze, Politechniki
Śląskiej w Gliwicach oraz jednostek przemysłowych:
TAURON, KGHM oraz Grupę Azoty „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji
paliw i energii elektrycznej”.
W artykule przedstawiona została problematyka jakości
polskiego węgla brunatnego, wielkości jego zasobów, warunków geologiczno-górniczych oraz możliwości jego zgazowania metodą otworową (podziemnie) oraz powierzchniową
(naziemnie) w zakładach przetwórczych.
2. Charakterystyka formacji produktywnej miocenu
W profilu trzeciorzędu węglonośnego znajduje się 10
wiązek pokładów węgla brunatnego (0-VII), z czego nr 0-IV
znajdują się w utworach miocenu, a V-VII w profilu paleogenu (Rys.1). Najważniejsze gospodarczo pokłady (nr I-IV)
znajdują się w miocenie. Są one najlepiej udokumentowane
(kat. B-C2) a trzy górne pokłady (nr I-III) są eksploatowane
górniczo w istniejących kopalniach odkrywkowych i stanowią zarazem bogatą bazę do dalszej rozbudowy przemysłu
wydobywczego. Mogą one również być podstawą zagospodarowania w kierunku gazyfikacji zarówno w metodzie
podziemnej, jak i naziemnej. Umożliwia to jakość węgla,
a zwłaszcza budowa petrograficzna pokładów i jego parametry
chemiczno-technologiczne.
Złoża węgla znajdują się stosunkowo blisko powierzchni
terenu, są łatwo dostępne i zbudowane ze skał luźnych lub
słabo zwięzłych. Jakość węgla rośnie wraz z głębokością
zalegania pokładów oraz w kierunku zachodnim w rejonach
na zachód od Poznania aż do granicy państwowej polsko-niemieckiej (rys. 2). Pokłady kontynuują się dalej na obszarze
wschodnich Niemiec.
Podstawowe parametry technologiczne węgla w pokładach
kształtują się następująco (tabl.1)
Tablica 1. Podstawowe parametry węgla brunatnego w Polsce [3]
Table 1. Basic parameters of Polish lignite [3]
Nazwa głównych
pokładów węgla
(numery)
środkowopolski (I)
łużycki (II)
ścinawski (III)
dąbrowski (IV)
czempiński (V)
tanowski (VI)
odrzański (VII)
Wartość
opałowa
Qri , kJ/kg
7 976
8 989
9 169
9 613
9 132
8 288
10 500
Parametry (średnio)
Zawartość
Całkowita
popiołu
zawartość siarki
Ad, %
Sdt, %
27,53
20,73
21,09
17,85
20,69
21,14
8,30
1,25
1,31
2,40
2,91
3,07
5,12
1,10
Największe obszary w Polsce zajmują pokłady środkowopolski (70 000 km2), łużycki (61 000 km2), a następnie
ścinawski (30 000 km2), dąbrowski (7 000 km2) i czempiński
(7 700 km2).
Złoża koncentrują się w niektórych rejonach (Rys.2), co
uwarunkowane jest wpływem:
– budowy tektonicznej podłoża i istniejącą tendencją do
obniżających ruchów subsydencyjnych;
– morfologii podłoża trzeciorzędu, często wywołanej tektoniką;
– obecności niekiedy struktur salinarnych w podłożu;
– struktur i przebiegiem w podłożu paleodolin rzecznych;
– obecności tektoniki glacjalnej.
Zależności te mają istotny wpływ na budowę strukturalno-morfologiczną złóż i ekstremalny niekiedy wzrost wielkości
zasobów w złożach.
Czynniki te równocześnie wpłynęły na rozmieszczenie
w obszarze Niżu Polskiego złóż o charakterze przemysłowym.
Zbigniew Kasztelewicz [8] wyróżnia w przyjętym przez
siebie „wariancie optymistycznym” rozwoju górnictwa węgla
brunatnego, perspektywiczne rejony górnicze:
– lubuski (m.in. złoże Gubin-Zasieki-Mosty-BrodyCybinka-Torzym-Rzepin-Sieniawa);
– legnicki (złoża Legnica E, W, N; Ruja, Ścinawa, ŚcinawaGłogów);
– centralnej Polski (Poniec-Krobia, Oczkowice, Głowaczów);
40
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
oraz rejony istniejącej aktualnie eksploatacji węgla brunatnego:
– zagłębie adamowskie;
– zagłębie bełchatowskie;
– zagłębie konińskie;
– zagłębie turoszowskie
gdzie koncentrują się czynne kopalnie odkrywkowe węgla
brunatnego. Ponadto w rejonie Ziemi Lubuskiej, gdzie istniał dawniej okręg górniczy podziemnej eksploatacji, działa
jeszcze mała odkrywka KWB Sieniawa.
Obecność węgla brunatnego w Polsce notowana jest,
poza trzeciorzędem na Niżu Polskim, także w niewielkich ilościach w innych obszarach zwłaszcza w rejonie
karpackim i w mezozoiku (jura dolna i środkowa) Jury
Krakowsko-Częstochowskiej i mezozoicznego obrzeżenia
Gór Świętokrzyskich (tabl. 2).
3. Własności miękkiego węgla brunatnego (ortolignitu)
i jego parametry chemiczno-technologiczne
Węgiel brunatny miękki odznacza się wielorakimi walorami użytkowymi, które poza wykorzystaniem w polskiej
energetyce jako typ węgla wyłącznie energetyczny, ma także
walory surowca do uzyskiwania m.in. produkcji gazu. Cechuje
Rys. 1. Przeglądowe zestawienie profilu trzeciorzędu i rozmieszczenie
wiązek węglowych 0 – VII wg J. Kasińskiego [4]
Fig. 1. Overview of the tertiary profile and distribution of the 0-VII groups of lignite seams according to J. Kasiński [4]
Rys. 2 Rozmieszczenie złóż węgla
brunatnego
trzeciorzędowego w Polsce
[7]
Fig. 2. Distribution
of the tertiary
lignite deposits in Poland
[7]
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
41
Tablica 2. Węgiel brunatny w Polsce wg K. Matla [14]
Table 2. Lignite in Poland according to K. Matl [14]
Rodzaj węgla
węgiel brunatny
miękki (ortolignit C)
twardy węgiel
brunatny matowy
(metalignit B)
węgiel brunatny
miękki (ortolignit C)
węgiel brunatny
twardy matowy
(metalignit B)
węgiel brunatny
twardy błyszczący
(subbitumiczny A)
Wiek
trzeciorzęd
(miocen i paleogen)
trzeciorzęd
(baden)
Rejon
Lokalizacja i wydobycie
Niż Polski
aktualnie trwa eksploatacja
w 10 odkrywkach
rejon karpacki
Grudna Dolna
(dorywcza dawna
eksploatacja głębinowa)
trzeciorzęd
rejon karpacki
Niskowa (dorywcza dawna
(baden)
(niecka sądecka, niecka orawska) eksploatacja podziemna)
mezozoik
Niecka Północno-Sudecka
dawna lokalna eksploatacja
górna kreda (santon)
w rejonie bolesławieckim
(Zebrzydowa, Lwówek
Śląski)
mezozoik
Jura Krakowsko-Częstochowska dawne wydobycie przez 150
dolna jura
lat koło Zawiercia i Siewierza
(lias)
obrzeżenie mezozoiczne Gór
Końskie,
Świętokrzyskich
rzeka Kamienna (lokalna
dawna eksploatacja)
Pomorze
się, jak to określa J. Bednarczyk [2]: dużą reaktywnością
i przepuszczalnością. Do korzystnych właściwości tego węgla
należy jego niespiekalność łącząca się z gazoprzepuszczalnością oraz stosunkowo niska ilość tworzącego się żużla,
ograniczająca straty węgla odprowadzane z popiołem. Istotne
znaczenie ma przede wszystkim budowa petrograficzna węgla,
która do niedawna była mało docenianym elementem jego
budowy strukturalnej. Badania petrograficzne pozwalają
na określenie budowy wewnętrznej węgla. Obejmują one
szczegółowe obserwacje megaskopowe (litotypy) i analizę
mikroskopową (mikrolitotypy i macerały), która pozwala
na ocenę składników pobocznych, homogenizację, barwę,
jasność, konfigurację i strukturę powierzchni macerałów oraz
ich formę skupienia.
Istotny jest udział w budowie węgla brunatnego trzech
grup macerałów (składników mikroskopowych):
– grupy huminitu;
– grupy liptynitu;
– grupy inertynitu.
Różnią się one zawartością uwęglonych szczątków tkankowych roślin (huminit), wytworów ciała roślin (liptynit) oraz
elementów bezstrukturalnych (inertynit). Najwyższą reaktywnością cechują się macerały grupy huminitu, a następnie
liptynitu. Najmniej reaktywne są macerały z grupy inertynitu.
Składniki tkankowe są istotnie pożądane w procesie zgazowania. Niepożądane są natomiast składniki zżelifikowane,
zhomogenizowane, spękane oraz składniki obojętne (inertne).
W przypadku spalania w kotłach elektrowni nie ma większego
znaczenia skład petrograficzny węgla.
Zmienność budowy petrograficznej krajowych złóż miękkiego węgla brunatnego [9,10,11,16,17] wskazuje na dominujący udział grupy huminitu. W wyniku licznych badań petrograficznych węgla brunatnego polskich złóż rysuje się bardzo
pozytywny obraz jego charakterystyki użytkowej. Zawartość
grupy huminitu dochodzi do 100 %, a średnia dla wszystkich
złóż mieści się na poziomie około 80 %. Już w 1982 r. ustalono,
że węgiel przeznaczony do zgazowania ciśnieniowego powinien
zawierać w składzie maceralnym (Rys.3):
– do 20 % sumy żelinitu, żelotekstytu, inertynitu, bituminitu
i substancji mineralnej (grupa liptynitu i inertynitu);
głębokie otwory wiertnicze
– powyżej 30 % sumy eutekstytu, tekstodetrytu i eudetrytu
(grupa huminitu);
– powyżej 50 % sumy mediotekstytu i żelodetrytu (grupa
huminitu).
Poszczególne grupy maceralne różnią się także temperaturami spalania, a efektywność spalania jest odwrotnie
proporcjonalna do udziału inertynitu. Można więc przyjąć, że
węgiel brunatny przydatny do zgazowania musi mieć poniżej
20 % zawartości macerałów grupy inertynitu, w stanie bezmineralnym, a ma przydatność problematyczną gdy zawartość
grupy inertynitu wynosi 20÷50 %.
Węgiel brunatny miękki przydatny do zgazowania fluidalnego powinien mieć w swoim składzie co najmniej 80 %
macerałów grupy huminitu i mniej niż 20 % macerałów grupy
inertynitu i substancji mineralnej (rys. 3 i 4).
Rys. 3.Rola budowy petrograficznej w możliwości wykorzystania węgla do zgazowania [3]
Fig. 3. Role of petrographic composition in the possibility of
the use of coal for gasification [3]
42
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 4.Udział grup macerałów w złożach węgla brunatnego
w Polsce [3,14]
Fig. 4. Share of maceral groups in lignite deposits in Poland
[3, 14]
4. Pozycja polskiego węgla brunatnego w klasyfikacji
międzynarodowej
Węgiel brunatny miękki eksploatowany w Polsce na Niżu,
należy do odmian węgla o bardzo niskim stopniu uwęglenia.
W klasyfikacji międzynarodowej mieści się na początku podziału jako odmiana najsłabiej uwęglona (nisko uwęglona),
która należy do przedziału węgli niskouwęglonych (low-rank)
u jego początku jako lignit C czyli ortolignit (rys. 5).
2014
Jego pozycję określają trzy charakterystyczne parametry:
– stopień uwęglenia (Ro<0,3 %);
– skład petrograficzny (maceralny);
– ilość zanieczyszczeń mineralnych.
Skład petrograficzny pozwala wyróżnić grupę węgli
humusowych i węgli sapropelowych, a zawartość części
mineralnych gatunki: niskopopiołowy, średniopopiołowy,
wysokopopiołowy i bardzo zapopielony.
Klasyfikacja międzynarodowa węgla brunatnego została
zaakceptowana w Polsce i wprowadzona do polskiej normy
PN-ISO 11760/2007. Pozycja ta doskonale oddaje walory
fizyczne i chemiczno-technologiczne węgla i jego przydatność do celów użytkowych, a średnia refleksyjność (Ro) jest
odzwierciedleniem tych walorów.
Węgiel brunatny miękki (ortolignit C) w Polsce odznacza
się:
– wartością Ro<0,3 %;
– zawartością wilgoci naturalnej powyżej 50 %;
– wysoką zawartością części lotnych powyżej 50 %;
– średnią zawartością C nieco powyżej 50 %;
– stosunkowo niską wartością opałową i ciepłem spalania
– zawartością prasmoły
– zawartością bituminów.
Odzwierciedleniem tych parametrów są cechy fizyczne
węgla: barwa (różne odcienie barwy brunatnej, zależne
m.in. także od składu maceralnego), kruchość, zwięzłość,
połysk (na ogół brak) itp. Parametry te, łącznie ze składem
maceralnym (budowa petrograficzna), będą decydować
o możliwości i kierunkach wykorzystania węgla brunatnego.
Nie ograniczają one, poza wysoką mineralizacją, kierunku
energetycznego zastosowania węgla do celów produkcji
energii elektrycznej i ciepła. Muszą być natomiast brane
pod uwagę, w przypadku innych zastosowań, a więc do
zgazowania naziemnego w zakładach chemicznych i do
podziemnego (otworowego) zgazowania. W tym drugim
przypadku istotny problem techniczny musi stanowić wysoka
zawartość wilgoci złożowej (>50 % wag.) wobec stosunkowo
niskiej wartości opałowej węgla.
Rys. 5.Klasyfikacja międzynarodowa węgli w pokładzie (żółtą barwą zaznaczono pozycję węgla brunatnego
w Polsce) [3,14]
Fig. 5. International Classification of In-Seam Coals (yellow color denotes lignite in Poland) [3, 14]
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
5. Stan bazy zasobowej węgla brunatnego (ortolignitu)
w Polsce
Wśród znacznej liczby zarejestrowanych w Polsce 166
złóż węgla brunatnego (kat. B – C2, D i zasoby prognostyczne), tylko niewielka ich część ma opracowane i zatwierdzone
dokumentacje geologiczne w górnych kategoriach rozpoznania (B – C1 i C2). Dla tych złóż dostępne są dokładne dane
o budowie geologicznej, jakości kopaliny i wielkości zasobów.
Do lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku prowadzono także
szczegółowe badania węgla w złożu, co odbywało się według
wymagań Instytutu Geologicznego. Wykonywano więc m.in.
analizy budowy petrograficznej węgla oraz dokładne analizy chemiczno-technologiczne popiołu. W dokumentacjach
wyodrębniono także odmiany technologiczne węgla np.
udział i zasoby węgla brykietowego, wytlewnego, ekstrakcyjnego i koksowego. Był to czas, kiedy brano pod uwagę,
poza spalaniem, także możliwość zgazowania węgla na cele
użytkowe. Stopniowo, w następnym okresie, rezygnowano
z tych czasochłonnych i żmudnych nieraz oznaczeń, a węgiel
w całości dokumentowano na cele wyłącznie energetyczne
do uzyskiwania energii elektrycznej i cieplnej. Dlatego też
we współczesnych dokumentacjach brak jest wielu danych
dla oceny przydatności węgla brunatnego miękkiego (ortolignitu), np. do zgazowania naziemnego, a także otworowego
(podziemnie). Dużą część wniosków ujętych w artykule oparto
więc o starsze dokumentacje i wyniki obserwacji naukowych
[3,12,13,18,19,20].
Aktualny stan zasobów węgla brunatnego w Polsce
[1,3,4,5,13] przedstawia tablica 3.
Tylko niewielka część zasobów jest aktualnie zagospodarowana. Eksploatowane obecnie złoża nie zaspokajają
dalszego rozwoju energetyki opartej na węglu brunatnym.
Wiąże się z tym także możliwość zgazowania części zasobów,
co znakomicie uzasadnił Kasztelewicz w swojej pracy [8].
6. Możliwości zgazowania węgla brunatnego w instalacjach powierzchniowych i podziemnie (otworowo)
Przyjęty w programie NCBR cel strategiczny nt.
„Zaawansowane technologie pozyskiwania energii w tym
technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”, skierował badania na
43
rozwiązanie problemów procesu zgazowania węgla brunatnego występującego w dużych ilościach w Polsce. Z dużymi szansami na realizację przewidziano kierunek badania
zgazowania węgla metodą przetwórstwa powierzchniowego
w powiązaniu z produkcją energii elektrycznej w nowych
kombinatach produkcyjnych.
Szczegółowe analizy budowy petrograficznej węgla
stanowią istotne wsparcie tego kierunku badań. Przyjęte
kryteria dzielą się na grupy kluczowych oraz istotnych parametrów węgla do zgazowania (tabl.4) i są w dużym stopniu
odzwierciedleniem stopnia uwęglenia (a więc przeobrażenia
osadu roślinnego), który determinuje wszystkie cechy chemiczno-technologiczne węgla.
Tablica 4. Parametry kluczowe węgla brunatnego do zgazowania naziemnego wg IChPW Zabrze [15]
Table 4. Key parameters for surface lignite gasification according to IChPW in Zabrze [15]
Parametr/
Jednostka
Reaktor z
Reaktor
przepływem
ze złożem strumieniowym
fluidalnym
PDP*
PN-81/G-04513
>8 000
>8 000
Norma/
procedura
Wartość opałowa
Qir, kJ/kg
Zawartość wilgoci Wtr
Zawartość popiołu
(popielność)
Ad, %
Zawartość alkaliów
(suma Na2O, K2O)
PN-80/G-4512
PN-G-05460
PN-80/G-4512
PN-G-05460
PN-ISO 1171
Metoda
fotometrii
płomieniowej
PN-82/G-04535
Temp. topnienia
popioły w atmosferze
półredukcyjnej, °C
Zawartość siarki
PN-04584:2001
całkowitej,
Str, % Reaktywność karbonizatu
:
względem CO2
Metoda IChPW
węgla względem H2O
Zawartość prasmoły
Metoda AGH
PN-75/G-04540
<50
<50
<20
<25
<0,45
<0,45
>1100
<1350
<2,5
<2,5
<50
<50
<20
<15
<20
<10
Tablica. 3.Zasoby węgla brunatnego trzeciorzędowego w Polsce [6]
Table 3. Tertiary lignite deposits in Poland [6]
Wyszczególnienie
1
Zasoby udokumentowane
w tym – zasoby złóż zagospodarowanych łącznie
- złoża kopalń czynnych
- złoża eksploatowane okresowo
w tym – zasoby złóż niezagospodarowanych łącznie
- złoża rozpoznane
szczegółowo (A+B+C1)
- złoża rozpoznane
wstępnie (C2+D)
w tym – złoża, w których eksploatacji zaniechano łącznie
Zasoby perspektywiczne o cechach bilansowych
ZASOBY OGÓŁEM:
2
90
12
10
2
72
Zasoby geologiczne bilansowe
Razem
A+B+C1
C2+D
Tg
Tg
Tg
3
4
5
22 583,83
4 926,33
17 647,50
1 590,76
1 573,65
17,11
1 589,09
1 567,98
17,11
5,67
5,67
20 983,80
3 354,05
17 929,75
30
4 043,01
3 354,05
688,96
786,09
42
16 940,79
–
16 840,79
2 648,48
6
60
150
9,28
22 606,03
45 189,86
8,64
–
4 926,33
0,64
–
17 647,50
4,27
–
3 574,64
Liczba
złóż
(w tym zasoby złóż na obszarze rowu poznańskiego w ilości 3690 Tg)
Zasoby
pozabilansowe
Tg
6
3 574,64
108,80
87,06
21,74
3 434,57
44
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Wartość kryteriów, zwłaszcza kluczowych, eliminuje część
zasobów węgla do procesu zgazowania. Restrykcyjny poziom
wyznacza: zawartość wilgoci (>50%), zawartość popiołu
w węglu i jego skład mineralogiczny oraz wartość opałowa.
Przyjęte kryterium, np. zawartości popiołu <25 %, ogranicza
liczbę złóż możliwych do zgazowania do poziomu tylko 30,
co oznacza bardzo istotne zawężenie szans. Jeżeliby zwiększyć wymagania do 20 % to do wyboru pozostałoby tylko
około 10 złóż.
2014
Kryteria grają istotną rolę kwalifikacyjną dla przemysłowych użytkowników. Wymagania te w szczegółach zaostrzają
dodatkowo kryteria istotne (Tab.5).
Inny rodzaj kryteriów określa warunki zgazowania
podziemnego (otworowego) węgla (Tab.6). W kryteriach
uwzględniono uwarunkowania określające charakter powierzchni terenu, na którym może być zlokalizowana instalacja pilotowa. Do tej grupy zaliczono uwarunkowania
infrastrukturalne, sozologiczne (ochrona przyrody), obecność
Tablica 5. Parametry istotne dla węgla brunatnego do zgazowania naziemnego wg IChPW Zabrze [15]
Table 5. Important parameters for surface lignite gasification according to IChPW Zabrze [15]
Parametr
/Jednostka
Zawartość części lotnych, Va,%
Norma
/Procedura
PN-G-04516:1998 PN-G04560:1998
Zawartość węgla pierwiastkowego, Cta, % PN-G-04571:1998
Zawartość wodoru, Hta, %
PN-G-04571:1998
Zawartość azotu, Na, %
PN-G-04571:1998
Stabilność statyczna zawiesiny wodnej
Procedura własna IChPW
SiO2
Metoda XRF/lub ICP
Al2O3
Metoda XRF/lub ICP
Fe2O3
Metoda XRF/lub ICP
CaO
Metoda XRF/lub ICP
MgO
Metoda XRF/lub ICP
Reaktor ze złożem
fluidalnym
>30
>45
3,0 - 5,5
< 2,0
nie dotyczy
25 - 45
8-30
2,5 - 20
3 - 25
1,5 -4,5
Reaktor z przepływem strumieniowym
PDP
ZDP
>30
>30
>45
3,0 - 5,5
< 2,0
nie dotyczy
25 - 45
8-30
2,5 - 20
3 - 25
1,5 -4,5
>45
3,0 - 5,5
< 2,0
powyżej 10 dni
25 - 45
8-30
2,5 - 20
3 - 25
1,5 -4,5
Tablica 6. Kryteria dopuszczające złoża do eksploatacji podziemnej [3, 14]
Table 6. Criteria for deposit's suitability for underground exploitation [3, 14]
Lp.
Kryterium
1 Typ węgla i właściwości
fizykochemiczne:
a – wartość opałowa
b – zawartość części lotnych
c – zawartość popiołu
d – wilgotność naturalna
e – zawartość siarki
2 Miąższość pokładu:
a – minimalna
b – maksymalna
3
Głębokość zalegania:
a – minimalna
Rodzaj złoża:
a – jednopokładowe
b – wielopokładowe
Wskaźnik nadkładu N:W:
Kąt nachylenia pokładu
Warunki izolacyjności pokładu od skał
otoczenia
Warunki hydrogeologiczne:
a – usytuowanie względem
poziomów wodonośnych
b – wielkość dopływu wody do pokładu
Tektonika
4
5
6
7
8
9
10
Porowatość skał otaczających
11
Wielkość zasobów
12
Własności filtracyjne ośrodka skalnego
Lokalizacyjne
13 Powierzchnia terenu pod instalację
PZW
Warunki bezpieczeństwa
*
**
*
**
Zakres zmienności
wartość minimalna-nie określona (od 6,5 MJ/kg)
poniżej 50 %
poniżej 20 % ewentualnie 25 %
poniżej 55 %
poniżej 4,0 %
2 m, 4 m optymalna
uzależniona od warunków izolacyjności hydraulicznej oraz konieczności jej ochrony oraz od
ochrony konstrukcji otworów (sterowanie osiadaniem nadkładu)
powyżej 150 m* – poniżej wymyć erozyjnych i rynien glacitektoniczych
w złożach pozbawionych glacitektoniki głębokość może być mniejsza
preferowane
możliwe przy zawansowanej technologii (np. z podsadzaniem) odległość między pokładami >20 m
> 12 (10) przy zaleganiu stropu złoża do głębokości 350 m**
poziome lub lekko nachylone
skały stropowe pokładu w postaci bardzo słabo przepuszczalnych utworów typu iły, mułki (k≤9∙
10-8m/s) o miąższości ≥10÷20 m; 2,8 miąższości pokładu )**
poniżej użytkowych poziomów wodonośnych i poza GZWP, minimalna odległość 40m.
poniżej 2 m3/ Mg węgla bez dodatkowych zabiegów odwadniania
brak szczelin i uskoków, Niewskazana obecność istotnych zaburzeń tektonicznych w obrębie pól
eksploatacyjnych
skały w stropie i spągu powinny mieć mniejszą gazoprzepuszczalność niż pokład węgla, miąższość
słaboprzepuszczalnych skał otaczających pokład węgla powinna wynosić 1÷2 m dla 2 m pokładu
węgla lub miąższość 2÷4 m dla 3-10 m pokładu węgla **
dla instalacji pilotowej wymagane zasoby to 75÷450 tys. Mg, przy komercjalizacji projektu należy
zapewnić minimalne zasoby na poziomie 3,5 Mt**
Stosunek porowatości pokładu węgla do porowatości otaczających go skał nie powinien być
mniejszy niż mD 18:20**
minimalna powierzchnia dla instalacji pilotowej to 50÷100 ha (0,5÷1 km2), dla instalacji
komercyjnej powyżej 100 ha**
minimalna odległość od: terenów zamieszkałych (1÷3 km), rzek i jezior (1÷3 km), obszarów
chronionych (5 km), pracujących kopalń/terenów eksploatacji górniczej (5 km), nieczynnych
kopalń/wyrobisk (3 km), przewodów przesyłowych i linii kolejowych (1÷3 km)**
w szczególnych przypadkach braku glacitektoniki warunki mogą być mniej restrykcyjne
kryteria według Cuprum
in specific cases of the lack of glacial tectonics the conditions may be less restrictive
criteria according to Cuprum
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
w pobliżu zasiedleń, linii komunikacyjnych, rodzaj użytkowania terenu. Węgiel do zgazowania musi być chroniony skałami
izolującymi od powierzchni terenu, izolującymi od zbiorników
wód podziemnych, musi być ograniczona drożność horyzontalna górotworu, aby zapobiec niekontrolowanej wędrówce
gazów. Istotnym utrudnieniem technicznym jest wilgoć naturalna złożowa węgla, która wynosi ponad 50 % wag.
Na podstawie opracowanych wcześniej kryteriów waloryzacyjnych, wytypowano grupy 20 nieeksploatowanych
dotąd złóż o najkorzystniejszych parametrach. Największe
zasoby węgla przydatne do zgazowania wiążą się z grupą złóż
perspektywicznych (tabl.7).
Tablica 7. Złoża węgla brunatnego przydatne do zgazowania
podziemnego w rozbiciu na kategorie rozpoznania [4]
Table 7. Lignite deposits suitable for underground gasification
divided into categories of identification [4]
Złoże
1
Kategoria B+C1
Turów*
Lubstów*
Sieniawa*
Razem kategoria B+C1
Kategoria C1
Oczkowice**
Razem kategoria C1
Kategoria C2
Radomierzyce – pole Łomnica
Radomierzyce – pole Kunów
Legnica Północ
Torzym
Krzywiń
Radomierzyce – pole Osiek
Czempin
Kamieńsk
Razem kategoria C2
Kategoria D
Więcbork
Naramowice
Razem kategoria D
ZŁOŻA PROGNOSTYCZNE
Węglewice
Huby
Ścinawa-Głogów pole 5
Ścinawa-Głogów pole 4
Ścinawa-Głogów pole 6
Ścinawa-Głogów pole 9
Ścinawa-Głogów pole 10
Ścinawa-Głogów pole 11
Ścinawa-Głogów pole 7
Ścinawa-Głogów pole 8
Razem złoża prognostyczne
OGÓŁEM:
Rejon
2
zachodni
koniński
zachodni
Zasoby
tys. Mg
3
50 000
15 000
?
65 000
wielkopolski
400 000**
400 000
zachodni
zachodni
legnicki
zachodni
wielkopolski
zachodni
wielkopolski
bełchatowski
5 290
9 640
1 723 049
843 879
666 507
318 231
1 034 578
132 424
4 733 598
północno-zachodni
wielkopolski
bełchatowski
bełchatowski
legnicki
legnicki
legnicki
legnicki
legnicki
legnicki
legnicki
legnicki
509 113
296 324
805 437
49 983
2 900
799 027
2 376 000
5 955 682
213 734
114 240
116 964
14 448
6 451
9 649 429
15 653 464
* złoża kopalń czynnych nie poddane waloryzacji
** złoże Oczkowice w świetle nowej, przygotowywanej właśnie dokumentacji geologicznej, zostało poszerzone o znaczną część złoża Poniec-Krobia
* non-enriched deposits in productive mines
** Oczkowice deposit in the light of newly prepared geological documentation was extended by a significant part of Poniec-Krobia deposit
45
Jak łatwo zauważyć, zdecydowana większość tych złóż
mieści się w obszarze zachodnim głównie obniżenia środkowej Odry oraz w rowie tektonicznym Wielkopolski okolic
Poznania (Naramowice, Krzywin, Czempin). W praktyce
jednak nie istnieją w Polsce złoża węgla brunatnego, które
w pełni i bez reszty – wypełniają wszystkie kryteria przydatności do zgazowania podziemnego i dlatego zachodziła
konieczność dopuszczenia pewnych ustępstw. Podstawowym
problemem utrudniającym, od strony technicznej, wykorzystania złóż jest zawodnienie, a także brak kompletu danych
dla większości waloryzowanych złóż. Jednak bez większego
ryzyka pomyłki można przyjąć, że we wszystkich złożach
dopływ wody przekroczy założone wielkości. Wydaje się
więc, że podziemne zgazowania będzie możliwe tylko przy
zastosowaniu górniczego odwodnienia.
W niektórych przypadkach (Lubstów, Radomierzyce,
Turów) ze względu na dobre własności izolacyjne zwałowiska
lub nadkładu odstąpiono od kryterium minimalnej głębokości
150 m.
Przyjęte kryteria i wytypowane złoża muszą zapewniać
bezpieczeństwo dla powierzchni terenu, bezpieczeństwo dla
zbiorników podziemnych wód pitnych, ścisłą izolację gazogeneratora przed niekontrolowaną ucieczką gazu wzdłuż horyzontalnych poziomów i ścieżek migracji. Stąd jest potrzebne
dobre rozpoznanie budowy geologicznej złóż.
7. Podsumowanie i wnioski
Polska dysponuje dużą bazą złóż węgla brunatnego
miękkiego (ortolignitu C) o korzystnej budowie geologicznej, położonych stosunkowo blisko powierzchni terenu
i sprzyjającej jakości kopaliny, która umożliwia wykorzystanie
węgla w kierunku energetycznym, ale także dla zgazowania
i uzyskiwania produktów ubocznych.
Wielkość zasobów gwarantuje wydobycie węgla na żądanym poziomie przez bardzo długi okres czasu. Większość
złóż może być eksploatowana sposobem odkrywkowym, przy
minimalnych stratach surowca i stosunkowo niskich kosztach.
Skład petrograficzny węgla i budowa pokładów sprzyja organizowaniu wydobycia na dużą skalę. Jakość węgla (przewaga wysokoreaktywnej grupy huminitu) umożliwia zgazowanie
węgla w gazoreaktorach o fluidalnym podłożu. Produkcja gazu
będzie wymagała pilnego uruchomienia wydobycia węgla na
nowych złożach w szczególności w zachodniej części kraju
(rejon Lubuski, złoże Gubin-Brody i Cybinka) oraz w przewidywanej perspektywie w rejonie legnickim, co zapewni
zatrudnienie załogom górniczym odchodzącym z przemysłu
miedziowego (spodziewać się należy w przyszłości spadku
wydobycia rud miedzi).
Węgiel w tych rejonach posiada bardzo dobrą jakość,
która sprzyja także jego zgazowaniu otworowo i w zakładach
powierzchniowych.
Zgazowanie podziemne węgla brunatnego miękkiego
(ortolignitu) wymaga nowych rozwiązań technologicznych
ze względu na jego bardzo wysoką zawartość wilgoci i silne
zawodnienie złóż.
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac
rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania
energii”.
46
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Literatura
1.
Bilans zasobów kopalin i wód podziemnych w Polsce wg stanu na
31.12.2012, PIG Warszawa
2. Bednarczyk J.: Stan obecny oraz perspektywy przeróbki chemicznej
węgla brunatnego. PAN – Komitet Gospodarki Surowcami Mineralnymi
i Energią, Mat. konf. Nauk.-Techn. nt. Zagadnień surowców energetycznych w gospodarce krajowej, s. 355÷384, Kraków 1979
3. Bielowicz B.: Charakterystyka odmian technologicznych węgla brunatnego do zgazowania naziemnego w reaktorze fluidalnym. Przegląd
Górniczy Nr 04 (1085) Tom 69 (CIX) 2013
4. Kasiński J.R.: Raport merytoryczny z przeprowadzonych badań i prac
technicznych za okres 1.07.2010-31.10.2012. Zał. do Sprawozdania
Końcowego do części Tematu Badawczego 1.4.1, AGH Kraków 2012
5. Kasiński J.R.: Węgiel brunatny In: Wołkowicz S., Smakowski T.,
Speczik S. - Bilans perspektywicznych zasobów kopalin Polski wg
stanu na 31.12.2009, PIG Warszawa 2011
6. Kasiński J.R., Matl K., Stachowiak A.: Przydatność węgla brunatnego w
Polsce do procesu zgazowania podziemnego (UCG) - problem kryteriów
bilansowości. Biul. PIG, 44, s.169÷182, Warszawa 2012
7. Kasiński J., Mazurek S., Piwocki M.: Waloryzacja i ranking złóż węgla
brunatnego w Polsce. Prace Państwowego Instytutu Geologicznego, t.
187, Warszawa 2006
8. Kasztelewicz Z.: Analiza strategii rozwoju górnictwa węgla brunatnego
w kontekście podziemnego zgazowania węgla brunatnego oraz ocena
ekonomiczna procesów górniczych i skutków środowiskowych zgazowania tego węgla. Raport merytoryczny z przeprowadzonych badań
i prac technicznych w okresie 1.07.2010-31.05.2012. Założenia do
Sprawozdania Końcowego, Mat. Arch. AGH
9. Kruszewski T.: Założenia klasyfikacji petrograficznej polskich złóż węgli
brunatnych. Przegląd Geologiczny 3. 1967
10. Kwiecińska B., Wagner M.: Classification of qualitative features of
brown coal from Polish deposits according to petrographical, chemical
2014
and technological criteria. Wyd. Centrum PPGSMiE PAN Kraków 1997
11. Kwiecińska B., Wagner M.: Możliwość zastosowania refleksyjności jako
metody badawczej w klasyfikowaniu i technologicznej ocenie jakości
węgla brunatnego. Kraków 2001
12. Kwiecińska B., Wagner M.: Typizacja cech jakościowych węgla brunatnego z krajowych złóż według kryteriów petrograficznych i chemiczno-technologicznych do celów dokumentacji geologicznej złóż oraz
obsługi kopalń. Wyd. Centrum PPGSMiE PAN Kraków 1997
13. Matl K., Twardowski K.: Rozkład własności fizykochemicznych i technologicznych węgla brunatnego z uwzględnieniem domieszek szkodliwych dla środowiska w południowo-zachodniej części Niżu Polskiego
(pokład łużycki II). Wyd. Centrum PPGSMiE PAN, Kraków1996
14. Matl K.: Raport merytoryczny z badań w 2012r., Mat. Arch. KGO AGH
Kraków 2012
15. Sokołowski A., Chmielniak T., Topolnicka T., Świeca G.: Charakterystyka
polskich węgli w aspekcie ich przydatności do procesu zgazowania
fluidalnego. Przegl. Górniczy, t.69, nr 2, s. 174÷183, Katowice 2013
16. Szuflicki M., Malon A., Tymiński M.: Bilans zasobów kopalin i wód
podziemnych w Polsce wg stanu na 31.12.2012, PIG Warszawa 2013
17. Szwed-Lorenz J.: Petrological variations in the second lower miocene
coal seam in Poland Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki
Wrocławskiej No. 63 Monogr. No. 29, Wrocław 1991
18. Szwed-Lorenz J.: Petrologiczna ocean polskich miękkich węgli brunatnych jako surowca do wielokierunkowego użytkowania. Prace Naukowe
Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej nr 63 Monogr. Nr 29,
Wrocław 1991
19. Szwed-Lorenz J.: Studium zmienności petrologicznej II dolnomioceńskiego pokładu węglowego w Polsce. Prace Naukowe Instytutu
Górnictwa Politechniki Wrocławskiej nr 94 Monogr. Nr 36, Wrocław
2001
20. Wagner M.: Brunatny węgiel bitumiczny ze złóż Turów i Bełchatów
w świetle badań petrograficzno-chemicznych i sedymentologicznych.
Prace Geol. Kom. Nauk Geol. PAN nr 143, Kraków 1996
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
47
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Identyfikacja scenariuszy powstania awarii w procesie PZW
metodą szybową
Identification of scenarios of failure occurrence in the UCG process by the use
of shaft method
dr inż. Alicja Krzemień*)
dr inż. Adam Duda*)
dr inż. Aleksandra Koteras*)
Treść: W artykule przedstawiono najważniejsze scenariusze powstania awarii w procesie podziemnego zgazowania węgla (proces PZW)
metodą szybową. Opracowanie scenariuszy zostało poprzedzone identyfikacją zagrożeń występujących w trakcie normalnej
pracy georeaktora oraz w stanie awaryjnym jego pracy. W tym celu dokonano przeglądu światowej literatury z tego zakresu oraz
wykorzystano wiedzę zdobytą w ramach projektów HUGE i HUGE 2, jakie Główny Instytut Górnictwa prowadził w Kopalni
Doświadczalnej „Barbara”, a także w ramach Projektu Strategicznego NCBiR pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”. Identyfikacja zagrożeń, czyli czynników niebezpiecznych
i szkodliwych, które mają potencjał do generowania zdarzeń niebezpiecznych, pozwoliła na tworzenie scenariuszy wydarzeń
możliwych do zaistnienia w trakcie prowadzenia podziemnego zgazowania metodą szybową, istotnych dla bezpiecznego funkcjonowania instalacji PZW.
Abstract: This paper presents the most important failure scenarios for the underground coal gasification process (UCG process) by use
of the shaft method. In order to develop failure scenarios, hazards that may have the potential to generate dangerous events
have been identified during normal operating conditions and failure conditions of a georeactor. For this identification the
authors used information and knowledge gained from HUGE, HUGE 2 projects, as well as during the implementation of the
Strategic Project of the National Research and Development Center called: “Development of coal gasification technology
for high production of fuels and electricity“. The undertaken research allowed to develop possible failure scenarios during
the UCG process by use of the shaft method, essential for safe operation of the UCG installation.
Słowa kluczowe:
podziemne zgazowanie węgla, ocena ryzyka instalacji przemysłowej, identyfikacja zagrożeń
Key words:
underground coal gasification, risk analysis of an industrial facility, hazard identification
1. Wprowadzenie
Wszystkie nowe technologie planowane do wdrożenia
na skalę przemysłową powinny być badane ze szczególną
starannością. Należy tutaj zwrócić uwagę na trudności, jakie
pojawiają się na etapie analizy prowadzonych procesów, wynikające z braku danych historycznych, tj. dane o wcześniejszych incydentach, wypadkach oraz awariach. Stanowią one
ważne źródło informacji na temat problemów, które mogłyby
powstać w trakcie rozruchu, obsługi oraz zatrzymania badanej instalacji. Dlatego też tak ważne jest prowadzenie badań
w kierunku analizy mechanizmu definiującego dany proces
oraz zidentyfikowanie możliwych odchyleń od normalnej
*) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach
pracy układu. Jedną z technologii, badanych i rozwijanych
w obecnej chwili zarówno w Europie, jak i na świecie, jest
technologia podziemnego zgazowania węgla (proces PZW),
znana już od ponad wieku [10], ale dopiero teraz wdrażana
na skalę przemysłową [22]. Zgazowanie węgla jest sposobem na rozszerzenie energetycznej bazy surowcowej przez
wykorzystanie do procesu węgli „uwięzionych” w pokładach nienadających się do eksploatacji metodą klasyczną,
a więc cienkich i zanieczyszczonych przerostami, a także
pozostałości grubych pokładów węgla już niedostępnych
dla eksploatacji [2,4,7,13,17]. Główną zaletą technologii
podziemnego zgazowania węgla jest możliwość uzyskiwania
gazu o wartości przemysłowej (tzw. syngazu) bezpośrednio w
miejscu jego zalegania. Dzięki takiemu rozwiązaniu następuje
znaczna redukcja kosztów pozyskania gazu, w stosunku do
48
PRZEGLĄD GÓRNICZY
technologii zgazowania prowadzonej na powierzchni, a oprócz
tego możliwe jest bezpośrednie zagospodarowanie odpadów
stałych pod ziemią oraz zmniejszenie nakładu prac w trakcie
realizacji procesu [5]. Jednak proces PZW jest skomplikowany w realizacji ze względu na swoją wieloaspektowość, na
którą wpływają warunki prowadzenia procesu pod ziemią jak
i problemy związane z zagrożeniami środowiskowymi, jakie
może generować technologia [3, 22] oraz potencjalne awarie
procesowe bardzo trudne do usunięcia.
Ze względu na sposób udostępnienia złoża węgla do podziemnego zgazowania wyróżnia się dwie podstawowe metody,
do których należą: metoda bezszybowa, zakładająca dostęp do
pokładu węgla za pomocą otworów wiertniczych oraz metoda
szybowa, gdzie udostępnienie pokładu węgla odbywa się za
pomocą szybu lub upadowej [4, 21]. Lokalizacja procesu PZW
pod ziemią, zarówno w metodzie szybowej, jaki i bezszybowej
sprawia, że kontrola procesu zgazowania jest dużo bardziej
skomplikowana i dużo mniej precyzyjna niż w przypadku
naziemnego zgazowania węgla. Ze względów bezpieczeństwa
w metodzie szybowej zabrania się przebywania ludzi pod
ziemią, w pobliżu georeaktora, w trakcie prowadzenia eksperymentu. Choć możliwość taka technicznie istnieje, to jednak
wysokie ryzyko, którego skutkiem może być utrata życia lub
zdrowia pracowników, wyklucza taką ewentualność. Wobec
braku bezpośredniego dostępu do procesu parametry takie jak
szybkość dopływu wody, rozkład reagentów w strefie zgazowania, tempo przesuwania się kanału ogniowego, mogą być
szacowane jedynie pośrednio poprzez pomiary temperatury
oraz składu jakościowego i ilościowego gazu procesowego
uzyskanego na wylocie produkcyjnym [3].
Identyfikacja możliwych scenariuszy wystąpienia awarii
w procesie PZW metodą szybową została wykonana na podstawie obserwacji niebezpiecznych czynników procesu w trakcie
normalnej pracy georeaktora oraz w jego stanie awaryjnym.
W analizie uwzględniono informacje pochodzące z literatury
problemu, a także wykorzystano doświadczenia uzyskane
w projektach HUGE i HUGE2. Projekty te Główny Instytut
Górnictwa prowadził w Kopalni Doświadczalnej „Barbara”
w latach 2007÷2014, w ramach Funduszu Badawczego Węgla
i Stali [8, 20, 21]. Uwzględniono także ustalenia określone
w Projekcie Strategicznym NCBiR pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji
paliw i energii elektrycznej” [12].
2. Identyfikacja zagrożeń w procesie pzw
Identyfikacja zagrożeń w procesie PZW została wykonana
przy użyciu techniki HAZOP [9, 11, 14, 18, 19]. Ten etap
obejmował analizę głównych czynników posiadających potencjalną zdolność do generowania zdarzeń niebezpiecznych
skutkujących zniszczeniem systemu, jak również mających
wpływ na środowisko. Uwzględniono wpływ czynników
ludzkich generowanych przez personel przygotowujący
i nadzorujący przebieg procesu. W badaniach wzięto pod uwagę czynniki zagrożeń wewnętrznych i zewnętrznych procesu
PZW, tj. ciśnienie, temperatura, szybkość reakcji oraz czynniki
otoczenia wpływające niekorzystnie na prawidłowy przebieg
procesu, tj. ruchy górotworu, mechaniczne uszkodzenie instalacji, niekontrolowany dopływ wody do georeaktora i inne.
Z punktu widzenia oddziaływania proces PZW na środowisko jako bardzo prawdopodobne wymieniane są: możliwość
zanieczyszczenia wód gruntowych oraz możliwe deformacje
powierzchni. Według [3, 5] skala zjawiska osiadania terenu
związanego z wpływem prowadzonego procesu PZW na skalę
przemysłową jest podobna, jak przy tradycyjnej eksploatacji.
Pustki po zgazowaniu i związane z tym procesy osiadania
2014
terenu mogą mieć wpływ na zmianę stosunków wodnych, stabilność poziomów wodonośnych, jak również na obiekty infrastruktury powierzchniowej nad georeaktorem. W przypadku
prowadzenia PZW metodą szybową wśród zagrożeń wystąpić
może niebezpieczne oddziaływanie na obudowę oraz na sąsiadujące wyrobiska. Jako poważne zagrożenie wskazywana jest
możliwość niebezpiecznego wpływu produktów procesu PZW
na wody podziemne. W procesie podziemnego zgazowania
węgla, oprócz pożądanego syngazu, produktami ubocznymi
zgazowania są również liczne substancje chemiczne, m.in.
związki aromatyczne, takie jak benzen, etylobenzen, ksyleny,
fenole oraz wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne.
Proces zgazowania powodować może uwalnianie się metali
ciężkich z popiołów powstających w trakcie prowadzenia
procesu. Substancje migrując bez kontroli z georeaktora
mogą być potencjalnym zagrożeniem dla innych elementów
środowiska naturalnego [1]. Prowadzony w złożu proces
zgazowania węgla powoduje nagrzewanie skał otaczających
co skutkować może wzrostem przepuszczalności skał, zmianą ich własności czy też składu mineralnego. Może również
powodować powstanie spękań i nieciągłości, stanowiących
potencjalne drogi migracji zanieczyszczeń. Dane przytoczone przez Pembina Institute [15] w dwóch z 34 pilotażowych
projektów PZW w Ameryce Północnej wskazują, że procesy
PZW zanieczyściły wody podziemne, co wymagało podjęcia
kosztownych i trudnych działań naprawczych. Z przytoczonych przykładów wynika, że ograniczenie wpływu zagrożeń
musi być oparte na starannym doborze rejonu przewidywanej
eksploatacji metodą PZW oraz na dokładnym kontrolowaniu
stabilności czynników procesu i ciągłej analizie parametrów
procesowych, głównie temperatury oraz składu gazów zasilających system.
Do tworzenia scenariuszy powstawania sytuacji awaryjnych wzięto pod uwagę informacje zawarte w schemacie
technicznym instalacji, dane dotyczące urządzeń procesowych
i dane uzyskiwane z czujników pomiarowych, sposób realizacji samego procesu i instalacji, a także wiedzę osób przygotowujących eksperyment PZW na terenie Polski. Pozwoliło to na
systematyczne badanie poszczególnych elementów instalacji
pod kątem powstania odchyleń od założonych parametrów
procesu oraz na analizę czy zidentyfikowane odchylenia mogą
mieć negatywny wpływ na bezpieczne i efektywne prowadzenie procesu. Uproszczony schemat techniczny instalacji
PZW dla metody szybowej został przedstawiony na rysunku 1.
W scenariuszach powstawania awarii przyjęto podział
procesu podziemnego zgazowania węgla na trzy zasadnicze
etapy. Etap tłoczenia czynnika zgazowującego do georeaktora
lub czynnika inertyzującego w przypadku stanu awaryjnego
georeaktora, etap zgazowania, aż do trzeciego etapu jakim jest
podziemny przesył produktów zgazowania na powierzchnię.
Pozwoliło to na systemową identyfikację zagrożeń mających
potencjał wystarczający do generowania zdarzeń niebezpiecznych, tj. awarie lub wypadki (tabl. 1). Ustalono, że
źródłem zagrożeń powstających w procesie PZW mogą być
zarówno czynniki materiałowe, jak i czynniki mechaniczne
związane z jakością użytych materiałów oraz sposobem
wykonania instalacji i jej późniejszą obsługą. Uwzględniony
został również wpływ czynników naturalnych związanych
z ulokowaniem procesu pod ziemią, a także wpływ czynników
wewnątrzprocesowych.
Identyfikacja zagrożeń pozwoliła na określenie listy
potencjalnych przyczyn inicjujących ciągi zdarzeń niebezpiecznych, które w konsekwencji mogą doprowadzić do
zatrzymania procesu. Lista możliwych zagrożeń stała się
podstawą do określenia potencjalnych zdarzeń awaryjnych.
Dla tych zdarzeń opracowano scenariusze ich rozwoju
w procesie PZW metodą szybową.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
49
Rys. 1. Uproszczony schemat techniczny instalacji PZW [16]
Fig. 1. Simplified technical scheme of the UCG installation [16]
Tablica 1. Zidentyfikowane zagrożenia procesowe dla technologii PZW
Table 1. Identified process hazards of the UCG technology
ETAP PROCESU
Tłoczenie czynnika
zgazowującego/
inertyzującego
do georeaktora
Zgazowanie
w georeaktorze
Podziemny
przesył produktów
zgazowania na
powierzchnię (gaz
i kondensat)
ZAGROŻENIA/ ODCHYLENIA
W PROCESIE PZW
Zaburzenia w przepływie czynników
zgazowujących
Zaburzenia w przepływie czynników
inertyzujących
PRAWDOPODOBNA PRZYCZYNA
Awaria instalacji naziemnej podawania czynnika zgazowującego
Niedrożność rurociągu
Awaria instalacji naziemnej podawania azotu
Niedrożność rurociągu
Wada materiałowa/korozja
Błąd montażu
Utrata szczelności rurociągu
Uszkodzenie mechaniczne
Ruchy górotworu
Zmiany ciśnienia w rurociągu
Awaria instalacji naziemnej
Awaria instalacji naziemnej podawania czynnika zgazowującego
Zmniejszony dopływ czynnika zgazowującego w wyniku utraty szczelności
rurociągu
Zmiany temperatury wewnątrz georeaktora Źle zadane parametry procesu
Niekontrolowany dopływ wody złożowej do georeaktora
Zbyt duża ilość czynnika zgazowującego
Niedrożność układu odbioru produktów zgazowania lub jego awaria
Przedostanie się powietrza z wyrobisk do georeaktora (wybuch, ruchy górotworu)
Zmiany składu gazu procesowego –
Zbyt duża ilość czynnika zgazowującego
powstanie atmosfery wybuchowej
Zbyt wolny odbiór produktów zgazowania
Awaria instalacji naziemnej podawania czynnika zgazowującego
Zmniejszony dopływ czynnika zgazowującego w wyniku utraty szczelności
rurociągu
Źle zadane parametry procesu
Zmiany ciśnienia w georeaktorze
Niedrożność rurociągu na odprowadzeniu
Awaria instalacji odbioru gazów na powierzchni
Utrata szczelności rurociągu na odprowadzeniu
Przerwanie ciągłości na skutek ruchów górotworu
Brak szczelności georeaktora
Zawalenie się stropu georeaktora
Brak szczelności połączeń na wlocie/wylocie do/z georeaktora
Zakłócenia w przebiegu procesu w georeaktorze
Zaburzenia w przepływie produktów
zgazowania
Niedrożność rurociągu
Wada materiałowa/korozja
Błąd montażu
Utrata szczelności rurociągu (możliwość
powstania atmosfery wybuchowej)
Uszkodzenie mechaniczne
Ruchy górotworu
Zakłócenia w przebiegu procesu w georeaktorze
Zmiany ciśnienia w rurociągu
Awaria układu odbioru gazu na powierzchni
Zakłócenia w przebiegu procesu w georeaktorze
Zmiany temperatury w rurociągu
Awaria układu chłodzenia
W tablicy 1 nie uwzględniono czynników i przyczyn zagrożeń związanych z naziemną infrastrukturą instalacji, takich jak np. awaria systemu podawania azotu, czy niedrożność lub przepełnienie pojemników odbierających produkty zgazowania na powierzchni.
Table 1. does not include the factors and causes of surface infrastructure-related hazards, such as the failure of nitrogen feeding system or obstruction or
overflow of the containers receiving the gasification products on the surface
50
PRZEGLĄD GÓRNICZY
3.przykłady scenariuszy powstania awarii w procesie
pzw metodą szybową
Scenariusze możliwych zdarzeń/scenariusze awarii są
oparte na logice intuicyjnej, a ich celem jest tworzenie list
wydarzeń możliwych do zaistnienia w przyszłości, istotnych
dla funkcjonowania danej instalacji/przedsięwzięcia [12].
W przypadku wystąpienia awarii w procesie PZW zdarzeniem końcowym typu lokalnego może być np. niedrożność
rurociągu, uszkodzenie elementu infrastruktury systemu,
rozszczelnienie instalacji lub wybuch w georeaktorze. Każde
zdarzenie lokalne ma konsekwencje dla całego systemu (tzw.
skutki globalne) i może prowadzić do czasowego zatrzymania procesu lub też do jego całkowitego zakończenia. Istotą
tworzenie scenariuszy zdarzeń jest wyprzedzające identyfikowanie przyczyn ich możliwego zaistnienia, kierunków propagacji skutków, a także siły i oddziaływania na cały system,
jak również określenia zdolności systemu na reagowanie na
zmieniające się warunki. Aby móc zdefiniować mechanizmy
powstania awarii, konieczne było określenie scenariuszy
rozwoju zdarzeń inicjujących względem systemów bezpieczeństwa uwzględniających określone funkcje. Funkcje
te stanowią odpowiedź obiektu na występujące zakłócenia
w postaci zdarzenia inicjującego, np. spadek ilości tłoczonego czynnika zgazowującego na wlocie do georeaktora (od
zakładanej) może świadczyć o wypływie gazów do wyrobisk
bezpośrednio związanych z georeaktorem.
Ze względu na obszerność zagadnienia omawianego w
tym artykule, autorzy zdecydowali się na przedstawienie
najważniejszych scenariuszy powstania awarii w procesie
PZW prowadzonego metodą szybową. Kryterium wyboru
scenariusza było najwyższe prawdopodobieństwo wystąpienia
niebezpiecznego zdarzenia w trakcie normalnej pracy układu
oraz w okresie jego awaryjnego działania, a także wielkość
skutków jakie może wywołać dane zdarzenie.
3.1. Scenariusz 1. Wybuch w georeaktorze
Aby doszło do aktywacji zagrożenia w tym scenariuszu
niezbędne jest zaistnienie równocześnie dwóch czynników
tj. powstanie atmosfery wybuchowej wewnątrz georeaktora
oraz obecność inicjału (rys. 2).
Rys. 2.Sekwencja zdarzeń dla wybuchu w georeaktorze. S1
Fig. 2. Sequence of events for the explosion in the georeactor.
S1
Analiza składu gazu otrzymanego z polskich węgli w
procesie PZW wykazała, że dla uzyskanych średnich stężeń
nie występuje atmosfera wybuchowa, bowiem niespełniona
jest nierówności przedstawiona we wzorze 1.
O2 ≥
12 CH4 + 6CO + 5(H2 + C2H6)
CH4 + CO + H2 + C2H6
(1)
gdzie: O2, CH4, CO, H2, C2H6 – objętości procentowe gazów
wybuchowych wchodzących w skład syngazu.
2014
Prawdopodobieństwo wystąpienia atmosfery wybuchowej
w normalnym stanie pracy georeaktora jest bardzo małe, natomiast prawdopodobieństwo wystąpienia efektywnego źródła
zapłonu należy uznać jako wysokie zwłaszcza przy wylocie
z georeaktora z uwagi na temperaturę gazów procesowych.
W analizowanych eksperymentach PZW wynosiła ona co
najmniej 500 oC. Jeżeli weźmiemy pod uwagę, że w trakcie
procesu PZW może dojść do niekontrolowanego rozszczelnienia georeaktora, to wtedy musimy się liczyć z dodatkowym
źródłem dopływu powietrza kopalnianego zawierającego co
najmniej 20 % tlenu i dochodzi do spełnienia nierówności
opisanej wzorem 1. W takiej sytuacji prawdopodobieństwo
powstania wybuchu wzrośnie, gdyż temperatura gazów przy
wylocie z georeaktora jest wystarczająca, aby doszło do inicjacji wybuchu. Dlatego kontrola zawartości tlenu powinna
być prowadzona poprzez wykonywanie pomiarów stężeń
gazów na wylocie z rurociągu odprowadzającego produkty
zgazowania. W przypadku wzrostu stężeń tlenu konieczne jest
przeprowadzenie regulacji procesu spalania, tak aby stężenia
zmniejszyły się do 1 %. Jeżeli jest to niemożliwe, względy
bezpieczeństwa wymagają przerwania procesu i podania gazu
inertnego.
Inną przyczyną powstania atmosfery wybuchowej może
być podawanie zbyt dużej ilości czynnika zgazowującego
np. tlenu, który nie zostaje w pełni wykorzystany w procesie
spalania. Jego obecność w georeaktorze zwiększa prawdopodobieństwo powstania wybuchu. Kolejną rozpatrywaną
możliwością powstania wybuchu jest zbyt wolny odbiór produktów zgazowania spowodowany niedrożnością rurociągu
odprowadzającego produkty zgazowania.
3.2. Scenariusz 2. Wybuch w rurociągu odprowadzającym
gazy z georeaktora
Podobnie jak w poprzednim scenariuszu, aby doszło do
aktywacji zagrożenia i wstąpienia zdarzenia wybuchu niezbędna jest równoczesna aktywność dwóch czynników, tj.
powstanie atmosfery wybuchowej w rurociągu oraz wystąpienie inicjału (rys. 3).
Rys. 3.Sekwencja zdarzeń dla wybuchu w instalacji odbioru
gazów. S2
Fig. 3. Sequence of events for the explosion in the gas-receiving
installation. S2
Do wybuchu w instalacji odbioru gazów działającej
na podciśnieniu, może dojść w momencie rozszczelnienia
rurociągu w wyniku, którego do instalacji przedostanie się
powietrze kopalniane o zawartości około 20 % tlenu. Wielkość
dopływu tlenu do rurociągu (uzależniona od rozmiarów uszkodzeń) będzie decydowała o spełnieniu warunku opisanego
wzorem (1) i o możliwości powstania atmosfery wybuchowej
wewnątrz rurociągu. Aby doszło do wybuchu, niezbędny
jest także inicjał, którym w tym przypadku może być iskra
mechaniczna towarzysząca powstaniu uszkodzenia lub też
wysoka temperatura gazów, powyżej temperatury zapłonu
składników mieszaniny gazów.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
W scenariuszu S2 istnieje również możliwość wystąpienia
wybuchu w wyrobisku na skutek amputacji, czyli całkowitego
przerwania ciągłości rurociągu. Ilość wydostających się gazów
z rurociągu najprawdopodobniej nie będzie wystarczająca
do zaistnienia wybuchu (rurociąg pracuje na podciśnieniu).
3.3. Scenariusz 3. Niedrożność rurociągu doprowadzającego gazy do georeaktora
Aktywacja tego scenariusza jest możliwa w dwóch
przypadkach. Pierwszy z nich związany jest z fazą budowy
instalacji, gdy istnieje prawdopodobieństwo, że w skutek
błędu ludzkiego dojdzie do złego połączenia elementów
instalacji (błąd montażu) lub zatkania jej pozostawionymi
przedmiotami w rurociągu. Drugi przypadek związany jest
z zjawiskami naturalnymi, gdzie w trakcie procesu dochodzi
do ruchu górotworu w taki sposób, że fragment instalacji
zostaje „zaciśnięty” i staje się niedrożny (rys. 4).
Rys. 4.Sekwencja zdarzeń dla niedrożności rurociągu doprowadzającego gazy do georeaktora. S3
Fig. 4. Sequence of events for obstruction of the pipeline supplying gas to the georeactor. S3
Prawdopodobieństwo zajścia pierwszego ze zdarzeń jest
duże. W warunkach ruchowych kopalni nie trudno o pozostawianie w rurociągu elementów mogących doprowadzić
do jego niedrożności/zatkania. W celu minimalizacji prawdopodobieństwa tego zdarzenia należy proces zabudowy
rurociągów prowadzić pod ścisłym nadzorem, a ponadto
przed rozpoczęciem procesu przeprowadzić próbę drożności/
szczelności. Takie działanie praktycznie wyklucza możliwość
zatkania rurociągu doprowadzającego gaz z powodu błędów
powstałych podczas montażu. Drugie zdarzenie mogące
doprowadzić do niedrożności rurociągu to zaciśnięcie go
w wyniku ruchów górotworu. Ponieważ jest to zjawisko, które
może być nieobserwowalne i trudno przewidywalne wymagana będzie kontrola sejsmiczna rejonu przebiegu rurociągu
oraz szybkie działania profilaktyczne.
W obydwu przypadkach scenariusza S3 duże znaczenie prewencyjne ma zastosowanie modułowego łączenia
elementów instalacji i wymiany uszkodzonego modułu.
Konsekwencje niedrożności rurociągu zależne będą od tego
jaki gaz płynie rurociągiem. Przy założeniu, że rurociągiem
płynie powietrze, lub tlen – konsekwencje będą najmniejsze
tj. wystąpi tylko zaburzenie procesu spowodowane brakiem
dopływu środka zgazowującego, a w skrajnym przypadku
(brak możliwości naprawy) zatrzymanie procesu. Gdy rurociągiem płynie azot, stosowany podczas procesu wygaszania
georeaktora, i dojdzie do zatrzymania jego przepływu, może
wystąpić utrata kontroli nad procesem. Zgodnie z zasadą
nadmiarowości bezpieczeństwa wskazane będzie wykonanie
drugiego rurociągu przeznaczonego na dostarczenie azotu.
51
Jeżeli jest to możliwe rurociąg ten powinien być poprowadzony trasą alternatywną do pozostałych rurociągów.
Podobne do opisanych scenariusze mogą wystąpić
w przypadku awarii instalacji podawania gazów na powierzchni z niemal takim samym skutkiem dla systemu. Inny jednak
będzie charakter konsekwencji dla ludzi i środowiska.
3.4. Scenariusz 4. Niedrożność rurociągu odprowadzającego gazy z georeaktora
Realizacja tego scenariusza jest możliwa w trzech przypadkach. Dwa z nich zostały opisane w scenariuszu S3.
Trzecim jest niedrożność rurociągu przez smoliste produkty
zgazowania (rys. 5).
Rys. 5.Sekwencja zdarzeń dla niedrożności rurociągu odprowadzającego gazy z georeaktora. S4
Fig. 5. Sequence of events for obstruction of the pipeline which
carries away gases from the georeactor. S4
Prawdopodobieństwo zatkania rurociągu przez substancje
smoliste zależy od dwóch czynników. Pierwszym czynnikiem
jest spadek temperatury gazów procesowych, który może
być spowodowany zakłóceniami związanymi z przebiegiem
procesu (np. zakłócenia w dostawie czynnika zgazowującego,
przedostawanie się wody do georeaktora). Drugim zakłócenia w odbiorze substancji smolistych spowodowane awarią
pomp, zatkaniem separatorów czy przepełnieniem zbiorników.
Działaniami zapobiegającymi powstaniu tych zdarzeń są
bieżąca kontrola procesu oraz zastosowanie dwóch układów
pomp, z których jeden jest w stanie przejąć zadania odbioru
kondensatu w przypadku awarii pierwszego. Niedrożność
rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania może
doprowadzić do zatrzymania procesu lub spowodować rozszczelnienie tego rurociągu (scenariusz S6).
3.5. Scenariusz 5. Rozszczelnienie rurociągu doprowadzającego gazy do georeaktora
Aktywacja tego scenariusza jest możliwa w pięciu przypadkach. Pierwszy z nich związany jest z fazą budowy instalacji, gdy istnieje prawdopodobieństwo, że w skutek błędu
ludzkiego dojdzie do złego połączenia elementów instalacji
(błąd montażu). Drugi przypadek związany jest z zjawiskami naturalnymi, gdzie w trakcie procesu dochodzi do ruchu
górotworu w taki sposób, że następuje osłabienie połączeń
lub uszkodzenie powierzchni rurociągu. Trzeci przypadek
związany jest uszkodzeniem mechanicznym elementów
instalacji, czwarty z możliwością wystąpienia wady materiałowej w elementach użytych do budowy instalacji, a piąty
z korozją (rys. 6).
52
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
opisanych w scenariuszu S5. Szóste zdarzenie jest właściwe
dla zjawiska wybuchu w georeaktorze, który spowoduje
wzrost ciśnienia w rurociągu (rys. 7).
Rys. 6.Sekwencja zdarzeń rozszczelnienia rurociągu doprowadzającego gazy do georeaktora. S5
Fig. 6. Sequence of events resulting from the unsealing of the
pipeline supplying gases to the georeactor. S5
Decydujące znaczenie dla minimalizacji możliwości wystąpienia tego scenariusza ma przeciwdziałanie czynnikom
najbardziej niekorzystnym w czasie budowy instalacji np.
błędy montażu. W celu minimalizacji prawdopodobieństwa
wystąpienia rozszczelnienia rurociągu należy proces zabudowy rurociągów prowadzić pod ścisłym nadzorem oraz przed
rozpoczęciem procesu wykonać próbę szczelności. Drugie
zjawisko mogące doprowadzić do rozszczelnienia rurociągu
– ruch górotworu zostało opisane w scenariuszu S3.
Zdarzenia związane z wadą materiałową oraz korozją
rurociągu zależą od prawidłowo przyjętych założeń projektowych i zastosowania właściwych materiałów o odpowiednich
parametrach dostoswanych do panujących w wyrobiskach
górniczych warunków i kontroli dostarczanych materiałów
(atesty, certyfikaty). Zapobieganie zdarzeniom związanym
z mechanicznym uszkodzeniem instalacji sprowadza się
głównie do niedopuszczenia do przebywania w miejscu
przebiegu instalacji osób nieupoważnionych, które poprzez
swoje działanie mogą doprowadzić do uszkodzenia rurociągu.
Podobnie jak w scenariuszu S3 (niedrożność rurociągu
doprowadzającego gazy) duże znaczenie ma zastosowanie
modułowego łączenia elementów instalacji i wymiany uszkodzonego modułu.
Konsekwencje braku szczelności rurociągu zależne są od
rodzaju wtłaczanego gazu.
Przy założeniu, że rurociągiem płynie powietrze - wystąpi
zaburzenie procesu w skutek zmniejszenia ilość dostarczanego
powietrza (spadek ciśnienia). Gdy rurociągiem będzie płynął
tlen, nastąpi wyciek tlenu do wyrobisk, dojdzie do spadku
efektywności procesu oraz wzrostu zagrożeń, np. samozapłonu węgla. Gdy rurociągiem popłynie azot podczas procesu
wygaszania lub awarii może dojść do przerwania procesu
gaszenia w skutek wypływu azotu do wyrobisk i zassania
powietrza z miejsca nieszczelności. Skutki będą zależały od
wielkości nieszczelności. Najgorszą sytuacją będzie amputacja rurociągu. Mając na uwadze bezpieczeństwo procesu
zasadne jest wykonanie drugiego rurociągu z przeznaczeniem
głównie na dostarczenie azotu. Jeżeli jest to możliwe rurociąg ten powinien być poprowadzony trasą alternatywną do
pozostałych rurociągów.
3.6. Scenariusz 6. Rozszczelnienie rurociągu odprowadzającego gazy z georeaktora
Aktywacja tego scenariusza jest możliwa w sześciu
niezależnych przypadkach. Pięć z nich zostało szczegółowo
Rys. 7.Sekwencja zdarzeń rozszczelnienia rurociągu odprowadzającego gazy z georeaktora. S6
Fig. 7. Sequence of events resulting from the unsealing of the
pipeline which carries away the gases from the georeactor. S6
Do wzrostu ciśnienia w rurociągu może doprowadzić
wybuch w georeaktorze lub niedrożność się rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania. Opisane to zostało
w scenariuszach S1 i S4. Podobnie jak w scenariuszu S2 – niedrożność rurociągu doprowadzającego gazy duże, znaczenie
ma zastosowanie modułowego łączenia elementów instalacji
i sposób wymiany uszkodzonego modułu. Ponieważ instalacja
będzie pracować na podciśnieniu to w wyniku rozszczelnienia
rurociągu dojdzie do zassania powietrza kopalnianego co spowoduje zmianę jego składu procentowego i może prowadzić
do wybuchu w rurociągu (scenariusz S2).
Mając na uwadze specyfikę procesu nie można wykluczyć
zagrożenia powstania atmosfery niezdatnej do oddychania
z uwagi na wysoką zawartość CO w gazie procesowym. Dla
szybkiego wykrycia nieszczelności konieczne jest zastosowanie automatycznego systemu gazometrii. Dla zapewnienia
bezpieczeństwa pracowników wymagane jest przestrzeganie
zakazu przebywania pracowników w rejonie rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania. Konieczne prace naprawcze powinny być prowadzone w trybie akcji ratowniczej
przez ratowników górniczych.
4. Podsumowanie
Technologia podziemnego zgazowania węgla jest jeszcze technologią niekomercyjną, będącą w fazie badań.
Kluczowym zagadnieniem dla bezpiecznego prowadzenia
procesu jest dokładna i rzetelna analiza oraz ocena zagrożeń
mogących wystąpić w poszczególnych etapach realizacji
procesu. Analiza mechanizmu definiującego dany proces oraz
identyfikacja wszelkich odchyleń od normalnej pracy układu,
jest ważnym aspektem badań nad wdrożeniem technologii
PZW. Biorąc pod uwagę specyfikę tej technologii oraz niewielką wiedzę praktyczną, a także ograniczony zbiór danych
w obszarze awaryjności instalacji procesowych do PZW uzasadnione było prowadzenie obserwacji i analiz niezawodności
procesu oraz oceny bezpieczeństwa instalacji pilotażowych.
Zaproponowany w artykule sposób identyfikacji czynników
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
zagrożeń, pozwolił przedstawić sześć zasadniczych scenariuszy opisujących możliwość wystąpienia awarii procesowych
PZW, z uwzględnieniem rodzajów przyczyn oraz ich wpływu
na bezpieczeństwo procesowe. Scenariusze potencjalnych
awarii uwzględniają możliwość ich zaistnienia w trakcie fazy
stabilnej oraz w fazach odchyleniowych procesu. Scenariusze
mogą być rozpatrywane i wykorzystywane w różnych etapach
realizacji procesów PZW.
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac
rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania
energii”.
Autorzy pragną serdecznie podziękować Panu Jerzemu
Świądrowskiemu za współpracę i wsparcie merytoryczne przy
realizacji zadań dotyczących analizy i oceny ryzyka podczas
prowadzenia prób PZW.
Literatura:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Baron R., Kabiesz J., Koteras A.: Wybrane aspekty ryzyka środowiskowego związanego z procesem podziemnego zgazowania węgla [w]:
„Zagrożenia i technologie” pod red. J. Kabiesz, 2013.
Blinderman M.S., Anderson B.: Underground coal gasification for power
generation: Efficiency and CO2 – emissions. Proc. 12th International
Conference on Coal Science, Cairns, Australia, November 2-6, 2003;
Paper No. 12C1
Burton E., Friedmann J., Upadhye R.: Best Practice in Underground
Coal Gasification. University of California, Lawrence Livermore
National Laboratory, 2006.
Dziunikowski K.: Eksploatacja węgla kamiennego sposobem podziemnego zgazowania. Monografia polskiego górnictwa węglowego 1968.
Friedmann S. J.: Carbon sequestration. Proc. Energy Symposium,
Madison, WI, USA, 2006.
Friedmann J., Burton E., Upadhye R.: Underground Coal Gasification.
Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, 2007.
Kapusta K., Stańczyk K.: Uwarunkowania i ograniczenia rozwoju pro-
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
53
cesu podziemnego zgazowania węgla w Polsce. Przemysł Chemiczny
88/4, 2009.
Kapusta, K., Stańczyk, K., Wiatowski, M., & Chećko, J. Environmental
aspects of a field-scale underground coal gasification trial in a shallow
coal seam at the Experimental Mine Barbara in Poland. Fuel, 113(0),
196-208. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2013.05.015, 2013.
Kletz T.: HAZOP and HAZAN – Identifying and Assessing Process
Industry Hazards, 4th edition, Institution of Chemical Engineers, Rugby,
UK, ISBN 1852954212, 1999
Klimenko A.Y.: Early ideas in underground coal gasification. Energies
2009.
Markowski S. A.: Zapobieganie stratom w przemyśle. Część III.
Zarządzanie bezpieczeństwem procesowym. Wydawnictwo Politechniki
Łódzkiej. ISBN 83-87198-99-4, Łódź , 2000.
Materiały KWK „Wieczorek”.: Wniosek o wydanie opinii w zakresie
przyjętych rygorów w trakcie prowadzenia eksperymentalnej eksploatacji parceli pokładu 501 z zastosowaniem procesu podziemnego
zgazowania węgla. Katowice, 2012.
McCracken R.: Mining without mines: UCG. Energ Econ 2008.
Mcdonald D.: Practical Hazops, Trips and Alarms. Newnes, Elsevier,
ISBN 0750662743, 2004.
Moorhouse J., Huot M., McCulloch M.: Underground Coal Gasification:
Environmental Risks and Benefits Pembina Institute, 2010.
Mocek P., Gil I: Przesył gazu z podziemnego zgazowania węgla.
Przegląd Górniczy, 02/2013, 2013
Oliver T.: Clean fossil-fuelled power generation Energy Policy 26, 2008.
Polska Norma PN-IEC 61882:2005 Badania zagrożeń i zdolności do
działania (badania HAZOP) – przewodnik zastosowań, PKN, 2005.
Polska Norma PN-EN 31010:2010 Zarządzanie ryzykiem – Techniki
oceny ryzyka, PKN, 2010.
Stańczyk K., Dubiński J., Cybulski K., Wiatowski M., Świądrowski J.,
Kapusta K., Rogut J., Smoliński A., Krause E., Grabowski J.: Podziemne
zgazowanie węgla – doświadczenia światowe i eksperymenty prowadzone w KD Barbara. Polityka Energetyczna. Tom 13, Zeszyt 2. PL
ISSN 1429-6675, 2010
Wiatowski M., Stańczyk K., Świądrowski J., Kapusta K., Cybulski K.,
Krause E., Grabowski J., Rogut J., Howaniec N., Smoliński A.: Semitechnical underground coal gasification (UCG) using the shaft method
in Experimental Mine “Barbara”. Fuel 99, 2012.
Younger P.L.: Hydrogeological and geomechanical aspects of underground coal gasification and its direct coupling to carbon capture and
storage. Mine Water Environ 30, 2011.
54
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Analiza wrażliwości ekoefektywności technologii
podziemnego zgazowania węgla
Sensitivity analysis of eco-efficiency for the underground coal gasification process
dr hab. inż. Dorota Burchart-Korol
prof. nadzw*)
prof. dr hab. inż. Krystyna
Czaplicka-Kolarz*)
mgr inż. Piotr Krawczyk*)
Treść: W artykule przedstawiono wyniki analizy wrażliwości ekoefektywności technologii wytwarzania energii elektrycznej w procesie
podziemnego zgazowania węgla. Analiza ekoefektywności integruje wyniki oceny efektywności kosztowej metodą kosztów cyklu
życia (LCC – Life Cycle Costing) oraz wyniki oceny środowiskowej metodą analizy cyklu życia LCA (Life Cycle Assessment).
Analizę ekoefektywności przeprowadzono dla technologii podziemnego zgazowania węgla metodą bezszybową w zakresie od
przygotowania złoża, uzyskania gazu procesowego oraz jego oczyszczania do otrzymania energii elektrycznej oraz opcjonalnie
sekwestracji ditlenku węgla (CCS – Carbon Capture and Storage. Przeprowadzona analiza wrażliwości wykazała, że największy
wpływ na ekoefektywność technologii podziemnego zgazowania węgla metodą bezszybową, zarówno z, jak i bez CCS, ma
dyspozycyjność instalacji produkcji energii elektrycznej, a w następnej kolejności miąższość pokładu węgla. Kolejne istotne
czynniki wpływające na wynik to: długość kanałów poziomych (w technologii podziemnego zgazowania z CCS) i ceny praw
do emisji CO2 (w technologii podziemnego zgazowania bez CCS).
Abstract: This paper presents the results of sensitivity analysis of eco-efficiency assessment of energy production technologies based
on underground coal gasification. Eco-efficiency analysis integrates the results of the cost analysis based on Life Cycle
Costing (LCC) and environmental impact assessment based on Life Cycle Assessment (LCA). Eco-efficiency analysis was
performed for the underground coal gasification process, and includes: syngas obtained and its purification, energy production and optionally Carbon Capture and Storage (CCS). Sensitivity analysis of eco-efficiency of energy production based on
underground coal gasification process allowed to determine the hierarchy of the impact of the variables considered critical
for eco-efficiency of the technologies, such as the availability of electricity generation capacity, and further the coal seam
thickness. Other important factors affecting the results are the length of horizontal channels (underground coal gasification
with CCS) and the price of CO2 emission rights (underground coal gasification without CCS)
Słowa kluczowe:
ekoefektywność, ocena cyklu życia, koszty cyklu życia, podziemne zgazowanie węgla, analiza wrażliwości
Key words:
eco-efficiency, Life Cycle Assessment, Life Cycle Cost, underground coal gasification, sensitivity analysis
1. Wprowadzenie
Jedną z niekonwencjonalnych metod uzyskiwania energii
elektrycznej jest wytwarzanie jej ze spalania gazu syntezowego uzyskiwanego w procesie podziemnego zgazowania węgla
(PZW). Technologia PZW charakteryzuje się pozytywnymi
aspektami środowiskowymi, takimi jak brak odpadów stałych
(popiół i żużel) oraz mniejsza emisja zanieczyszczeń pyłowo-gazowych do powietrza [1÷4]. Proces PZW można prowadzić
*) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach
dwoma metodami: szybową – poprzez udostępnienie pokładu
węgla z chodnika kopalnianego oraz bezszybową – poprzez
udostępnienie pokładu węgla za pomocą wierceń z powierzchni ziemi [5]. PZW metodą bezszybową polega na udostępnieniu pokładu węgla przeznaczonego do zgazowania przez
otwory wykonywane z powierzchni terenu. Część otworów
przeznaczona jest do zatłaczania czynnika zgazowującego,
pozostałymi odbierane są produkty. Na świecie większość
przeprowadzanych eksperymentów odbywa się metodą bezszybową, najwięcej eksperymentów PZW przeprowadzono
w Stanach Zjednoczonych. Charakterystyka technologii podziemnego zgazowania węgla metodą szybową i bezszybową
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
została przedstawiona w pracy [5]. Wyniki analizy przepływu
materiałów (MFA – Material Flow Analysis) dla technologii
podziemnego zgazowania metodą bezszybową zostały pokazane w pracy [6].
W niniejszym artykule przedstawiono wyniki analizy
ekoefektywności technologii podziemnego zgazowania węgla
metodą bezszybową, jak również wyniki analizy wrażliwości,
określającej wpływ poszczególnych czynników (zmiennych
krytycznych) na wyniki oceny ekoefektywności. Analiza
wrażliwości należy do często stosowanych narzędzi oceny
ryzyka – służy do określenia potencjalnego ryzyka związanego z realizacją i eksploatacją inwestycji. Polega ona na
ocenie wpływu zmian, jakie mogą wystąpić w przyszłości
w kształtowaniu się kluczowych zmiennych wpływających na
opłacalność projektu. Zgodnie z tą metodą bada się wrażliwość
wyników oceny projektu/technologii na zmiany poszczególnych czynników [7]. W standardowej analizie wrażliwości
zakłada się, iż modyfikacje każdej uwzględnionej zmiennej
będą rozpatrywane przy niezmienności pozostałych parametrów. Dzięki takiemu podejściu istnieje możliwość określenia, który z kluczowych czynników oddziałuje najbardziej
na projekt inwestycyjny. Zastosowanie analizy wrażliwości
pozwala na uzyskanie informacji na temat dopuszczalnych
odchyleń poszczególnych zmiennych objaśniających, przy
których przedsięwzięcie inwestycyjne jest jeszcze opłacalne
[8,9]. Analiza wrażliwości jest jedną z metod pozwalających
na właściwe określenie parametrów, które będą miały wpływ
na zmianę wartości projektu inwestycyjnego [10, 11]. Analizy
wrażliwości wykorzystuje się również w obszarze modelowania systemów produkcyjnych, gdzie jej zakres koncentruje się
na analizie wpływu niepewności – zmiennych krytycznych
przyjętych do modelowania na efekty działania systemu [12].
Oddziaływanie poszczególnych parametrów na efektywność
projektu w analizie wrażliwości interpretuje się graficznie
badając nachylenie krzywych wrażliwości badanych zmiennych krytycznych [11].
2. Metody oceny cyklu życia, koszty cyklu życia oraz
ekoefektywność
Ekoefektywność po raz pierwszy została zdefiniowana
przez Światową Radę Biznesu na Rzecz Zrównoważonego
Rozwoju jako dostarczanie wyrobów i usług w konkurencyjnej cenie, które spełniają potrzeby człowieka i podnoszą jego
jakość życia, ograniczając wpływ na środowisko i zużycie
zasobów w całym cyklu życia. Głównym celem oceny ekoefektywności jest analiza porównawcza różnych rozwiązań,
uwzględniająca równocześnie czynniki ekonomiczne i środowiskowe. Ekoefektywność jest narzędziem, które umożliwia zintegrowaną ocenę wpływu na środowisko oraz ocenę
ekonomiczną systemu wyrobu lub technologii, uwzględniając
perspektywę cyklu życia [13,14]. Ocenę ekoefektywności
przeprowadza się w pięciu następujących etapach:
1. Zdefiniowanie celi i zakresu analiz ekoefektywności
2. Ocena efektywności środowiskowej
3. Ocena kosztowa
4. Obliczenie ekoefektywności
5. Interpretacja
Wskaźnik oceny efektywności środowiskowej do oceny
ekoefektywności zgodnie z normą ISO 14045:2012 powinien
być uzyskany w oparciu o technikę LCA, która pozwala ocenić zużycie materiałów i energii oraz wpływ na środowisko
w całym cyklu życia. Na podstawie analiz techniką LCA
można nie tylko ocenić wpływ technologii na poszczególne
kategorie wpływu, m.in. zdrowie ludzkie, jakość ekosystemu
55
czy zużycie zasobów, ale również określić które elementy
procesu generują największe obciążenie środowiska, w zależności od stosowanej metody oceny wpływu. Drugą składową
ekoefektywności związaną z oceną wartości systemu wyrobu,
może być ocena kosztów cyklu życia.
W obliczeniach zastosowano metodę analizy ekoefektywności wykorzystującą ocenę cyklu życia LCA oraz ocenę
kosztów cyklu życia LCC. Wskaźnik ekoefektywności kosztowej obliczono zgodnie z opracowaną formułą (1):
(1)
gdzie:
EFE – ekoefektywność
LCAt – wyniki analizy LCA w danym roku budowy/funkcjonowania/likwidacji instalacji;
LCCt – wyniki analizy LCC w danym roku budowy/funkcjonowania/likwidacji instalacji;
Pt – wielkość produkcji energii elektrycznej w danym
roku;
i – stopa dyskontowa;
t – rok, przyjmuje wartości od 0 do n, gdzie 0 jest rokiem, w którym ponosimy pierwsze koszty (pierwszy rok budowy), natomiast n jest rokiem likwidacji
instalacji.
3. Analizy własne
3.1. Cel i zakres wykonanych analiz
W celu wykonania analizy wrażliwości ekoefektywności
technologii zgazowania węgla wykorzystano wyniki prac
wykonanych w ramach projektu Narodowego Centrum Badań
i Rozwoju pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla
dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
[15,16]. Analiza wrażliwości ekoefektywności podziemnego
zgazowania węgla wykonana została dla dwóch modelowych
wariantów technologii zgazowania metodą bezszybową (rys
1 i 2).
Analiza wrażliwości ekoefektywności technologii podziemnego zgazowania węgla wymagała przeprowadzenia
następujących prac:
– określenie celu i zakresu analiz oraz granic systemu do
przeprowadzenia analiz efektywności środowiskowej,
kosztowej oraz ekoefektywności dla dwóch wariantów
technologii podziemnego zgazowania węgla – z CCS
i bez CCS,
– ocena efektywności środowiskowej techniką LCA metodą
ReCiPe 2008,
– ocena kosztowa technologii zgazowania techniką LCC,
– analiza ekoefektywności technologii,
– ustalenie kluczowych zmiennych, które uwzględniono
w analizach,
– określenie wiarygodnego przedziału zmienności dla poszczególnych parametrów (zmiennych krytycznych),
– wykonanie obliczeń wskaźników oceny efektywności środowiskowej, kosztowej oraz ekoefektywności dla dwóch
wariantów podziemnego zgazowania z uwzględnieniem
wszystkich przyjętych zmiennych krytycznych,
– określenie hierarchii wpływu analizowanych zmiennych
krytycznych na wartość wskaźników kosztowego, środo-
56
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys.1. PZW metodą bezszybową bez CCS [6]
Fig. 1. UCG by use of non-shaft method without CCS [6]
Rys. 2.PZW metodą bezszybową z CCS [6]
Fig. 2. UCG by use of non-shaft method with CCS [6]
wiskowego oraz ekoefektywności technologii podziemnego zgazowania węgla metodą bezszybową w kierunku
produkcji energii elektrycznej.
Zakres prac dotyczył dwóch wariantów technologii
podziemnego zgazowania węgla metodą bezszybową
(z CCS lub bez CCS). W celu wykonania analizy efektywności środowiskowej, kosztowej i ekoefektywności określono
granice systemu podziemnego zgazowania w zakresie od
etapu przygotowania złoża (w tym wiercenia przygotowawcze i wstępne), poprzez budowę naziemnej infrastruktury,
wytwarzanie czynników zgazowujących (tlen), proces zgazowania, oczyszczanie gazu i uzyskanie energii elektrycznej.
Przeprowadzone analizy efektywności środowiskowej, kosztowej oraz ekoefektywności technologii podziemnego zgazowania węgla uwzględniały również łańcuch technologiczny
związany z sekwestracją dwutlenku węgla obejmujący jego
wychwytywanie, sprężanie, przesył rurociągiem, zatłaczanie
do pustek podziemnych oraz magazynowanie.
W pracy zastosowano metodę analizy ekoefektywności
opartą na ocenie cyklu życia LCA oraz kosztach cyklu życia
LCC. Posłużono się wzorem przedstawionym we wcześniejszych pracach autorów [13,14]. Zebrane dane do analiz zostały przeliczone z uwzględnieniem uwarunkowań krajowych
i założonej skali instalacji. Takie przeliczenie jest niezbędne
w celu uzyskania porównywalności wyników. Analizy ekoefektywności przeprowadzono dla technologii zgazowania w
kierunku uzyskania energii elektrycznej o ilości zgazowanego
węgla 10 Mg/h.
W analizie wrażliwości przyjęto, iż zmienną objaśnianą
(bazową) jest wskaźnik ekoefektywności (a także pośrednio
– wskaźnik LCA i LCC), a zmienną objaśniającą (zmienną
objaśniającą niezależną, której zmiana nie wpływa w sposób
bezpośredni na inne zmienne) są zmiany poszczególnych parametrów. Głównym celem wykonanych analiz jest pokazanie
wrażliwości wyników oceny środowiskowo-kosztowej (kryterium decyzyjnego – ekoefektywność) na zmianę ustalonych
parametrów. Wykonane analizy pozwalają odpowiedzieć na
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
pytanie, o ile zmieni się wartość parametru decyzyjnego –
wskaźnik ekoefektywności (w tym wskaźnik LCA i DGC),
jeśli wartość zmiennych krytycznych zmieni się o przyjęte
odchylenie procentowe.
3.2. Rezultaty i dyskusja wyników
Na podstawie przeglądu literatury i założeń własnych
wykonano analizę wrażliwości wskaźników oceny efektywności środowiskowej obliczonych techniką LCA, wskaźników
kosztowych uzyskanych techniką LCC oraz wskaźników
ekoefektywności podziemnego zgazowania węgla. W ramach
analizy wrażliwości wyników oceny efektywności środowiskowej, kosztowej oraz ekoefektywności dla PZW metodą
bezszybową zostały przeanalizowane zmienne krytyczne w
następujących zakresach:
– Głębokość zalegania pokładu węgla – obliczenia wykonano dla głębokości zalegania: 400 m (wartość bazowa),
600 m, 800 m, 1000 m i 1200 m.
– Miąższość pokładu węgla – obliczenia wykonano dla
Rys. 3.Analiza wrażliwości wskaźników środowiskowych dla
podziemnego zgazowania węgla bez CCS
Fig, 3. Sensitivity analysis of environmental indicators for the
underground coal gasification process without CCS
Rys. 5.Analiza wrażliwości ekoefektywności dla podziemnego
zgazowania węgla bez CCS
Fig. 5. Sensitivity analysis of eco-efficiency for the underground coal gasification process without CCS
57
miąższości: 6 m, 5 m (wartość bazowa), 4 m, 3 m i 2 m.
– Długość kanałów poziomych – obliczenia wykonano dla
długości: 100 m, 200 m, 400 m (wartość bazowa), 600 m
i 800 m.
– Dyspozycyjność instalacji produkcji energii elektrycznej
– obliczenia wykonano dla dyspozycyjności: 60%, 70%,
80 % (wartość bazowa), 90 % i 100 %.
– Ceny praw do emisji CO2 – obliczenia wykonano dla
odchyleń cen od wartości bazowej: -100% (brak opłat za
prawa do emisji CO2), -75 %, -50 %, -25 %, +25 % i +50 %.
– Zmiany stopy dyskontowej – obliczenia wykonano dla
odchyleń w punktach procentowych od wartości bazowej
równej 5 %: -2 %, -1 %, +1 % i +2 %.
Na rysunkach 3 ÷ 5 przedstawiono interpretację graficzną
wyników analizy wrażliwości wskaźników środowiskowych,
kosztowych oraz ekoefektywności dla podziemnego zgazowania węgla bez CCS, natomiast na rysunkach 6÷8 przedstawiono interpretację graficzną wyników analizy wrażliwości
wskaźników środowiskowych, kosztowych oraz ekoefektywności dla podziemnego zgazowania węgla z CCS.
Rys. 4.Analiza wrażliwości wskaźników kosztowych dla podziemnego zgazowania węgla bez CCS
Fig. 4. Sensitivity analysis of cost indicators for the underground coal gasification process without CCS
Rys. 6.Analiza wrażliwości wskaźników środowiskowych dla
podziemnego zgazowania węgla z CCS
Fig. 6. Sensitivity analysis of environmental indicators for the
underground coal gasification process with CCS
58
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 7.Analiza wrażliwości wskaźników kosztowych dla podziemnego zgazowania węgla z CCS
Fig. 7. Sensitivity analysis of cost indicators for the underground coal gasification process with CCS
Wyniki analizy wrażliwości pozwalają określić następującą hierarchię wpływu analizowanych zmiennych krytycznych na wartość wskaźnika środowiskowego, wskaźnika
kosztowego oraz ekoefektywności technologii bezszybowej
PZW produkcji energii elektrycznej i ciepła bez CCS (od
największego do najmniejszego wpływu):
A. Hierarchia wpływu analizowanych zmiennych krytycznych na wartość wskaźnika środowiskowego:
1. Dyspozycyjność instalacji produkcji energii elektrycznej.
2. Miąższość pokładu węgla.
3. Długość kanałów poziomych.
4. Głębokość zalegania pokładu węgla.
B. Hierarchia wpływu analizowanych zmiennych krytycznych na wartość wskaźnika kosztowego:
1. Dyspozycyjność instalacji produkcji energii elektrycznej.
2. Miąższość pokładu węgla.
3. Ceny praw do emisji CO2.
4. Zmiany stopy dyskontowej.
5. Głębokość zalegania pokładu węgla.
6. Długość kanałów poziomych.
C. Hierarchia wpływu analizowanych zmiennych krytycznych na wartość wskaźnika ekoefektywności:
1. Dyspozycyjność instalacji produkcji energii elektrycznej.
2. Miąższość pokładu węgla.
3. Ceny praw do emisji CO2.
4. Głębokość zalegania pokładu węgla.
5. Długość kanałów poziomych.
6. Zmiany stopy dyskontowej.
Wyniki analizy wrażliwości pozwalają określić następującą hierarchię wpływu analizowanych zmiennych krytycznych
na wartość wskaźnika środowiskowego, wskaźnika kosztowego oraz ekoefektywności technologii bezszybowej PZW
produkcji energii elektrycznej i ciepła z CCS (od największego
do najmniejszego wpływu):
A. Hierarchia wpływu analizowanych zmiennych krytycznych na wartość wskaźnika środowiskowego:
1. Dyspozycyjność instalacji produkcji energii elektrycznej.
2. Miąższość pokładu węgla.
2014
Rys. 8.Analiza wrażliwości ekoefektywności dla podziemnego
zgazowania węgla z CCS
Fig. 8. Sensitivity analysis of eco-efficiency for the underground coal gasification process with CCS
3. Długość kanałów poziomych.
4. Głębokość zalegania pokładu węgla.
B. Hierarchia wpływu analizowanych zmiennych krytycznych na wartość wskaźnika kosztowego:
1. Dyspozycyjność instalacji produkcji energii elektrycznej.
2. Miąższość pokładu węgla.
3. Zmiany stopy dyskontowej.
4. Ceny praw do emisji CO2.
5. Głębokość zalegania pokładu węgla.
6. Długość kanałów poziomych.
C. Hierarchia wpływu analizowanych zmiennych krytycznych na wartość wskaźnika ekoefektywności:
1. Dyspozycyjność instalacji produkcji energii elektrycznej.
2. Miąższość pokładu węgla.
3. Długość kanałów poziomych.
4. Głębokość zalegania pokładu węgla.
5. Zmiany stopy dyskontowej.
6. Ceny praw do emisji CO2.
Podsumowanie i wnioski
1. Przeprowadzona analiza wrażliwości ekoefektywności
technologii podziemnego zgazowania węgla pozwala
na ocenę poszczególnych zmiennych na wynik oceny
efektywności środowiskowej i kosztowej, dzięki czemu
istnieje możliwość wskazania kryteriów decyzyjnych
dla opłacalności projektów rozwojowych – technologii
czystego węgla. Zastosowanie analizy wrażliwości ekoefektywności technologii pozwoli na określenie obszarów
największego ryzyka przy podejmowaniu decyzji odnośnie
do nowych projektów związanych z rozwojem technologii
czystego węgla.
2. Wykonanie oceny cyklu życia LCA, jak również kosztów
cyklu życia LCC wymagało zebrania szczegółowych
danych eksploatacyjnych, jak również kosztowych analizowanych technologii podziemnego zgazowania węgla.
Nr 11
3.
4.
5.
6.
PRZEGLĄD GÓRNICZY
W tym celu opracowano szczegółowe karty technologii
podziemnego zgazowania węgla, w których zebrano
wszystkie niezbędne dane bilansowe oraz kosztowe.
Na podstawie opracowanej autorskiej metody oceny ekoefektywności, integrującej wskaźnik środowiskowy LCA
oraz wskaźnik kosztowy DGC dla dwóch analizowanych
technologii wykonano obliczenia ekoefektywności dla
wszystkich przyjętych zmiennych krytycznych.
Wyniki analizy wrażliwości pozwoliły określić hierarchię
wpływu analizowanych zmiennych krytycznych na efektywność środowiskową, kosztową oraz ekoefektywność
technologii podziemnego zgazowania węgla metodą
bezszybową.
Przeprowadzona analiza wrażliwości obliczonych
wskaźników efektywności środowiskowej, kosztowej
i ekoefektywności wykazała, że największy wpływ na
ekoefektywność technologii podziemnego zgazowania
węgla metodą bezszybową, zarówno z, jak i bez CCS, ma
dyspozycyjność instalacji produkcji energii elektrycznej,
a w następnej kolejności miąższość pokładu węgla.
Kolejne istotne czynniki wpływające na wynik to: długość
kanałów poziomych (dla technologii podziemnego zgazowania z CCS) i ceny praw do emisji CO2 (dla technologii
podziemnego zgazowania bez CCS).
Przeprowadzone do tej pory analizy ekoefektywności podziemnego zgazowania węgla wymagają dalszych badań
wpływu poszczególnych parametrów procesu zgazowania
na wynik ekoefektywności. W kolejnych analizach zostaną
uwzględnione wyniki eksperymentów prowadzonych
w warunkach krajowych.
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac
rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania
energii”.
Literatura
1.
2.
Brigham E.F.: Podstawy zarządzania finansami, PWE, Warszawa 2006.
Czaplicka-Kolarz K. i in.: Raport merytoryczny Cz.T.B. nr 8.1.1:
„Określenie miar, standardów oraz procedur oceny efektywności
technicznej, ekologicznej i kosztowej podziemnego i naziemnego
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
59
zgazowania węgla”. Zał. 1. Przegląd metod oceny cyklu życia. GIG,
grudzień 2011. Materiał niepublikowany
Czaplicka-Kolarz K. i in.: Raport merytoryczny Cz.T.B. nr 8.2.1: „Ocena
efektywności technicznej i ekologicznej oraz kosztów technologii podziemnego zgazowania węgla, identyfikacja nakładów inwestycyjnych
dla pilotowych i referencyjnych technologii”. Zał. 1. Analiza wrażliwości i ryzyka wskaźników środowiskowych, kosztowych oraz wskaźnika
ekoefektywności dla technologii PZW. GIG, czerwiec 2014. Materiał
niepublikowany.
Czaplicka-Kolarz K., Burchart-Korol D., Krawczyk P.: Wybrane determinanty ekoefektywności podziemnego i naziemnego zgazowania
węgla, Przegląd Górniczy, nr 2, 2013
Czaplicka-Kolarz K., Burchart-Korol D., Śliwińska A., Krawczyk P.,
Ludwik-Pardała M.: Ekoefektywność technologii podziemnego zgazowania węgla – metodyka i dotychczasowe doświadczenia, Przegląd
Górniczy, nr 10, 2011, s.33÷40
Czaplicka-Kolarz K., Korol J., Niemotko K., Ludwik-Pardała M.:
Material Flow Analysis (MFA) of unconventional way of electricity production based on underground coal gasification, Journal of Sustainable
Mining (w druku)
Kapusta K., Stańczyk K., Wiatowski M., Chećko J.: Environmental
Aspects of Field Scale UCG Trial in Shallow Coal Seam in Experimental
Mine „Barbara”, Fuel, 113, 2013
Kapusta K., Stańczyk K.: Pollution of water during underground coal gasification of hard coal and lignite, Fuel, 2011, 90, 1927÷1934. Fuel, 90, 2011
Ludwik-Pardała M., Niemotko K.: Przegląd metod podziemnego zgazowania węgla na podstawie wybranych przeprowadzonych prób na
świecie, Przegląd Górniczy 2013,
Mielcarek J.: Analiza wrażliwości w rachunkowości zarządczej,
Wydawnictwo Target, Poznań 2006
Niżanowski R.: Analiza opłacalności, Uniwersyteckie Wydawnictwo
Medyczne Versalius, Kraków 2002
Nowakowski T.: Problems with analyzing operational data uncertainty,
Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 10, nr 3, 2010
Ranosz R., Kopacz M.: Analiza wrażliwości wynikowej NPV z uwzględnieniem odchylenia standardowego w procesie wyceny górniczych
projektów inwestycyjnych. Przegląd Górniczy nr 3-4, 2013
Rogowski W., Kasiewicz S.: Analiza wrażliwości jako metoda analizy
ryzyka przedsięwzięć inwestycyjnych [w:] Efektywnośc źródłem bogactwa narodów pod. Red. T. Dudycza, S. Wrzoska AE, Wrocław 2006.
Smoliński A., Stańczyk K., Kapusta K., Howaniec N.: Analysis of the organic contaminants in the condensate produced in the in-situ underground
coal gasification process, Water Science and Technology, 76(3), 2013
Smoliński A., Stańczyk K., Kapusta K., Howaniec N.: Chemometric study of the ex-situ underground coal gasification wastewater experimental
data. Water, Air and Soil Pollution, 223, 2012
60
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Symulacja procesu podziemnego zgazowania węgla
w eksperymentach ex-situ
Simulation of underground coal gasification process in ex-situ experiments
Dr Krzysztof Kapusta*)
Dr inż. Marian Wiatowski*) Prof. dr hab. inż. Krzysztof Stańczyk*)
Treść: Przeprowadzono serię sześciu symulacji eksperymentalnych procesu podziemnego zgazowania węgla (PZW) w warunkach
powierzchniowych (ex-situ), których celem było określenie typu geometrii kanału ogniowego oraz warunków prowadzenia
procesu pozwalających na uzyskanie gazu o możliwie najwyższej wartości opałowej. 5 prób zgazowania prowadzono z wykorzystaniem węgli kamiennych oraz jedną na węglu brunatnym, stosując do zgazowania różne czynniki zgazowujące, tj. tlen,
powietrze oraz ich mieszaniny. Badania wykazały, że konfiguracja kanału ogniowego ma istotny wpływ na przebieg procesu
zgazowania oraz na wartość opałową gazu, głównie ze względu na różną zawartość tlenku węgla w gazach otrzymywanych
dla różnych konfiguracji. Dla przyjętych geometrii złóż węglowych, najkorzystniejsze warunki przebiegu procesu zgazowania
obserwowano w przypadku stosowania czystego tlenu. Średnie wartości opałowe gazu produkowanego w trakcie zgazowania
węgli kamiennych tlenem mieściły się w przedziale od 7,6 do 9,7 MJ/Nm3, a uzyskiwane sprawności energetyczne procesu
mieściły się w przedziale od 46,8 % do 79 %. Zamiana czynnika zgazowującego na powietrze spowodowała znaczny spadek
temperatur w reagującym układzie, skutkujący wyraźnymi spadkami stężeń głównych składników palnych gazu (H2, CO).
W warunkach podniesionego ciśnienia zgazowania powietrzem uzyskiwano wyższą wartość opałową gazu, głównie z powodu
zwiększenia udziału metanu w gazie.
Abstract: A series of six experimental simulations of the underground coal gasification process (UCG) in the surface conditions (ex
situ) was conducted. The main aim was to determine the influence of gasification channel geometry and process conditions
on the calorific value of gas. Five gasification tests were conducted using hard coal samples and one experiment was carried
out on lignite. The gasification tests were carried out with distinct gasification reagents, i.e. oxygen, air and their mixtures.
Studies have shown that the gasification channel configuration has a significant influence on the gasification process and
on gas calorific value, mainly due to the variation of the content of carbon monoxide in the gases obtained for the different
configurations. For the tested geometries, the most favorable conditions for the gasification process were observed in the case
of pure oxygen. Mean calorific value of the gas produced during the gasification of hard coal with oxygen ranged from 7.6
to 9.7 MJ/Nm3 and energy efficiency of the process obtained ranged from 46.8% to 79%. When using air as the gasifying
agent, a significant decrease in temperature was observed, resulting in a decrease in the concentrations of combustible gas
components (H2, CO). Under the conditions of elevated pressure with air, a higher heating value of gas was obtained, mainly
due to the increase in the concentration of methane in the UCG gas.
Słowa kluczowe:
podziemne zgazowanie węgla, symulacje ex-situ, czyste technologie węglowe, gaz syntezowy
Key words:
underground coal gasification, ex-situ simulations, clean coal technologies, synthesis gas
1. Wprowadzenie
Podziemne zgazowania węgla należy do zagadnień
złożonych. Chociaż z chemicznego i termodynamicznego
*) Główny Instytut Górnictwa w Katowicach
punktu widzenia proces PZW przebiega w sposób analogiczny do procesów zgazowania realizowanych w reaktorach
powierzchniowych (np. Lurgi), warunki prowadzenia PZW
nie są porównywalne z warunkami panującymi w układach
powierzchniowych. Zgazowanie węgla w warunkach podziemnych przebiega w zwięzłej caliźnie węglowej, a kontakt
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
węgla z czynnikami zgazowującymi jest mocno ograniczony.
Powoduje to przebieg rekcji tylko w miejscach, gdzie zapewniony jest odpowiedni kontakt węgla z czynnikami utleniającymi oraz gdzie panują odpowiednie dla zgazowania warunki
termodynamiczne (wysoka temperatura). Niekorzystnym
zjawiskiem związanym z prowadzeniem zgazowania węgla
pod ziemią jest również równoległy przebieg procesów
suszenia i pirolizy węgla, utrudniający interpretację zachodzących zjawisk. W przypadku powierzchniowych procesów
zgazowania, zjawiska te przebiegają oddzielnie. Dodatkowo,
proces PZW jest silnie uzależniony od warunków naturalnych
panujących w miejscu realizacji procesu. Do najważniejszych
zalicza sie warunki geologiczne oraz hydrogeologiczne złoża
[1]. Realizacja procesu zgazowania bezpośrednio w złożu
(in-situ) niesie za sobą również znaczące ograniczenia w zakresie możliwości kontroli parametrów procesowych, głównie
temperatury. Temperatura stanowi jeden z kluczowych dla
zgazowania parametrów, wpływających na skład uzyskiwanego gazu, a jej rozkład wzdłuż kanału ogniowego świadczy
o prawidłowym przebiegu procesu.
Jedną z metod pozyskania danych procesowych na etapie
tworzenia koncepcji instalacji pilotowych, demonstracyjnych
oraz budowy modeli numerycznych procesu PZW są symulacje eksperymentalne z wykorzystaniem wielkolaboratoryjnych stanowisk badawczych umożliwiających uzyskanie na
powierzchni warunków zbliżonych do warunków naturalnego
zalegania złoża, tzw. badania ex-situ. Stanowiska badawcze
ex-situ pozwalają na zastosowanie szerokiej gamy przyrządów pomiarowych i uzyskanie tym samym cennych danych
procesowych, których pozyskanie w warunkach podziemnych
byłoby niemożliwe. Badania poprocesowe obejmują ponadto
bezpośrednią inspekcję wytworzonej kawerny oraz pobór
próbek stałych ze ściśle określonych miejsc po zakończeniu
doświadczenia. Próby stałych produktów ubocznych zgazowania (karbonizaty, popioły i żużle) służyć mogą do dalszych
badań, np. w zakresie mechaniki górotworu w otoczeniu
reaktora podziemnego lub do oszacowania potencjalnego
oddziaływania procesu na środowisko naturalne [2, 3].
Badania podziemnego zgazowania węgla w skali wielkolaboratoryjnej na stanowiskach, w których procesowi
poddawane są duże bloki węglowe symulujące pokład,
prowadzone były w ostatnich latach przez grupy badawcze
z Chin [4], Słowacji [5] oraz Indii [6]. Znaczący wkład w aktualny stan wiedzy w zakresie procesu PZW wniosły również
badania ex-situ prowadzone przez Główny Instytut Górnictwa
w ramach projektów HUGE oraz HUGE2. W ramach wymie-
61
nionych projektów, finansowanych przez Fundusz Badawczy
Węgla i Stali (RFCS), na terenie Kopalni Doświadczalnej
„Barbara” GIG w Mikołowie wybudowano instalację badawczą, w której przeprowadzono 8 symulacji eksperymentalnych
procesu zgazowania podziemnego. Badania, których głównym
celem było uzyskanie gazu bogatego w wodór, prowadzono
z użyciem różnych typów węgla, stosując szeroką gamę
czynników zgazowujących oraz warunków technologicznych.
Uzyskane wyniki, przedstawione w licznych publikacjach
[7÷11], z powodzeniem są wykorzystywane dla weryfikacji
modeli matematycznych procesu i obliczeń na potrzeby
koncepcji, analiz i projektów technicznych instalacji w skali
pilotowej bądź demonstracyjnej.
W artykule zestawiono ogólne wyniki 6 powierzchniowych
symulacji procesu PZW, przeprowadzonych w Głównym
Instytucie Górnictwa w ramach projektu pt. „Opracowanie
technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”. Projekt finansowany jest
przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych
„Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”.
2. Instalacje doświadczalne ex-situ wykorzystane do
badań
Badania prowadzone były z wykorzystaniem następujących instalacji doświadczalnych do symulacji procesu PZW
w warunkach naziemnych (ex-situ):
– instalacja bezciśnieniowa o maksymalnej długości złoża
2,5 m,
– instalacja bezciśnieniowa o maksymalnej długości złoża
7,0 m,
– instalacja ciśnieniowa do 50 bar o maksymalnej długości
złoża 3,5 m.
Konstrukcje wymienionych urządzeń dają możliwość
uzyskania zbliżonych warunków geologicznych otoczenia
reaktora podziemnego, zarówno w odniesieniu do pokładu węgla, jak i warstw otaczających oraz wyposażone są
w niezbędną infrastrukturę techniczną do prowadzenia procesu
zgazowania. Wykorzystane do badań instalacje przedstawiono
w poniższych podrozdziałach.
2.1. Instalacja bezciśnieniowa ex-situ o długości złoża 2,5 m
Schemat instalacji bezciśnieniowej o długości złoża 2,5
m przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1.Schemat instalacji doświadczalnej ex-situ 2,5 m do symulacji procesu podziemnego zgazowania węgla
Fig. 1. Scheme of the ex-situ experimental installation 2.5 m for the simulations of underground coal gasification
62
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Geometria wewnętrzna komory reakcyjnej umożliwia
utworzenie sztucznego pokładu węgla o maksymalnej długości ok. 2,5 m i wymiarach przekroju poprzecznego 0,8 × 0,8.
m. Reaktor został zaprojektowany do prowadzenia symulacji
procesu PZW pod ciśnieniem atmosferycznym, przy maksymalnych temp. procesu do 1600 °C. Jako czynniki utleniające
stosowane mogą być tlen, powietrze, para wodna, podawane
indywidualnie lub w mieszaninach o dowolnym stosunku
objętościowym poszczególnych składników. Produkty gazowe
podlegają oczyszczaniu w module oczyszczania składającym się z dwóch separatorów wilgoci, cząstek stałych oraz
substancji olejowo-smolistych. Część produkowanego gazu
kierowana jest ścieżką gazową do analizy chemicznej, gdzie
po dodatkowym usunięciu wilgoci i cząstek stałych oznaczane
zostają metodą chromatograficzną stężenia podstawowych
składników gazu (H2, CO, CO2, CH4). Profile temperaturowe
mierzone są za pomocą zestawu 25 termopar umieszczonych
na różnych wysokościach symulowanego złoża węgla oraz
warstwy nadkładu.
2.2. Instalacja bezciśnieniowa ex-situ o długości złoża 7,0 m
Instalacja bezciśnieniowa umożliwia prowadzenie badań
nad procesem PZW w symulowanym złożu węgla o maksymalnej długości 7,0 m i przekroju poprzecznym 1,0 × 1,0 m
pod ciśnieniem atmosferycznym. Geometrię reaktora przedstawiono na rysunku 2.
Maksymalna projektowana temperatura pracy instalacji
wynosi 1800 ºC. Zgazowanie prowadzone może być z zastosowaniem tlenu, powietrza oraz pary wodnej, podawanych
indywidualnie lub w mieszaninach. Gaz surowy podlega
oczyszczaniu w dedykowanym module separacji i oczyszczania, którego pierwszy element stanowi skruber wodny
2014
(mocne schłodzenie gazu oraz kondensacja smół procesowych). Następnie gaz kierowany jest do chłodnicy powietrznej, separatorów wilgoci, substancji olejowo-smolistych
i cząstek stałych oraz chłodnicy wodnej. Część strumienia
gazów kierowana jest ścieżką gazową do analizy chemicznej,
gdzie metodą chromatograficzną oznaczane zostają stężenia
podstawowych komponentów gazu oraz wybrane produkty
uboczne (np. produkty smoliste). Profile temperaturowe reagującego układu mierzone są za pomocą zestawu 48 termopar
umieszczonych w na różnych wysokościach symulowanego
złoża węgla i warstwy nadkładu. Zdjęcia instalacji badawczej
przedstawiono na rysunku 3.
2.3. Instalacja ciśnieniowa ex-situ (50 bar) o długości złoża
3,5 m
Instalacja ciśnieniowa umożliwia prowadzenie symulacji
procesu PZW w zakresie ciśnień od 0 do 50 bar. Maksymalna
długość złoża wynosi 3,5 m, a przekrój poprzeczny złoża: 0,42
× 0,42 m. Budowę reaktora zobrazowano na rys. 4.
Podobnie jak w przypadku wcześniej opisanych instalacji,
czynnikiem zgazowującym może być tlen, powietrze, para
wodna oraz wodór. Gaz surowy podlega oczyszczaniu w dedykowanym module separacji i oczyszczania, którego pierwszy
element stanowi ciśnieniowy skruber wodny. Pozostała część
układu oczyszczania i analizy jest wspólna dla instalacji
ciśnieniowej i bezciśnieniowej i została opisana powyżej.
Profile temperaturowe reagującego układu mierzone są przy
pomocy zestawu 14 termopar. 7 termoelementów umieszczono
w części spągowej wymurówki ogniotrwałej reaktora, pozostałe 7 w części stropowej wymurówki. Stanowisko ciśnieniowe przedstawiono na rysunku 5.
Rys. 2.Przekroje komory reaktora atmosferycznego 7,0 m: a) poprzeczny, b) wzdłużny
Fig. 2. Sections of the atmospheric reactor 7.0 m: a) cross-section, b) longitudinal section
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
a)
b)
Rys. 3.Stanowisko do symulacji procesu PZW w warunkach bezciśnieniowych o długości złoża 7 m: a) bok reaktora z termoparami, b) wyjście gazu z reaktora
z instalacją skrubera mokrego
Fig. 3. Experimental stand for the simulations of UCG under atmospheric pressure
with seam length 7.0 m: a) side view with thermocouples, b) gas outlet with
water scrubber
a)
b)
Rys. 4.Przekroje komory reaktora ciśnieniowego 3,5 m: a) poprzeczny, b) wzdłużny
Fig. 4. Sections of the high-pressure reactor 3.5 m: a) cross-section, b) longitudinal section
63
64
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 5.Stanowisko do symulacji procesu PZW w warunkach ciśnieniowych: a) bok reaktora, b)
widok komory reaktora z załadowanym złożem
Fig. 5. Experimental stand for high-pressure simulations of UCG a) side view, b) reactor chamber
with the artificial coal seam
3. Zakres prowadzonych badań oraz ich cel
Zasadniczym celem prowadzonych badań było określenie
wpływu różnych konfiguracji kanałów ogniowych na przebieg
procesu podziemnego zgazowania węgla. W szczególności
przeprowadzone badania obejmowały określenie wpływu
przyjętych konfiguracji kanałów ogniowych na:
– parametry jakościowe i ilościowe powstającego gazu,
– kształt i rozwój w czasie kawerny poreakcyjnej,
– rozkład profili temperaturowych w złożu w trakcie prowadzenia procesu,
w zależności od zastosowanego węgla oraz rodzaju czynnika
zgazowującego.
Doświadczenia w zakresie badania procesu PZW w skali
wielkolaboratoryjnej prowadzono dla uzyskania i weryfikacji
założeń techniczno-technologicznych dla budowy reaktora
pilotowego PZW w Kopalni Wieczorek.
Zgodnie z przewidzianym planem badawczym przeprowadzono sześć powierzchniowych symulacji eksperymentalnych
procesu podziemnego zgazowania węgla. Przeprowadzone
badania dotyczyły określenia zasadności prowadzenia procesu
PZW z wykorzystaniem kanałów ogniowych o następujących
konfiguracjach:
– konfiguracja prosta „I”,
– konfiguracja w kształcie tzw. litery „V”,
– konfiguracja w kształcie tzw. litery „U”.
Konfiguracje kanałów w rzucie przekroju poziomego
zasymulowanego złoża węgla, przedstawiono na rysunku 6.
Rys. 6. Konfiguracje kanałów ogniowych testowane w przeprowadzonych eksperymentach:
a) kanał prosty „I”, b) kanał w kształcie litery „V”, c) kanał w kształcie litery „U”
Fig. 6 Configurations of gasification channels tested in the experiments conducted: a)
straight channel "I", b) "V"-shaped channel, c) "U"-shaped channel
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Zestawienie przeprowadzonych eksperymentów
z uwzględnieniem wykorzystanej do badań instalacji oraz
zastosowanych węgli, geometrii kanałów ogniowych i rodzaju
dmuchu przedstawiono w tablicy 1.
65
Charakterystykę fizykochemiczną węgli wykorzystanych
do badań przedstawiono w tablicy 2.
Tablica 1. Zestawienie i ogólna charakterystyka przeprowadzonych prób zgazowania
Table 1. Coal samples used and general characteristics of conducted gasification experiments
Nr
Pochodzenie węgla
Typ węgla
Konfiguracja kanału
ogniowego
Długość
złoża
Czynnik
zgazowujący
1
KWK Ziemowit
kamienny
litera „U”
2,2 m
tlen
2
KWK Bobrek
kamienny
litera „V”
2,0 m
tlen
3
LW Bogdanka
kamienny
kanał prosty „I”
2,2 m
tlen
4
KWK Wieczorek
kamienny
litera „V”
2,25 m
tlen/powietrze
5
KWK Bobrek –
Centrum
kamienny
kanał prosty „I”
3,5 m
tlen/powietrze
6
KWB Turów
brunatny
kanał prosty „I”
5,7 m
tlen
Ciśnienie
zgazowania
bezciśnieniowo
bezciśnieniowo
bezciśnieniowo
bezciśnieniowo
ciśnieniowo
(5 bar)
bezciśnieniowo
Instalacja badawcza
ex-situ
bezciśnieniowa
2,5 m
bezciśnieniowa
2,5 m
bezciśnieniowa
2,5 m
bezciśnieniowa
2,5 m
ciśnieniowa
3,5 m
bezciśnieniowa
7,0 m
Tablica 2. Charakterystyka węgli wykorzystanych do badań
Table 2. Characteristics of coals used in the experiments
Nr
Parametr
Ziemowit
Bobrek
Bogdanka
Wieczorek
Bobrek-Centrum
Turów
Stan roboczy
1
Zawartość wilgoci
całkowitej Wtr, %
8,97
4,01
5,03
19,66
3,88
46,52
2
Zawartość popiołu Atr, %
5,36
10,02
5,97
14,38
14,79
3,18
3
Zawartość siarki całkowitej
Str, %
0,63
0,97
0,99
0,63
0,72
0,15
4
Wartość opałowa Qir, kJ/kg
26 969
28 611
29 226
20 232
24 638
12 656
Stan analityczny
5
Zawartość wilgoci Wa, %
6,77
2,06
4,88
5,44
2,67
10,17
6
Zawartość popiołu A , %
5,47
10,22
5,98
16,92
14,98
5,34
7
Zawartość części lotnych
Va, %
35,91
33,22
34,76
29,65
28,15
44,90
8
Ciepło spalania Qsa, kJ/kg
28 782
30 327
30 448
25 295
26 015
24 192
9
Wartość opałowa Qi , kJ/kg
27 581
29 242
29 277
24246
24 978
22 920
10
Zawartość siarki całkowitej
Sa, %
0,64
0,99
0,99
0,74
0,73
0,26
11
Zawartość pierwiastka węgla
Cta, %
69,60
73,61
73,39
62,14
67,18
60,69
12
Zawartość pierwiastka
wodoru Hta , %
4,64
4,72
4,82
3,71
3,53
4,60
13
Zawartość pierwiastka azotu
Na ,%
0,91
1,23
1,57
1,00
0,67
0,57
a
a
Stan suchy
14
Zawartość popiołu d, %
5,87
10,43
6,29
17,89
15,39
5,94
15
Zawartość siarki całkowitej
Std, %
0,69
1,01
1,04
0,78
0,75
0,29
Stan suchy i bezpopiołowy
16
Zawartość części lotnych
Vdaf , %
40,92
37,87
38,99
38,19
34,18
53,14
17
Ciepło spalania Qsdaf , kJ/kg
32 797
34 573
34 158
32 580
31 591
28 633
66
PRZEGLĄD GÓRNICZY
4. Wyniki badań
Ze względu na fakt prowadzenia eksperymentów z zastosowaniem różnych rodzajów dmuchu (tlen i powietrze) oraz
stosując różne rodzaje węgli (kamienny i brunatny), celem
ułatwienia interpretacji uzyskanych wyników, dane eksperymentalne zestawiono dla następujących grup eksperymentów:
– zgazowanie węgli kamiennych w tlenie dla różnych
konfiguracji kanałów ogniowych (próby bezciśnieniowe
Ziemowit i Bobrek),
– zgazowanie węgli kamiennych w mieszaninie powietrzno
– tlenowej (próby bezciśnieniowe Bogdanka i Wieczorek
oraz próba ciśnieniowa Bobrek-Centrum),
– zgazowanie tlenowe węgla brunatnego Turów w warunkach bezciśnieniowych.
Wyniki dla poszczególnych grup eksperymentów przedstawiono w kolejnych podrozdziałach.
4.1. Eksperymenty tlenowego zgazowania węgli kamiennych dla różnych konfiguracji kanałów ogniowych
W ramach tej części badań przeprowadzono serię dwóch
powierzchniowych symulacji eksperymentalnych procesu
PZW:
2014
– próba Ziemowit – kanał ogniowy „U”,
– próba Bobrek – kanał ogniowy „V”.
Eksperymenty prowadzono w atmosferycznej instalacji ex-situ o maksymalnej długości złoża 2,5 m, opisanej
w rozdziale 2.1. Zestawienie średnich składów, wartości opałowych oraz strumieni objętościowych gazów produkowanych
w przeprowadzonych eksperymentach przedstawiono
w tablicy 3.
Na podstawie danych bilansowych dotyczących ilości
zgazowanego węgla oraz ilości wyprodukowanych gazów
oszacowano średnią moc reaktora, sprawności energetyczne
brutto procesów oraz wydajności energetyczne procesów
w przeliczeniu na masę zużytego węgla. Wyniki szacunków
wraz z wybranymi danymi przyjętymi do obliczeń przedstawiono w tablicy 4.
Maksymalne zmierzone temperatury w złożu w trakcie próby zgazowania Ziemowit wyniosły około 1350 ºC
i obserwowano je na poziomie 0,2 nad kanałem ogniowym,
blisko czoła złoża. W przypadku próby zgazowania Bobrek,
maksymalne temperatury wyniosły około 1300 ºC i zarejestrowano je na poziomie 0,25 m ponad spągiem, blisko miejsca
połączenia kanałów zasilającego i odbierającego, tj. w strefie
utleniania (rys. 7).
Tabela 3. Średnie składy i strumienie objętościowe gazów otrzymanych w próbach zgazowania Ziemowit i Bobrek
Table 3. Average gas compositions and gas production rates obtained in the experiments Ziemowit and Bobrek
Węgiel/konfiguracja
kanału
Ziemowit
konfiguracja „U”
całkowita długość kanału:
4,8 m
Bobrek
konfiguracja „V”
całkowita długość kanału:
3,4 m
Skład, %obj.
O2
N2
CH4
CO
H2S
WO,
MJ/m3
26,7
2,7
3,5
2,9
32,1
0,3
8,1
15,8
0,7
3,1
0,7
47,5
0,1
8,0
Czas trwania, h
Produkcja
gazu, Nm3/h
CO2
C2H6
H2
50
8,9
31,7
0,1
72,5
10,4
32,1
0,0
Tabela 4. Wybrane parametry energetyczne charakteryzujące próby Ziemowit i Bobrek
Table 4. Selected energy parameters for experiments Ziemowit and Bobrek
Lp.
1
2
3
Parametr
Moc reaktora, kW
Wydajność energetyczna, MJ/kg węgla
Sprawność energetyczna brutto, %
Węgiel/konfiguracja kanału
Ziemowit
Bobrek
konfiguracja „U”
konfiguracja „V”
21,4
23,1
15,7
13,4
58,2
46,8
4.2. Eksperymenty zgazowania węgli kamiennych z zastosowaniem mieszaniny powietrzno – tlenowej
Rys. 7.Dwuwymiarowy profil temperaturowy uzyskany drogą
interpolacji danych pomiarowych (25 punktów) w 50.
godzinie prowadzenia próby Bobrek.
Fig. 7. Two-dimensional temperature profile obtained through
interpolation of measurement data (25 points) at 50th
hour of Bobrek experiment
W ramach tej części badań przeprowadzono serię trzech
powierzchniowych symulacji eksperymentalnych procesu
PZW:
– próba Bogdanka – kanał ogniowy prosty „I”,
– próba Wieczorek – kanał ogniowy „V”,
– próba Bobrek-Centrum - kanał ogniowy prosty „I”.
Eksperymenty Bogdanka i Wieczorek prowadzono bezciśnieniowo w instalacji ex-situ o maksymalnej długości
złoża 2,5 m. Eksperyment Bobrek-Centrum prowadzono
w warunkach podwyższonego ciśnienia (5 bar) w ciśnieniowej
instalacji ex-situ o długości złoża 3,5 m, opisanej w rozdziale
2.3. Zestawienie średnich składów, wartości opałowych oraz
strumieni objętościowych gazów produkowanych w przeprowadzonych eksperymentach, w rozbiciu na poszczególne etapy prowadzenia zgazowania przedstawiono w tablicach 5 ÷ 7.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
67
Tablica 5. Średni skład oraz strumień objętościowy gazów otrzymanych w próbie zgazowania Bogdanka
Table 5. Average gas composition and gas production rate obtained in the experiment Bogdanka
Węgiel/ciśnienie/
konfiguracja kanału
Rodzaj zgazowania
Czas
trwania, h
Produkcja
gazu, Nm3/h
Skład, %obj.
CO2
C2H6
H2
O2
N2
CH4
CO
H2S
WO,
MJ/
m3
Bogdanka
bezciśnieniowo
konfiguracja prosta „I”
Powietrzno tlenowe (stężenie
tlenu ~60 %)
29,0
8,9
21,0
0,0
14,5
0,7
38,2
0,4
25,1
0,1
4,9
Tablica 6. Średni skład oraz strumień objętościowy gazów otrzymanych w próbie zgazowania Wieczorek
Table 6. Average gas composition and gas production rate obtained in the experiment Wieczorek
Węgiel/ciśnienie/
konfiguracja kanału
Wieczorek
bezciśnieniowo
konfiguracja „V”
Etap zgazowania
Okres, h
Produkcja
gazu, Nm3/h
I - tlen
II – powietrze
III – powietrze/tlen
44%
0-48
48-82
82-96
10,8
8,8
CO2
15,1
13,2
C2H6
0,03
0,02
H2
32,9
4,8
7,0
25,0
0,01
4,8
Skład, %obj.
O2
N2
1,4
5,6
1,2
77,4
0,9
61,6
CH4
2,1
0,7
CO
42,9
2,7
1,2
6,5
WO, MJ/
m3
9,7
1,1
1,8
Tablica 7. Średni skład oraz strumień objętościowy gazów otrzymanych w próbie zgazowania ciśnieniowego(5 bar) Bobrek-Centrum
Table 7. Average gas composition and gas production rate obtained in the high-pressure (5 bar) experiment Bobrek-Centrum
Węgiel/ciśnienie/
konfiguracja kanału
Bobrek - Centrum
5 bar
konfiguracja
prosta „I”
Etap/czynnik
zgazowujący
Etap I:
Tlen
Etap II:
Powietrze
wzbogacone w tlen
(~30%)
Skład, %obj.
O2
N2
CH4
CO
WO, MJ/
m3
28,3
3,4
3,3
4,1
26,8
7,9
7,3
0,0
60,7
2,2
9,4
2,8
Czas trwania,
h
Produkcja
gazu, Nm3/h
CO2
H2
46
5,2
34,1
122
10,6
20,2
Tablica 8. Wybrane parametry energetyczne charakteryzujące próby zgazowania powietrzno-tlenowego
Table 8. Selected energy parameters for the air-blown gasification experiments
Próba
Bogdanka
bezciśnieniowa
Wieczorek
bezciśnieniowa
Bobrek-Centrum
ciśnieniowa (5 bar)
Moc reaktora,
kW
Wydajność
energetyczna,
MJ/kg węgla
Sprawność
energetyczna brutto,
%
powietrze/tlen 60%
12,1
14,4
49,3
Etap I: tlen
Etap II: powietrze
Etap III: powietrze/tlen 44%
Etap I:
Tlen
Etap II:
Powietrze wzbogacone w tlen
(~30%)
29,3
2,8
3,4
15,9
6,7
5,3
78,8
33,1
26,2
11,3
14,9
60,5
8,5
11,0
44,5
Etap/czynnik zgazowujący,
Nm3/h
Wyniki bilansowania energetycznego dla przeprowadzonych prób przedstawiono w tablicy 8.
Maksymalne temperatury w złożu w trakcie próby
Bogdanka wyniosły około 1200 ºC i obserwowano je
w kanale ogniowym w okolicach miejsca zapalenia złoża.
W przypadku próby Wieczorek, maksymalne zmierzone
temperatury w złożu wyniosły również ok. 1200 ºC i zarejestrowano je w końcowej fazie zgazowania tlenowego na
poziomie 0,60 m ponad spągiem, blisko miejsca połączenia
kanałów zasilającego i odbierającego. W trakcie ciśnieniowej
próby zgazowania Bobrek-Centrum rozkład temperatur mierzono w 14 punktach pomiarowych, obrazujących rozkład
temperatur wzdłuż osi podłużnych kanału ogniowego oraz
stropu złoża węglowego (3,5 m). Maksymalne obserwowane
temperatury w trakcie próby Bobrek-Centrum wyniosły ok
1200 ºC i obserwowano je w części stropowej zgazowywanego pokładu węgla (rys. 8).
Rys. 8.Rozkłady temperatur w części stropowej złoża w trakcie
próby zgazowania Bobrek-Centrum
Fig. 8. Temperature distribution in the floor of coal bed during
Bobrek-Centrum experiment
68
PRZEGLĄD GÓRNICZY
4.3. Eksperyment zgazowania węgla brunatnego w tlenie
Średni skład oraz wartość opałowa gazu otrzymanego
w trakcie próby zgazowania węgla brunatnego przedstawiono
w tablicy 9.
Tablica 9. Średni skład oraz wartość opałowa gazu produkowanego w trakcie próby Turów
Table 9. Average gas composition and gas calorific value obtained in the experiment Turów
Próba
Bezciśnieniowa
węgiel brunatny
Turów
Czas
trwania,
CO2
h
120
45,3
Skład, %obj.
H2
O2
N2
CH4
CO
WO,
MJ/m3
29,8
0,2
3,7
5,2
15,5
7,2
Na podstawie danych bilansowych dotyczących ilości
zgazowanego węgla oraz ilości wyprodukowanych gazów
oszacowano średnie moce reaktora w poszczególnych etapach,
sprawności energetyczne brutto oraz wydajności energetyczne procesu w przeliczeniu na masę zużytego węgla. Wyniki
szacunków wraz z wybranymi danymi przyjętymi do obliczeń
przedstawiono w tablicy 10.
Tablica 10.Wybrane parametry energetyczne charakteryzujące
próbę zgazowania Turów
Table 10. Selected energy parameters for the gasification experiment Turów
Próba
Moc
reaktora,
kW
Bezciśnieniowa
węgiel brunatny
Turów
13,9
Wydajność
Sprawność
energetyczna, MJ/ energetyczna
kg węgla
brutto, %
7,4
58,8
Maksymalne zmierzone temperatury w złożu w trakcie
próby Turów wyniosły około 900 ºC i obserwowano je na
poziomie 0,3 m ponad spągiem, w okolicach miejsca zasilania
reaktora (strefa utleniania).
5. Dyskusja wyników i wnioski
Przeprowadzone eksperymenty wykazały, że dla przyjętych geometrii złóż węglowych, najkorzystniejsze warunki
przebiegu procesu zgazowania obserwowano w przypadku
stosowania czystego tlenu. Średnie wartości opałowe gazu
produkowanego w trakcie zgazowania węgli kamiennych
tlenem mieściły się w przedziale od 7,6 do 9,7 MJ/Nm3,
a uzyskiwane sprawności energetyczne procesu mieściły się
w przedziale od 46,8 % (Bobrek) do 79 % (Ziemowit).
Zamiana czynnika zgazowującego na powietrze powodowała
znaczny spadek temperatur w reagującym układzie, skutkujący wyraźnymi spadkami stężeń głównych składników palnych
gazu (H2, CO) i obniżeniem wartości opałowej gazu, często
do poziomu uniemożliwiającego jego gospodarcze wykorzystanie (~1 MJ/Nm3 w przypadku procesu bezciśnieniowego).
W warunkach podniesionego ciśnienia zgazowania powietrzem uzyskiwano wyższą wartość opałową gazu, głównie
z powodu zwiększenia udziału metanu w gazie. Zaznaczyć
jednak trzeba, że uzyskane wyniki zgazowania powietrznego
przypisane mogą być tylko do wykorzystanej do badań geometrii układu, w której niemożliwe było uzyskanie temperatur
odpowiednio wysokich dla prawidłowego przebiegu procesu
2014
zgazowania. Sytuacja ta może się zmienić w przypadku znacznego powiększenia skali eksperymentu.
Wydłużenie całkowitej długości kanałów ogniowych w badanych konfiguracjach „V” oraz „U” w stosunku do długości
kanałów w reaktorze skonstruowanym wg tzw. „konfiguracji
prostej”, powoduje znaczne zwiększenie powierzchni kontaktu produkowanych gazów z węglem oraz intensyfikację
zjawisk nagrzewania się kanału zbiorczego od strony kanału
produkcyjnego. W wyniku tego obserwuje się intensyfikację
reakcji heterogenicznych (szczególnie endotermicznych) na
granicy gaz – węgiel, w tym reakcję CO2 z węglem pierwiastkowym, prowadzącą do zwiększenia udziału CO w produkcie (reakcja Boudouarda). Taki przebieg procesu może być
korzystny w przypadku energetycznego zagospodarowania
produktów gazowych (spalanie, produkcja energii elektrycznej), ze względu na stosunkowo wysoką kaloryczność tlenku
węgla lub w przypadku, kiedy zwiększony udział CO w gazie
jest korzystny ze względu na dalsze kierunki przetwarzania
gazu syntezowego (synteza chemiczna).
Złożone konfiguracje kanałów ogniowych, których
przykład stanowią układy typu „V” i „U” (próby Ziemowit,
Bobrek, Wieczorek), przyczyniają się do znacznych wzrostów oporów przepływu czynników zgazowujących oraz
odbioru produkowanego gazu. Parametrami decydującymi
o utrzymaniu strefy reakcji w założonym miejscu kanału będą
więc prędkości przepływu czynników zgazowujących oraz
odbioru produktu, a utrzymanie optymalnych parametrów
pracy reaktora będzie w dużej mierze zależne od doboru
odpowiednich średnic kanałów ogniowych. Konfiguracje kanałów ogniowych typu „V” i „U” podatne są na zmniejszenie
przekrojów czynnych w związku z możliwością gromadzenia
się zanieczyszczeń mechanicznych (pyłu, kawałków odpadającego złoża i stropu) w miejscach zmiany kierunku przepływu gazu. Ze względu na ograniczone ryzyko powstawania
zatorów kanału ogniowego, ryzyko wystąpienia problemów
eksploatacyjnych w przypadku prowadzenia procesu PZW
w układzie kanałów prostych jest dużo mniejsze w porównaniu
do realizacji procesu w układach złożonych. Wykonanie reaktora podziemnego w układzie kanałów prostych jest również
dużo prostsze z technicznego punktu widzenia.
Eksperyment tlenowego zgazowania węgla brunatnego
w warunkach bezciśnieniowych wykazał możliwość uzyskiwania w sposób ciągły gazu o stosunkowo wysokiej wartości
opałowej (7,2 MJ/Nm3) z wysoką sprawnością energetyczną
brutto ~59 %. Uzyskane rezultaty odniesiono do wcześniejszych prób GIG (proj. HUGE) z wykorzystaniem węgla
brunatnego o porównywalnych parametrach, w których
produkowano gaz o wartości opałowej około 4 MJ/Nm3
z niską sprawnością energetyczną wynoszącą około 20 %.
Polepszenie uzyskanych parametrów procesowych przypisuje
się znacznemu zwiększeniu długości otworu generatorowego
(z ~2,5 do ~6m), który umożliwił wyraźne wytworzenie się
pożądanych stref zgazowania (utleniania, redukcji, odgazowania) oraz polepszenie bilansu cieplnego układu.
Literatura:
1.
2.
3.
Nieć M.: Geologiczne bariery i ograniczenia dla podziemnego zgazowania węgla, Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 2012;
448:183÷194
Liu S, Wang Y, Yu L, Oakey J.: Thermodynamic equilibrium study of
trace element transformation during underground coal gasification. Fuel
Processing Technology 2006; 87:209÷215
Liu S, Wang Y, Yu L, Oakey J.: Volatilization of mercury, arsenic and selenium during underground coal gasification. Fuel 2006; 85:1550÷1558
Nr 11
4.
5.
6.
7.
8.
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Yulan Li, Xinxing L, Jie L.: An overview of the Chinese UCG Program,
Data Science Journal, Volume 6, Supplement, 11 August 2007
Kostur K, Blistanova M.: The research of underground coal gasification
in laboratory conditions, Petroleum & Coal 51 (1), 1-7, 2009
Prabu V, Jayanti S.: Laboratory scale studies on simulated underground
coal gasification of high ash coals for carbon-neutral power generation
Energy 46 (2012) 351÷358
Kapusta K, Stańczyk K.: Pollution of water during underground coal
gasification of hard coal and lignite, Fuel 2011; 90:1927÷1934.
Stańczyk K, Howaniec N, Smoliński A, Świądrowski J, Kapusta K,
Wiatowski M, Grabowski J, Rogut J.: Gasification of lignite and hard
69
coal with air and oxygen enriched air in a pilot scale ex situ reactor for
underground gasification, Fuel 2011; 90:1953÷1962
9. Stańczyk K, Smoliński A, Kapusta K, Wiatowski M Świądrowski J,
Kotyrba A.: Dynamic experimental simulation of hydrogen oriented
underground coal gasification of lignite, Fuel 2010; 89:3307÷3314
10. Stańczyk K., Kapusta K., Wiatowski M., Świądrowski J., Smoliński A.,
Rogut J., Kotyrba A.: Experimental simulation of hard coal underground
gasification for hydrogen production. Fuel 2012; 91, 40÷50
11. Stańczyk K, Dubiński J, Cybulski K, Wiatowski M, Świądrowski J,
Kapusta K, Rogut J, Smoliński A, Krause E, Grabowski J.: Podziemne
zgazowanie węgla – doświadczenia światowe i eksperymenty prowadzone w KD Barbara, Polityka Energetyczna 2010; 13,2:423÷432
70
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.519.61/.64
Symulacyjne badanie procesu ex-situ zgazowania węgla
kamiennego wspomagane metodami CFD
Simulation of ex-situ gasification process of hard coal aided with CFD methods
Prof. dr hab. inż. Jan Wachowicz*)
prof. dr hab. inż. Marian Jacek
Łączny*)
dr inż. Tomasz Janoszek*)
dr inż. Sebastian Iwaszenko*)
mgr Magdalena Cempa-Balewicz*)
Treść: Zaprezentowano wyniki numerycznej symulacji procesu zgazowania węgla z zastosowaniem metod numerycznej mechaniki
płynów CFD (z ang. Computational Fluid Dynamics) przy wykorzystaniu narzędzia informatycznego Ansys-Fluent. Badania
modelowe zakładały prowadzenie procesu zgazowania masy węglowej przy udziale tlenu, jako czynnika zgazowującego,
w stanie ustalonym, tj. między 30 a 48 godziną trwania eksperymentu. Symulacje numeryczne prowadzono z zamiarem identyfikacji rozkładu zmian szukanych składników gazu procesowego. Uzyskane wyniki rozwiązania numerycznego zestawiono
z wynikami badań eksperymentalnych prowadzonych w rzeczywistym reaktorze ex-situ.
Abstract: This paper presents the results of numerical simulation of coal gasification process with the use of computational fluid dynamics (CFD) methods applying the Ansys-Fluent software. Modelling studies assumed the conduction of the coal gasification
process with the presence of oxygen as a gasification agent, in a stationary state i.e. between 30 and 48 hour of the experiment.
Numerical simulations were developed with the intention of identifying the changes of components of the process gas. The
results of the numerical solution were compared with the results of experimental studies.
Słowa kluczowe:
zgazowanie węgla, numeryczna mechanika płynów, modelowanie, eksperyment
Keywords:
coal gasification, computational fluid dynamics (CFD), modelling, experiment
*) Główny Instytut Górnictwa, Katowice
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
1. Wprowadzenie
Węgiel kamienny pokrywa 25 % światowego zapotrzebowania na energię [9]. Niestety większość wykorzystywanych
dotychczas technologii węglowych charakteryzuje się dużą
uciążliwością dla środowiska, a w szczególności emisją CO2
i innych gazów cieplarnianych. Dlatego szczególny nacisk
kładziony jest ostatnio na rozwój Czystych Technologii
Węglowych (CTW), pozwalających na wykorzystanie węgla
kamiennego w przyjazny dla środowiska sposób. Podziemne
zgazowanie węgla zaliczane jest do technologii pozwalających na ograniczenie wielu niedogodności związanych
z energetycznym wykorzystaniem węgla. Technologia ta ma
na celu przekształcenie węgla bezpośrednio w złożu, w palny
gaz możliwy do wykorzystania w energetyce lub syntezie
chemicznej (gaz syntezowy). Szeroko zakrojone badania
dotyczące tego procesu prowadzone są również w GIG.
Zgazowanie pozwala nie tylko ograniczyć ilość emitowanych
gazów cieplarnianych, ale jest też w stanie stać się ważnym
procesem przy wytwarzaniu paliwa alternatywnego, jakim
jest wodór. Ponadto pozwala często na zagospodarowanie
pokładów trudnodostępnych, których eksploatacja w sposób
konwencjonalny byłaby trudna i ekonomicznie nieefektywna
[4],[3].
Podziemne zgazowanie węgla jest procesem, w trakcie,
którego zachodzi wiele złożonych procesów fizykochemicznych. Na przebieg procesu wpływ mają zarówno zjawiska
zachodzące w skali mikroskopowej, w porowatej strukturze
poddawanego zgazowaniu węgla, jak również w obszarze
makroskopowym, związanym z kształtem i własnościami
przestrzeni objętej procesem oraz jej otoczeniem [7, 18].
Badanie zachodzących zjawisk, opisanie ich zależnościami
oraz rozpoznanie potencjalnych możliwości sterowania ma
duże znaczenie praktyczne [5]. Istotny jest również rozwój
teoretycznego opisu procesu zgazowania węgla i lepszego
poznania jego etapów. Wśród wielu stosowanych metod
badawczych, szczególnie istotne wydaje się zastosowanie
modelowania oraz wykorzystanie możliwości formalnego
opisu zachodzących przemian. Wykorzystanie symulacji
powinno umożliwiać określanie (choćby zgrubne) uzyskiwanych w zadanych warunkach parametrów gazu syntezowego,
prowadzenia badań zmierzających do poprawy stabilności
i jakości jego składu, pozwolić na przetestowanie wpływu
czynników zakłócających (np. napływ wody do przestrzeni
reakcyjnej). W dłuższej perspektywie modelowanie powinno
być pomocne przy optymalizacji procesu oraz wspierać prace
projektowe związane z przygotowaniem instalacji podziemnego zgazowania węgla.
W GIG były i są nadal podejmowane badania mające na
celu opracowania modelu procesu podziemnego zgazowania
71
węgla lub występujących w tym procesie zjawisk (np. pirolizy)
[11]. Prace te w większości wykorzystywały gotowe kody
komercyjne oraz stwarzane przez nie możliwości. W artykule
przedstawiono próbę predykcji stężeń wybranych składników
w gazie syntezowym uzyskiwanym na wyjściu z reaktora,
symulującego w zmniejszonej skali przebieg podziemnego
zgazowania węgla. W badaniach wykorzystano dane doświadczalne pochodzące z eksperymentu przeprowadzonego
ex-situ [16], zwanego dalej eksperymentem referencyjnym,
oraz model numeryczny opracowany z wykorzystaniem numerycznej mechaniki płynów (CFD). Wartości parametrów
występujących w modelu uzyskano z badań własności węgla,
przeprowadzonych podczas realizacji eksperymentu referencyjnego, uzupełniając je danymi literaturowymi. Celem
pracy było sprawdzenie, na ile możliwa jest predykcja stężeń
wybranych składników gazu syntezowego w czasie, w oparciu
o model opracowany i skalibrowany dla wcześniej przeprowadzonych eksperymentów [14, 15].
W rozdziale 2 przedstawiono przebieg eksperymentu,
z którego dane zostały wykorzystane do utworzenia modelu.
W rozdziale 3 przedstawiono opracowany model natomiast
w rozdziale 4 uzyskane wyniki symulacji. Analiza uzyskanych
rezultatów oraz podsumowanie zawarte zostało w rozdziale 5.
2. Badanie procesu zgazowania w warunkach ex-situ
Eksperyment referencyjny zgazowania węgla został przeprowadzony w naziemnym reaktorze zlokalizowanym w KD
„Barbara”. Schemat stanowiska badawczego przedstawiono
na rysunku 1 [16]. Badania prowadzono w reaktorze z kanałem
w kształcie litery V (rys. 2) [16]. Jako czynnik zgazowujący
zastosowano tlen (4-5 Nm3/h).
Bryła zgazowywanego węgla miała wymiary: 0.65 m
(wysokość), 0.70 m (szerokość), 2.00 m (długość). Średnica
kanału zgazowującego wynosiła 0.065 m a długość tworzącej
walca 3.3 m.
3. Model numeryczny CFD procesu zgazowania węgla
Warunki, w jakich przeprowadzono eksperyment opisany
w rozdziale 2 zostały wykorzystane, jako podstawa sformułowania modelu procesu. Przyjęto, że tworzony model będzie
wykorzystywał formalizm numerycznej mechaniki płynów.
Przestrzeń obejmująca kanał zgazowujący oraz otaczającą go
bryłę węgla została odwzorowana w modelu numerycznym.
Obliczenia symulowały przebieg procesu zgazowania węgla
kamiennego w stanie ustalonym, tj. między 30 a 48 godziną
trwania eksperymentu.
Rys. 1.Schemat stanowiska badawczego ex-situ do prowadzenia procesu zgazowania węgla [16]
Fig. 1. Scheme of the ex-situ experimental installation for simulation of the coal gasification process [16]
72
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 3. Model geometryczny badanego układu reaktora ex-situ
Fig. 3. Geometric model of the ex-situ reactor
Rys. 2. Konfiguracja kanału ogniowego (a – przekrój poprzeczny, b – przekrój podłużny) [16]
Fig. 2. Configuration of a fire channel (a – cross section, b –
longitudinal section) [16]
Do symulacji numerycznej została przyjęta następująca
geometria (rys.3):
– model bryłowy warstwy węgla – 0,65 m × 0,70 m × 2,0 m,
– model bryłowy kanału zgazowującego o średnicy
ø0,065m.
Rysunek 4 przedstawia wyniki obszaru dyskretyzacji
rozwiązania numerycznego procesu PZW.
Obszar dyskretyzacji rozwiązania numerycznego modelowego układu georeaktora stanowi złożenie następujących
siatek numerycznych:
– siatka numeryczna warstwy węgla utworzonej z 418 242
elementów prostych połączonych 76 576 punktami węzłowymi, stanowiącej odwzorowaniem masy węgla (rys. 4a),
– siatka numeryczna kanału zgazowującego, będącego
odwzorowaniem strefy reakcji georeaktora, utworzonej
z 76 589 elementów prostych połączonych wzajemnie ze
sobą 16 738 punktami węzłowymi, jako odwzorowanie
płynu (rys.4b).
Rys. 4.Obszar dyskretyzacji rozwiązania numerycznego: a) siatka numeryczna strefy reakcji
zgazowania (kanał zgazowujący), b) siatka numeryczna masy węglowej, c) złożenie obszarów rozwiązania numerycznego
Fig. 4. Simulation grid of the ex-situ reactor: a – simulation grid of the gasification channel,
b – simulation grid of the coal seam, c – assembly of simulation grid
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
73
Modelowanie procesu przenoszenia czynnika zgazowującego wzdłuż skończonej objętości geometrii kanału zgazowującego wymaga uzyskania rozwiązania równań różniczkowych opisujących zasadę zachowania masy, pędu i energii
oraz równań transportu składników płynu wraz z reakcjami
chemicznymi. Równania te omówiono w publikacji [14].
Burzliwy charakter procesu przenoszenia czynnika zgazowującego, wzdłuż kanału zgazowującego, opisano najczęściej
stosowanym w praktyce CFD modelem turbulencji k-ε [1].
Porowatość (1) i przepuszczalność (2) węgla są parametrami,
które, w trakcie procesu PZW, ulegają zmianie w zależności
od zmian temperatury otoczenia. Bazując na pracy [3], zależność opisującą zmienność parametrów efektywnych ośrodka
porowatego, jakim jest węgiel, w funkcji zmian temperatury,
zaimplementowano w następującej postaci:
– porowatość węgla [13], cytat za [3]
– ciepło właściwe masy węglowej cpC 1300 J·kg·K-1 [6],
– temperatura T – 298,15 K,
– współczynnik przewodzenia ciepła – 0.535 W·m-1·K-1 [6].
Rozpatrzono następujące ustawienia globalne (systemowe)
w programie Ansys-Fluent:
– ciśnienie zgazowania – 101 325 Pa,
– przyśpieszenie ziemskie – 9.81 m·s-2,
– skala czasowa zjawiska – 18 godzin,
– zbieżność obliczeń – 1·10-4.
Wykonując obliczenia przyjęto, że mają one odzwierciedlać sytuację, w której przebieg procesu ma być oparty
o założenia dotyczące eksperymentu referencyjnego. Zadanie
takie wydaje się typowe do zastosowania modelowania, jako
narzędzia wspomagającego przygotowanie eksperymentu lub
technologiczne zastosowanie procesu.
φ = 0,2286 + 0,01041 · T + 0,00001786 · T2
4. Wyniki badań
Na rysunku 5, 6, 7 zamieszczono wyniki zmian stężenia
głównych składników w gazie procesowym uzyskane z badań
modelowych. Wyniki te porównano w danymi eksperymentalnymi [16].
W tabeli 2 zestawiono średnie zawartości rozpatrywanych
składników gazu procesowego otrzymane w drodze badań
symulacyjnych i eksperymentalnych dla ustabilizowanego
etapu pracy reaktora (tj. między 30÷48 godziną).
gdzie:
T –temperatura, °C
– przepuszczalność węgla [12], cytat za [3]
(1)
e = Co · φ3 /(1 – φ)2
(2)
gdzie:
φ – porowatość, Co –parametr eksperymentalny zależny od wielkości
porów węgla (Co = 7.4e–12)
Chemizm procesu zgazowania zinterpretowano dwoma
równaniami reakcji powierzchniowych pomiędzy masą węglową a czynnikami zgazowującymi i dwoma równaniami
reakcji wtórnych, które wyrażono następującym schematem
reakcji chemicznych analizowanego procesu zgazowania
(3)
C+O2→CO2
(4)
C+H2O→CO+H2 (5)
CO+H2O→CO2+H2
2H2+O2→2H2O
(6)
Wartości parametrów równania kinetyki przyjętego schematu reakcji zgazowania wyrażonego zależnością [1]
zestawiono w tabli 1.
k = ATβe–E/RT
(7)
Tablica 1. Wartości parametrów równania kinetyki procesu
zgazowania
Table 1. Parameter values of gasification kinetics model
Nr reakcji
(3)
(4)
(5)
(6)
E, J mol-1
3800
1.15e+08
8.38e+07
1.67e+08
A, s-1
0.9740
0.0782
2.75e+10
2.5e+16
β
0
0
0
0
źródło
[2]
[17]
[17]
[17]
Uwzględniono następujące lokalne warunki jednoznaczności rozwiązania numerycznego, osobno dla każdego
z obszarów dyskretyzacji.
1. Dla obszaru dyskretyzacji stanowiącego model kanału
zgazowującego:
– temperatura tlenu – 298.15 K,
– strumień masy tlenu – 4÷5 N·m3·h-1,
– ustalona temperatura wzdłuż kanału zgazowującego 923 K.
2. dla obszaru dyskretyzacji stanowiącego model warstwy
węgla:
– gęstość – 1450 kg·m-3,
– porowatość – 5 % [3],
– przepuszczalność β – 1e-15 m2 [3],
Tablica 2. Porównanie średnich stężeń głównych składników
gazowych otrzymane z badań symulacyjnych (dane
własne) i eksperymentalnych [16]
Table 2. Comparison of the average composition of main gas
components obtained in the simulation (author’s
study) and experimental research [16]
dane
CO2
% obj.
H2
% obj.
CO
% obj.
eksperymentalne
51.90
7.27
38.13
symulacyjne
52.42
6.54
41.03
Zarówno analiza wykresów jak i porównanie wartości
przedstawionych w tablicy 2 wskazują, że uzyskane wyniki symulacji pozwoliły na satysfakcjonujące odtworzenie
przebiegu eksperymentu dających dobrą zgodność modelu
z danymi eksperymentalnymi. Skuteczność stosowania metod
symulacyjnych potwierdzono również w źródłach literaturowych [10, 14, 15].
5. Podsumowanie
W pracy przedstawiono wyniki symulacji przeprowadzonej dla warunków eksperymentu podziemnego zgazowania
węgla prowadzonego na stanowisku badawczym ex situ.
Symulację procesu przeprowadzono opierając się na modelu
opracowanym podczas wcześniejszych prac badawczych,
dostosowany do warunków eksperymentu referencyjnego.
Dostosowanie polegało na uwzględnieniu odpowiedniej
geometrii oraz wartości parametrów. Rezultaty symulacji
wykazywały zgodność wyników w stosunku do wartości
zmierzonych podczas eksperymentu, pozwalając na predykcję
przebiegu procesu w fazie ustabilizowanej pracy. Wskazuje
to na użyteczność opracowanego modelu, jako narzędzia
wspierającego prace związane z przygotowaniem eksperymentu oraz procesów technologicznych, a tym samy przydatne
narzędzie badawcze w interpretacji wyników modelowania.
74
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 5.Zmiana stężenia dwutlenku węgla w gazie w czasie trwania procesu zgazowania węgla
Fig. 5. Change in carbon dioxide concentration of gaseous product mixture during the coal gasification procces
Rys. 6.Zmiana stężenia wodoru w czasie trwania procesu zgazowani węgla
Fig. 6. Change in hydrogen concentration of gaseous product mixture during the coal gasification procces
2014
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
75
Rys. 7.Zmiana stężenia tlenku węgla w czasie trwania procesu zgazowani węgla
Fig. 7. Change in carbon oxide concentration of gaseous product mixture during the coal gasification process
Oprócz modelowania numerycznego, również ważne jest
właściwe wykorzystanie równowag, między innymi do oszacowania granicznego składu mieszaniny gazów, w danych
warunkach temperatury i ciśnienia, co dodatkowo stanowi
cenne uzupełnienie złożonych modeli numerycznych
7.
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej” finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach
strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych
„Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”.
10.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
ANSYS FLUENT 12.0 Release Notes. ANSYS, Inc. 2009-03-02.
Askarova A.S., Karpenko E.I., Lavrichshev O.A., Messerle V.E.,
Ustimenko A.B.: Modelling of Plasma Supported Coal Combustion in
Full-Scale Boiler. Termotehnika 2009, XXXV, 2, 149¸162.
Białecka B.: Podziemne zgazowanie węgla. Podstawy procesu decyzyjnego. Katowice Wydawnictwo GIG 2008.
Bhutto A.W., Bazmi A.A., Zahedi G.: Underground coal gasification:
From fundamentals to applications. Progress in Energy and Combustion
Science 2013, 39, 189¸214.
Bockelie M.J., Denison M.K., Chen Z., Senior C.L., Sarofim A.F.: Using
Models To Select Operating Conditions for Gasifiers. Pittsburgh Coal
Conference, September 15-19, 2003.
Chmura K.: Przewodność cieplna skał i węgli górnośląskiego karbonu.
Praca habilitacyjna. Politechnika Śląska Zeszyty Naukowe nr 190,
Gliwice 1968.
8.
9.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Collot A.: Matching gasification technologies to coal properties.
International Journal of Coal Geology 2006, 65, 191¸212.
Kardashew N. S.: Transmission of Information by Extraterrestrial
Civilizations. Soviety Astronomy–AJ 1964,Vol. 8, No.2, 217¸221.
Shafirovich E., Varma A.: Underground Coal Gasification: A Brief
Review of Current Status. Ind. Eng. Chem. Res. 2009, 48, 7865¸7875.
Nguyen T.D.B., Lim Y.-I., Song B.-H., Kim S.-M., Joo Y.-J., Ahn D.-H.:
CFD Simulation of an Entrained-Flow Coal Gasifier for Coal IGCC
Process. Proceedings of the Twentieth International Offshore and Polar
Engineering Conference Beijing, China, June 20-25, 2010.
Rauk J.: Wybór optymalnych metod podziemnego zgazowania węgla. Praca
GIG, seria dodatkowa, część I, Katowice 1977, część II, Katowice 1978.
Robeson L.M.: Polymer membranes for gas separation. Current Opinion
in Solid State & Material Science 1999, Vol. 4, 549¸552.
Seewald H., Klein J., Jungten H.: Pore structure of coal derived from
permeation and sorption measurements. Proc. Int. Conf. On Coal Sci.
Sydney, Pergamon Press 1985, s. 861.
Wachowicz J., Łączny M.J., Iwaszenko S., Janoszek T., Cempa-Balewicz
M.: Zastosowanie pakietu FLUENT do symulacji procesu podziemnego
zgazowania węgla – koncepcja metody. Przegląd Górniczy 2013, nr 2, 64¸71.
Wachowicz J., Janoszek T., Iwaszenko S.: Model tests of the coal gasification process. Archiwum Górnicze 2010, Vol. 55. No. 2, 245¸258.
Wiatowski M., Kapusta K., Stańczyk K.: Wpływ konfiguracji kanału
ogniowego na skład i wydajność produktów podziemnego zgazowania
węgla. Przegląd Górniczy 2013, 2, 80¸90.
Vikram S.: CFD analysis of coal and heavy oil gasification for syngas
production. PhD. thesis, Aalborg University 2012.
Żogała A., Kabiesz J., Iwaszenko S.: Czynniki wpływające na skład chemiczny i wartość opałową gazu uzyskiwanego w procesie podziemnego
zgazowania węgla. Przegląd Górniczy 2013, 6, 89¸95.
76
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333: 622.544.3: 622.1: 550.8: 519.61/.64
Modelowanie zjawisk termicznych w masywie skalnym
w otoczeniu georeaktora
Modelling of thermal phenomena in the rock mass in the vicinity of a georeactor
Dr hab. inż. Marek Cała*)
prof. AGH; mgr inż. Agnieszka Stopkowicz*)
mgr inż. Michał Kowalski*)
mgr inż. Mateusz Blajer*)
Treść: Podziemne zgazowanie węgla jest zagadnieniem szeroko badanym w kontekście możliwości wykorzystania pokładów węgla,
których klasyczna eksploatacja jest ekonomicznie nieuzasadniona bądź technologicznie trudna. Ze względu na złożoność
procesu zgazowania węgla, brak doświadczeń praktycznych, prognozowanie jego wpływu na otaczające geośrodowisko jest
zagadnieniem trudnym. W artykule analizie poddano możliwości modelowania procesów termicznych oraz prognozowania
ich wpływu na otaczający masyw skalny. W tym celu wykorzystano program metod różnic skończonych FLAC 3D, w którym
odwzorowano warunki doświadczeń ex situ prowadzonych dla różnych układów kanałów ogniowych. Uzyskane rezultaty
z symulacji numerycznych porównywano z rzeczywistymi pomiarami. Pozwoliło to na ocenę możliwości wykorzystania narzędzi numerycznych do oceny i prognozowania wpływu procesów termicznych towarzyszących podziemnemu zgazowaniu
węgla na otaczające geośrodowisko.
Abstract: Underground coal gasification is usually widely studied for possibilities of underground coal utilisation in places where normal
underground excavation is economically undesirable or technologically difficult. Due to the complexity of coal gasification
process and lack of practical experience, forecasting of its environmental impact is quite a hard task. This paper shows the
options of numerical modelling of thermal phenomena and forecasting its influence on the surrounding rock mass. The finite
difference method software FLAC3D was used for this purpose. The various ex-situ experiments for different fire channels
were modelled. The results of numerical simulations were compared with data from ex-situ experiments. It allowed to estimate
the possibilities of using numerical methods for the evaluation and forecasting environmental impacts of thermal processes
which accompany the underground coal gasification.
*) AGH w Krakowie
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
77
Słowa kluczowe:
podziemne zgazowanie węgla, procesy termiczne, modelowanie numeryczne
Key words:
underground coal gasification, thermal processes, numerical modelling
1. Wprowadzenie
Podziemne zgazowanie węgla (pzw) niesie ze sobą wiele
korzyści w stosunku do eksploatacji prowadzonej metodami
klasycznymi, jednak z drugiej strony stawia duże wyzwania
dla inżynierów i badaczy pracujących nad rozwojem tej
technologii. Przegląd zagadnień związanych z podziemnym
zgazowaniem węgla szeroko omówili między innymi Bhutto
A. et al [4]. Jednym z bardzo ważnych aspektów podziemnego zgazowania węgla jest jego wpływ na środowisko.
W tym aspekcie na uwadze należy mieć zarówno zagrożenia,
jak i korzyści, płynące ze stosowania tej metody. Pewne polskie doświadczenia w tym temacie zaprezentowano w [10],
natomiast szersze spojrzenie z perspektywy doświadczeń
światowych (Pakistan, Brazylia) zawiera praca [8].
Stopień złożoności procesów zachodzących podczas
pracy georeaktora, brak doświadczeń praktycznych, skłania
do odwołania się do metod numerycznych między innymi
w celu analizy czynników wpływających na przebieg procesu
zgazowania oraz prognozowania wpływu pzw na otaczające
geośrodowisko. Wśród stosowanych w tym aspekcie metod
obliczeniowym wymienić można metodę różnic skończonych,
metodę elementów skończonych, czy metodę elementów
odrębnych. Badaniami oraz modelowaniem numerycznym
procesów termicznych zachodzących podczas podziemnego
zgazowania węgla zajmowano się w pracach: [6, 14, 24].
W artykule zaprezentowano podstawy teoretyczne związane
z matematycznym opisem procesów termicznych zachodzących
w górotworze podczas pracy georeaktora, w szczególności
transferu ciepła w ośrodku porowatym, jakim jest masyw
skalny. Przedstawiono również wyniki modelowania procesów
termicznych metodą analizy odwrotnej na bazie wyników
z doświadczeń ex situ przedstawionych w pracach [16, 22].
Modele obliczeniowe zbudowano w programie wykorzystującym metodę różnic skończonych FLAC 3D v.5.0. Wyniki
i analiza przeprowadzonego modelowania dostarczają pewnych
informacji odnośnie do możliwości zastosowania tego narzędzia
obliczeniowego. Otrzymane wyniki mają jednakże charakter
jakościowy i wskazują obszary, w których należy dokonać
pewnych modyfikacji w celu poprawy dokładności symulacji.
2. Procesy termiczne zachodzące w masywie skalnym
podczas pracy georeaktora
2.1. Procesy sprzężone
Procesy fizyczne zachodzące podczas pracy georeaktora
należą do grupy procesów sprzężonych (połączonych), co
oznacza, że każdy z procesów wpływa na inicjację lub przebieg innych. W aspekcie modelowania zjawisk fizycznych
zachodzących w otoczeniu georeaktora interesujące są dwie
grupy procesów: termo-hydro-mechaniczne (THM) oraz
termo-hydro-mechaniczno-chemiczne (THMC). Badania
eksperymentalne oraz studia teoretyczne nad przebiegiem
procesów sprzężonych prowadzone są już od przeszło dwóch
dekad, istnieje więc wiele prac dotyczących zarówno THM
[1, 15, 17, 18], jak i THMC [11, 20]. Wśród pierwszej grupy
wymienionych prac przedstawiono wyniki badań i analizy
dotyczące głównie lokowania odpadów radioaktywnych
w wyrobiskach podziemnych, natomiast pozostałe prace odnoszą się do doświadczeń chińskich w zakresie THMC oraz
problematyki THMC w odniesieniu do pożarów w kopalniach
węgla kamiennego. Zagadnienie procesów połączonych
jest często przedmiotem badań i analiz w aspekcie pozyskiwania energii geotermalnej, ropy i gazu ziemnego, a także
wspomnianych już wcześniej pożarów w kopalniach węgla
kamiennego oraz podziemnego zgazowania węgla.
2.2. Transfer ciepła w masywie skalnym
W artykule skupiono się przede wszystkim na procesach
termicznych, które w znacznym stopniu determinują przebieg
pozostałych procesów, przez co ważna jest ich identyfikacja
i analiza. Pośród procesów termicznych zachodzących
w trakcie pracy georeaktora można wyróżnić:
– spalanie i przemieszczanie się frontu ogniowego,
– transfer ciepła,
– zmiany objętości skał, ich porowatości oraz właściwości
wytrzymałościowych i odkształceniowych.
Spalanie i przemieszczanie się frontu ogniowego wpływa
na kształt i prędkość pojawiania się pustek po zgazowanym
węglu. Analiza transferu ciepła pozwala określić strefy górotworu, w których następuje zaburzenie pierwotnej równowagi
termicznej, a co za tym idzie poprzez odpowiednio wysoką
temperaturę, zmianę właściwości wytrzymałościowo-odkształceniowych skał.
W masywie skalnym występuje faza stała oraz płyny
w postaci cieczy i gazów. W skali porowej mogą występować
pewne różnice temperatury na granicy styku faz, jednak są
one niewielkie i przy założeniu, że w jednej z faz nie występuje silne źródło ciepła lub brak w niej szybkich przepływów
ciepła, uzasadnione jest założenie o lokalnej równowadze
termicznej. Jest to tym bardziej dopuszczalne, że w ośrodku
porowatym jakim są skały, przepływ płynów ma stosunkowo
małą prędkość. Lokalna równowaga termiczna nie wyklucza
występowania gradientów temperatury w nieco większej
skali, np. w blokach masywu skalnego. W przypadku zjawisk
naturalnych takich jak gejzery czy erupcje wulkaniczne lub
w otoczeniu silnych źródeł ciepła pochodzenia antropogenicznego (georeaktory, pożary w kopalniach węgla kamiennego)
szczególnie na styku skał oraz płynów założenie o lokalnej
równowadze termicznej nie jest spełnione [2]. Jednak podczas analizy w większej skali, gdy przedmiotem rozważań
jest przepływ ciepła w ośrodku skalnym, a nie na styku np.
komory georeaktora i skał, można przyjąć, że lokalna równowaga termiczna jest zachowana. Jest to założenie, które
pozwala na znaczne uproszczenie analizy dając możliwość
wprowadzenia średniej przewodności cieplnej dla ośrodka,
a nie dla poszczególnych jego faz.
Przepływ ciepła w masywie skalnym, będącym ośrodkiem
porowatym, jest zjawiskiem trudnym do ujęcia w matematycznym opisie ze względu na dużą złożoność zagadnienia.
Wyróżnić tu można wiele mechanizmów, których badaniem,
już we wczesnych latach 70. XX w., zajmował się Bear [3],
są to m.in. przepływ ciepła:
– w ciele stałym (rozumianym jako ośrodek ciągły) poprzez
przewodnictwo,
– w płynie (rozumianym jako ośrodek ciągły) poprzez przewodnictwo,
78
PRZEGLĄD GÓRNICZY
– w płynie (rozumianym jako ośrodek ciągły) poprzez konwekcję,
– w płynach z wykorzystaniem mechanizmu dyspersji,
– z ciała stałego do płynu,
– pomiędzy ziarnami ciała stałego poprzez radiację, gdy
płynem jest gaz [2].
Najbardziej istotnym mechanizmem transferu ciepła
spośród wymienionych wyżej jest przewodnictwo cieplne. Badaniami nad przewodzeniem ciepła zajmował się
Joseph Fourier, który już w roku 1878 opublikował pracę pt.
Analytical Theory of Heat [7]. W swojej pracy Fourier przedstawił podstawowe równanie opisujące wielkość przepływającego ciepła dla stanu ustalonego w ośrodku jednorodnym
izotropowym znane również jako prawo Fouriera
gdzie:
(2.1),
qh –gęstość strumienia ciepła na kierunku n,
K– przewodność cieplna,
T– temperatura.
Przewodność cieplna K charakteryzująca właściwości
danego ośrodka, podobnie jak ciepło właściwe, bywa traktowana jako stała. Tymczasem wykazuje ona zmienność
szczególnie w wysokich temperaturach, gdy oprócz przewodnictwa może wystąpić promieniowanie energii w postaci fali
elektromagnetycznej (radiacja), co wpływa na zwiększenie
jej wartości. Jednakże radiacja zaczyna odgrywać znaczącą
rolę dopiero, gdy temperatura ośrodka przekracza 600 °C,
w przeciwnym wypadku jej rola jest pomijalna [2].
Równanie opisujące przewodnictwo cieplne może być
również skonstruowane poprzez zastosowanie prawa Fouriera,
w celu określenia bilansu przepływu ciepła przez małą objętość kontrolną. W rezultacie otrzymuje się cząstkowe równanie różniczkowe drugiego rzędu opisujące przepływ ciepła
przez powierzchnię w infinitezymalnie małej objętości zwane
równaniem przewodnictwa cieplnego
(2.2),
gdzie:
g– reprezentuje ciepło wygenerowane wewnątrz objętości
kontrolnej,
ρ– gęstość,
c– właściwa pojemność cieplna.
Jak już wspomniano, transfer ciepła w płynach może
odbywać się również poprzez konwekcję, która w ośrodku
skalnym jest znacznie utrudniona i nie zawsze rozwijają się
ruchy konwekcyjne. Konwekcyjny transfer ciepła jest możliwy w pustkach (o odpowiedniej wielkości) wypełnionych
płynem i polega na zmianie gęstości płynu pod wpływem dostarczanego ciepła i wyporze rozprężonego płynu. Konwekcja
może zachodzić w sposób naturalny lub być wymuszona
poprzez ciśnienie mechaniczne. W przypadku wymuszonym,
konwekcyjny strumień ciepła jest wprost proporcjonalny do
strumienia mechanicznego płynu i jest równy: qmcρT. Zatem
zależność (2.2) przekształca się do następującej postaci
(2.3).
Transfer ciepła z wykorzystaniem radiacji odbywa się
nieustannie we wszystkich ciałach poprzez emitowanie fal
elektromagnetycznych, a co za tym idzie może zachodzić
również w próżni. Wartość energii radiacji jest funkcją
temperatury oraz rodzaju i wielkości powierzchni, z której
jest emitowana. Energia ta może być absorbowana poprzez
inne ciała, a wartość absorbowanej energii również zależy
2014
od temperatury i powierzchni ciała absorbującego energię.
Emitowana energia może zostać zaabsorbowana przez dane
ciało, część fal elektromagnetycznych jest odbijana, a część
przenika przez ciało bez zmiany jego temperatury (transmitancja). Jak już wspomniano, rola mechanizmu radiacji jest
znaczna od temperatury ok. 600 °C, a taka występuje podczas
procesu zgazowania węgla. Jednakże, ze względu na charakter
ośrodka (masyw skalny), w porównaniu z przewodnictwem
cieplnym jej udział jest pomijalny.
Istnieje również mechanizm transferu ciepła poprzez
dyspersję, a zachodzi ona w płynach przepływających z różną prędkością poprzez kanaliki ośrodka porowatego. Różna
prędkość płynów wynika ze zróżnicowania geometrii porów
oraz tarcia pomiędzy przepływającym płynem a ciałem
stałym. Różnice prędkości w mikroskali mogą powodować
rozdzielanie się lub dyspersję płynu. Jednak w porównaniu do
transferu ciepła poprzez przewodnictwo cieplne wpływ tego
zjawiska w ośrodku skalnym jest pomijalny. Wynika to z niskiej prędkości i małej objętości przepływających płynów, a co
za tym idzie przekazywanej w ten sposób niewielkiej energii.
4. Zmiana właściwości fizykomechanicznych skał pod
wpływem działania dużych temperatur
Przebieg oraz rodzaj zmian właściwości fizykomechanicznych, zachodzących w skałach pod wpływem wysokiej
temperatury, zależy w dużym stopniu od składu mineralogicznego tychże. Bardzo ważnym czynnikiem jest rodzaj spoiwa,
które zapewnia integralność materiału skalnego. W wyniku
działania wysokiej temperatury obserwuje się różne zachowanie skał. W zależności od ich budowy wewnętrznej może
dochodzić do: zmian w strukturze i teksturze, dezintegracji,
zmian właściwości wytrzymałościowo-odkształceniowych,
zmian parametrów termicznych. Opis szeroko prowadzonych
badań zachowania się skał w wysokiej temperaturze można
znaleźć w [12, 13].
W pracach [12, 13] przedstawiono wynik badań parametrów wytrzymałościowo-odkształceniowych oraz właściwości termicznych skał poddanych wyprażaniu w zakresie
temperatur od 20 do 1200 °C. Badania wytrzymałościowe
wykonywano po ogrzaniu skały do danej temperatury,
a następnie wychładzano ją i poddawano testom na maszynie
wytrzymałościowej. Przeprowadzone badania wykazały, że
skałą najmniej odporną na działanie wysokich temperatur jest
łupek ilasty, który ulegał dezintegracji, natomiast najbardziej
odporne na ich działanie są piaskowce. Duży wpływ na zniszczenie próbek miała zawartość części organicznych (spalanie)
oraz ich niejednorodność. Próbki, które składały się z warstw
o różnym składzie mineralogicznym, ulegały zniszczeniu ze
względu na różną rozszerzalność temperaturową poszczególnych warstw i powstające w ten sposób naprężenia termiczne.
Doświadczenia wykazały znaczny spadek wartości modułu
Younga we wszystkich próbkach, natomiast nie znaleziono
korelacji pomiędzy działaniem wysokiej temperatury a wytrzymałością na ściskanie (część próbek wykazywała wzrost,
a część jej spadek).
Badania przewodności cieplnej przedstawione w [12]
wykazują, że podczas całego procesu ogrzewania do temperatury 1200 °C ulega ona zmianom ze względu na przemiany
endotermiczne zachodzące w próbkach. Dla wszystkich
próbek obserwowano najpierw spadek, a następnie wzrost
przewodności cieplnej, różniła się tylko temperatura, w której
następował ponowny wzrost. Wynika to z innej budowy mineralogicznej (przemiana minerałów w różnych temperaturach).
Większość próbek dla końcowej temperatury (od 1000 °C do
1200 °C) wykazała wzrost przewodności cieplnej w stosunku
do temperatury początkowej (30 °C).
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
79
5. Opis matematyczny modelu numerycznego stworzonego w programie FLAC 3D
Fouriera. W warunkach ustalonych, w jednorodnym i izotropowym ciele stałym prawo konstytutywne przyjmuje postać
W modelu numerycznym zastosowanym do analizy
transferu ciepła w otoczeniu georeaktora bazowano jedynie na przewodnictwie cieplnym. Ośrodek potraktowano
jako jednorodny, ciągły i izotropowy. Zmienne zawarte
w analizie przewodnictwa ciepła (w programie FLAC 3D)
to temperatura oraz trzy składowe strumienia ciepła. Są one
zawarte w równaniu bilansu energii i prawach transportu
wyprowadzonych z prawa Fouriera dla przewodnictwa
cieplnego. Odpowiednikiem prawa Fouriera w bilansie
energetycznym jest równanie różniczkowe przewodnictwa
cieplnego, które może być rozwiązane dla podstawowych
parametrów geometrycznych modelu i właściwości ośrodka
skalnego przy zadanych warunkach początkowo-brzegowych.
Efekty działania naprężeń termicznych oraz ciśnienia porowego (wywołanego przyrostem temperatury) uwzględniono
poprzez dodanie termicznego odkształcenia objętościowego
w mechanicznych prawach konstytutywnych oraz prawach
konstytutywnych płynów. Równanie bilansu energetycznego
przedstawia się następująco [9]
(3.5),
(3.1)
gdzie:
qi – wektor strumienia ciepła, ,
qv – objętościowa intensywność źródła ciepła, ,
– wartość ciepła gromadzonego w jednostce objętości,
.
Uogólniając zmiany temperatury, które mogą być spowodowane poprzez gromadzenie energii lub odkształcenia ,
termiczny model konstytutywny uwzględniający te parametry
przedstawia się następująco [9]
(3.2)
gdzie:
Mth, βth – stałe materiałowe,
T – temperatura.
Podczas obliczeń w programie FLAC 3D rozpatrywany
jest tylko podstawowy przypadek równania (3.2), w którym
βth= 0, a
, gdzie:
ρ– gęstość masy, ,
Cv–ciepło właściwe w stałej objętości,
gdzie:
k – przewodność cieplna
.
Po wstawieniu (3.5) do (3.4) można wyprowadzić różniczkowe równanie przewodnictwa cieplnego.
Z punktu widzenia obliczeń numerycznych bardzo ważne
są warunki początkowo-brzegowe. Jeśli chodzi o warunki
początkowe, to odnoszą się one do określenia pola temperatur.
Warunki brzegowe określane są poprzez podanie warunków
temperaturowych lub składowej wektora strumienia ciepła
normalnej do powierzchni zewnętrznej modelu. Program
FLAC 3D przewiduje cztery typy warunków początkowo-brzegowych [9] poprzez podanie:
– temperatur,
– składowej wektora strumienia ciepła normalnej do powierzchni zewnętrznej modelu,
– konwekcyjnych warunków brzegowych,
– adiabatycznych warunków brzegowych.
Konwekcyjne warunki brzegowe mają następującą postać
(3.6),
qn = h(T – Te)
gdzie:
qn –składowa strumienia ciepła normalna do powierzchni
zewnętrznej modelu o zwrocie normalnej zewnętrznej,
,
h – konwekcyjny współczynnik przewodzenia ciepła,
T –temperatura powierzchni zewnętrznej modelu, °C,
Te –temperatura otaczającego płynu, °C.
Standardowo stosowane są adiabatyczne warunki
brzegowe.
Rozwiązywanie problemu naprężeń termicznych wymaga
ponownego sformułowania przyrostowej relacji naprężeniowo-odkształceniowej, która powstaje poprzez odjęcie
części termicznej od całkowitego przyrostu odkształcenia.
Nieograniczona rozszerzalność temperaturowa w ciele izotropowym nie wpływa na odkształcenia postaciowe, dlatego
przyrost odkształceń termicznych w warunkach nieograniczonej rozszerzalności przy przyroście temperatury ΔT jest
określony następująco [9]
(3.7),
.
Takie uproszczenie jest możliwe przy założeniu, że wpływ
zmian odkształceń na zmiany temperatury jest pomijalny.
Zmiana wielkości gromadzonego ciepła w jednostce objętości w czasie jest definiowana następująco
(3.3),
Po wprowadzeniu zależności (3.3) do (3.1) równanie
bilansu energetycznego przekształca się do postaci
(3.4)
Należy zauważyć, że prawie dla wszystkich ciał stałych
oraz płynów, ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu i ciepło właściwe przy stałej objętości są praktycznie równe.
Konsekwencją czego jest możliwość używania Cv oraz Cp
zamiennie.
Podstawowe prawo definiujące relację pomiędzy wektorem strumienia ciepła oraz gradientem temperatury jest prawo
gdzie:
at– współczynnik liniowej rozszerzalności termicznej,
δij –delta Kroneckera.
6. Założenia eksperymentów ex situ pracy georeaktora
Dane, które wykorzystano do numerycznej analizy uzyskano z dwóch eksperymentów ex situ przeprowadzonych przez
Główny Instytut Górnictwa [16, 22]. Eksperymenty te polegały na śledzeniu zmian temperatury czujników zabudowanych wokół pracującego georeaktora. Modele georeaktorów
zlokalizowane zostały na powierzchni: jeden z nich posiadał
kanał ogniowy w kształcie litery V (rys. 1), a kanał drugiego
z nich był prosty (rys. 2).
W komorze z układem „V” analizowany fragment węgla
charakteryzował się wymiarami 2,0m × 0,75m × 0,65m natomiast cała skrzynia miała wymiary 3,0 m × 1,5m × 1,4m
(rys. 1) [16, 22]. Temperatura monitorowana była przez 25
czujników z odczytem co 10 s. Podobne wymiary miał georeaktor testowany w układzie prostym (wymiary wkładki
80
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
7. Numeryczna analiza zjawisk termicznych zachodzących w otoczeniu georeaktora dla warunków doświadczeń ex situ
7.1. Budowa modelu numerycznego
Rys. 1. Konfiguracja kanałów ogniowych testowana w eksperymencie z kanałem w układzie V, a) przekrój poziomy, b)
przekrój podłużny [16].
Fig. 1. Configuration of fire channels for the test of V-type
channel: a) horizontal section, b) longitudinal section
[16]
Modele numeryczne zbudowano w programie FLAC 3D
v5.0 na podstawie danych z eksperymentów ex situ przedstawionych w [16, 22]. Odwzorowano zarówno przebieg doświadczenia dla układu kanału ogniowego typu V oraz kanału
w układzie prostym zgodnie z założeniami przedstawionymi
w punkcie 6. Modele obu komór składały się z trzech ośrodków – obudowy betonowej, skał otaczających oraz węgla.
Łączna liczba elementów, w poszczególnych modelach, wynosiła 50400. Po zdefiniowaniu geometrii zadano parametry
przewodności cieplnej dla wyróżnionych ośrodków. Dla
obudowy betonowej i dla skał otaczających przyjęto współczynnik przewodzenia ciepła 3,714 W/mK. Współczynnik
przewodzenia ciepła dla węgla stanowił element kalibracji
modelu (rys. 3 oraz 4). Jako warunki brzegowe przyjęto
stałą temperaturę na brzegach modelu wynoszącą 20 °C.
Taką samą temperaturę uwzględniono również w całym
modelu dla czasu t = 0 s (początek eksperymentu). Pozostałe
warunki brzegowe polegały na zadawaniu w modelu temperatury odpowiadającej czujnikom, które w eksperymentach
zlokalizowane były w pobliżu źródeł ciepła. W komorze o
układzie prostym (rys. 2) były to czujniki od 1 do 5, natomiast
w komorze o układzie „V” od 1 do 4 (rys. 1). Temperatura
aktualizowana była w obu modelach co 180 s.
7.2. Analiza wyników przeprowadzonych symulacji
Rys. 2.Konfiguracja kanałów ogniowych testowana w eksperymencie z kanałem prostym, a) przekrój poziomy, b)
przekrój podłużny, c) przekrój poprzeczny [22].
Fig. 2. Configuration of fire channels for the test with linear
channel: a) horizontal section, b) longitudinal section, c)
cross-section [22]
węglowej: 2,2m × 0,8m × 0,8m), gdzie również zabudowano 25 czujników do pomiaru temperatury w odstępach 10
sekundowych (rys. 2). Georeaktory składały się z obudowy
betonowej, wypełnienia ze skał oraz węgla. Węgiel w układzie „V” pochodził z KWK „Bobrek” [16, 22], natomiast
w układzie prostym z LW „Bogdanka” S.A. [22]. Czas trwania eksperymentu wynosił 72 h dla układu „V” oraz 29h dla
układu prostego. Georeaktory celowo zostały zlokalizowane
na powierzchni ponieważ ułatwia to w znacznym stopniu
kontrolę przebiegu ich pracy, co w tej fazie rozwoju projektu
było bardzo istotne.
W kopalni doświadczalnej „Barbara” przeprowadzono
również eksperymenty z georeaktorem zlokalizowanym pod
ziemią, których szerszy opis można znaleźć w [21].
Rysunki 3 oraz 4 przedstawiają średnie różnice temperatur pomierzonych w punktach lokalizacji czujników w
modelu numerycznym oraz w eksperymencie ex situ. Na
rysunkach przedstawiono średnie różnice temperatury dla
węgla (dla całego eksperymentu), średnie różnice temperatury dla całego modelu (dla całego eksperymentu) oraz
średnie różnice temperatury dla całego modelu (na koniec
eksperymentu, odpowiednio dla kanału „V” t=72 h oraz dla
kanału prostego t=29 h). Z przedstawionych wyników można
wywnioskować, że w czasie trwania całego eksperymentu,
średnie temperatury w węglu uzyskują najlepszą zgodność
dla współczynnika przewodzenia ciepła węgla wynoszącego
15 W/mK (dla kanału „V” – rysunek 4) oraz 6 W/mK (dla
kanału prostego – rysunek 3), podczas gdy średnie temperatury dla wszystkich czujników uzyskują najlepszą zgodność
dla współczynnika przewodzenia ciepła węgla wynoszącego
5 W/mK (dla kanału V – rysunek 4) oraz 4.9 W/mK (dla
kanału prostego – rysunek 3).
Różnice obserwowane pomiędzy modelami numerycznymi i pomiarami rzeczywistymi w znacznym stopniu
uzależnione są od postępu frontu ogniowego, co w modelu
nie zostało uwzględnione. W celu poprawienia wyników należałoby uwzględnić w modelu geometrię wypalonej komory
(komplikacja modelu).
8. Analiza numeryczna dla hipotetycznego georeaktora
z uwzględnieniem modyfikacji założeń modelowania
Po dokonaniu analizy wyników z modelowania georaktorów opisywanych w punkcie 7, postanowiono wprowadzić
do modelu geometrię wypalanej komory w układzie „V” oraz
zmodyfikować nieco warunki początkowo-brzegowe.
Na podstawie danych z symulacji pracy georeaktora przedstawionych w [19, 23] odwzorowano geometrię wypalanej
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
81
Rys. 3.Wykres zbieżności modelu numerycznego z eksperymentem ex situ dla kanału w układzie prostym.
Fig. 3. Convergence of numerical model with ex-situ experiment for linear fire channel
Rys. 4.Wykres zbieżności modelu numerycznego z eksperymentem ex situ dla kanału w układzie „V”
Fig. 4. Convergence of numerical model with ex-situ experiment for V-type fire channel
komory oraz pracę w przestrzennym stanie naprężenia. Do
obliczeń przyjęto model o wymiarach zewnętrznych 40 m ×
40 m × 10 m, w którym umieszczono georeaktor. Wymiary
georeaktora wynosiły 1,65 m × 0,67 m × 0,32 m i są zgodne
z założeniami przyjętymi w pracy [19, 23]. Geometrię modelu wraz z wypaloną komorą przedstawiono na rysunku 5.
W obliczeniach przyjęto, że hipotetyczny georeaktor znajduje
się na głębokości 400 m, natomiast współczynnik K0 wyrażający stosunek naprężeń poziomych do pionowych wynosi 0,5.
W tablicy 1 zestawiono parametry masywu skalnego
przyjęte w obliczeniach dla temperatury początkowej t=30.
W tablicy 2 przedstawiono uwzględnione zmienności parametrów termicznych dla piaskowców, natomiast w tablicy
3 zmienne parametry mechaniczne. Współczynnik rozszerzalności termicznej przyjęto dla wszystkich skał jednakowy
i równy α = 1·10-5, 1/K
Obliczenia przeprowadzono w następujących etapach:
po wczytaniu geometrii modelu i wprowadzeniu warunków
brzegowych w postaci zablokowanych przesuwów na odpowiednich ścianach bocznych modelu, założono pierwotny
stan naprężenia. Następnie usunięto z modelu elementy
odpowiadające kształtem geometrii georeaktora określonego
w pracach [19, 23] i na granicy zadano odpowiednie temperatu-
ry. Następnie wykonano proces obliczeniowy dla 1, 2 i 5 dni od
momentu zadania warunków brzegowych na granicy kawerny.
Rys. 5.Geometria modelu numerycznego hipotetycznego georeaktora opracowana na bazie danych z pracy [23]
Fig. 5. Geometry of numerical model of hypothetic georeactor
using data from [23]
82
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Tablica 1. Mechaniczne właściwości skał przyjęte w obliczeniach (dla temperatury początkowej
t=30)
Table 1. Mechanical properties of rocks assumed for calculations (for initial temperature t=30° C)
Materiał
Moduł
Younga,
E, MPa
1000
9341
Węgiel
Piaskowiec
Współczynnik
Poissona,
ν [-]
0.30
0.30
Kąt tarcia
wewnętrznego,
ϕ [°]
32
40
Kohezja,
c, MPa
Wytrzymałość na
rozciąganie,
Rt, MPa
0.6
2.0
0.6
5.55
Tablica 2. Parametry termiczne piaskowców w funkcji temperatury
Table 2. Thermal properties of sandstones in relation to the temperature
Piaskowce
Temperatura [°C]
30
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Współczynnik
przewodzenia ciepła, Cp
J/kgK
4.624
3.239
2.238
1.636
1.169
1.203
1.183
1.174
1.334
1.612
1.448
2.409
4.587
Cieplna pojemność
właściwa, λ, W/mK
1209
1147
1213
1345
1418
1918
2253
2437
2959
3781
3109
5186
10751
Tablica 3. Parametry mechaniczne piaskowców w funkcji temperatury
Table 3. Mechanical properties of sandstones in relation to the temperature
Temperatura
[°C]
30
400
600
1000
Kohezja,
c, MPa
5.55
4.90
8.07
Piaskowce
Moduł Younga,
E, MPa
9341
6905
2350
849
Na rysunkach od 6 do 11 przedstawiono wyniki przeprowadzonych analiz. Z map rozkładu temperatury zaprezentowanych na rysunku 6 dla stanu po 5 dniach (koniec eksperymentu) wynika, że strefa temperatur o wartości powyżej 300
jest niewielka i sięga zaledwie kilkadziesiąt centymetrów
w głąb ośrodka.
Po analizie rysunków 7÷8 oraz rysunków 9 i 10 należy
zauważyć, że największe wartości naprężeń występują pomiędzy ramionami kawerny. Koncentracja naprężeń w tym
obszarze wynika z geometrii przyjętego kanału. W pierwszej
fazie eksperymentu, tj. dla czasu t=1d (rysunek 7) wartości
naprężeń pionowych występujących pomiędzy ramionami
kawerny wynosiły 53,2 MPa, co stanowi znaczny wzrost
w stosunku do pierwotnych naprężeń pionowych przyjętych
na poziomie 10 MPa. W dalszej części eksperymentu dla t=5d
(rysunek 8) naprężenia te spadają na skutek uplastycznienia
i działania temperatury do wartości około 45 MPa. Podobny
trend obserwuje się dla naprężeń zredukowanych, gdzie
naprężenia pierwotne wyniosły 5 MPa, po jednym dniu 37.4
MPa (rys. 9), a po 5 dniach spadają do wartości 32 MPa (rys.
10). Koncentracja naprężeń zredukowanych, podobnie jak dla
pionowych, występuje pomiędzy ramionami kawerny.
Naprężenia pionowe na bokach kawerny wynoszą od 40
MPa na brzegu kawerny do 20 MPa w odległości około 1 m
od brzegu kawerny. Ma to oczywisty związek z rozkładem
temperatury. Podobnie wygląda sytuacja dla naprężeń zredukowanych, które na brzegach kawerny wynoszą około 25
MPa, a w odległości około 1 m od brzegów spadają do 6 MPa.
Na rysunku 11 łatwo zauważyć, że uplastycznieniu ulega
jedynie najbliższe sąsiedztwo kawerny. Zasięg strefy uplastycznienia wynosi około 20 cm od krawędzi kawerny, a także
uwzględnia obszar pomiędzy jej ramionami.
Rys. 6.Rozkład temperatury po 5 dniach od przyjęcia warunków początkowo-brzegowych: a) przekrój pionowy; b) przekrój
poziomy.
Fig. 6. Distribution of temperature after 5 days from the assumption of boundary conditions a) vertical section, b) horizontal
section
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
83
Rys. 7.Rozkład naprężeń pionowych po 1 dniu od przyjęcia warunków początkowo-brzegowych: a) przekrój pionowy; b) przekrój poziomy.
Fig. 7. Distribution of vertical stress after 1 day from the assumption of boundary conditions a) vertical section, b) horizontal
section
Rys. 8.Rozkład naprężeń pionowych po 5 dniach od przyjęcia warunków początkowo-brzegowych: a) przekrój pionowy;
b) przekrój poziomy.
Fig. 8. Distribution of vertical stress after 5 days from the assumption of boundary conditions a) vertical section, b) horizontal
section
Rys. 9.Rozkład naprężeń zredukowanych wg. hipotezy HMH po 1 dniu od przyjęcia warunków początkowo-brzegowych: a)
przekrój pionowy; b) przekrój poziomy.
Fig. 9. Distribution of strength/stress ratio (HMH strength criterion) after 1 day from the assumption of boundary conditions:
a) vertical section b) horizontal section
84
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 10. Rozkład naprężeń zredukowanych wg. hipotezy HMH po 5 dniach od przyjęcia warunków początkowo-brzegowych:
a) przekrój pionowy; b) przekrój poziomy.
Fig. 10. Distribution of strength/stress ratio (HMH strength criterion) after 5 days from the assumption of boundary conditions: a) vertical section, b) horizontal section
Rys. 11. Rozkład stopnia wytężenia górotworu po 5 dniach od przyjęcia warunków początkowo-brzegowych: a) przekrój
pionowy; b) przekrój poziomy.
Fig. 11. Distribution of the rock mass effort degree after 5 days from the assumption of boundary conditions: a) vertical section, b) horizontal section
9. Podsumowanie.
Podziemne zgazowanie węgla jest zagadnieniem szeroko
badanym w kontekście możliwości wykorzystania pokładów
węgla, których klasyczna eksploatacja jest ekonomicznie
nieuzasadniona bądź technologicznie trudna. Proces zgazowania daje duże możliwości, ale również stawia wymagania
dla inżynierów i naukowców pracujących nad tą metodą.
Procesy zachodzące podczas pracy georeaktora należą do
grupy procesów sprzężonych, których przebieg, a tym samym
także modelowanie jest niezwykle skomplikowane. Symulacja
komputerowa procesów zgazowania wymaga określenia dużej
liczby parametrów modelu oraz ich zmienności w funkcji
temperatury. Dotychczasowe badania ex situ wykazują, że
kontrola procesu zgazowania jest ograniczona, a zatem prognozowanie pracy georeaktora jest utrudnione.
Do grupy najbardziej istotnych procesów towarzyszących podziemnemu zgazowaniu węgla należy zaliczyć procesy termiczne, wśród których wymienić można: spalanie
i przemieszczanie się frontu ogniowego, zmiany strukturalne
oraz wytrzymałościowo-odkształceniowe skał otaczających,
a także transfer ciepła w górotworze. Pośród procesów termicznych istotnym jest proces transferu ciepła w masywie
skalnym otaczającym georeaktor. Mechanizm, który odgrywa
dominującą rolę podczas przepływu ciepła w górotworze to
przewodnictwo cieplne, dla którego podstawy opisu matematycznego stworzył Fourier.
Komputerowe modelowanie procesów termicznych w otoczeniu georeaktora wykonano z użyciem programu FLAC 3D
v.5.0, który bazuje na metodzie różnic skończonych. W symulacji wykorzystano wyniki badań ex situ przeprowadzonych
przez Główny Instytut Górnictwa [16, 22] dla georeaktorów
z różnym układem kanałów ogniowych (układ prosty oraz
„V”). Na podstawie pomiarów czujników temperatury odtworzono proces przepływu ciepła. Pierwsze dwie symulacje
zakładały stałe parametry termiczne skał oraz nie uwzględniały zmian geometrii kanałów georeaktora. Wyniki, które
otrzymano odzwierciedlają w pewnym stopniu jakościowy
charakter rozkładu temperatur wokół georeaktora.
W trzeciej symulacji przeprowadzono analizę termiczno-mechaniczną pracy hipotetycznego georeaktora przy rzeczywistej geometrii kanału „V” oraz założeniu zmienności
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
parametrów termicznych i mechanicznych skał. Wyniki dały
jakościowy obraz rozkładu temperatur, oraz naprężeń i stref
wytężenia górotworu.
Niestety, w symulacjach nie udało się w pełni odzwierciedlić wyników badań ex situ, co wynika ze złożoności procesów
zachodzących podczas zgazowania, a także ograniczonej
kontroli nad procesem zgazowania i „nieprzewidywalności”
ośrodka skalnego. Główną przyczyną jest brak możliwości
ujęcia w modelu (ograniczenia zastosowanych narzędzi)
procesów chemicznych, tj. endotermicznych procesów przeobrażania się minerałów. Ponadto pominięto inne mechanizmy
transferu ciepła w celu uproszczenia modelu.
Modelowanie procesów termicznych wymaga dalszych
studiów, jednak już teraz daje możliwość uchwycenia jakościowych zmian zachodzących w ośrodku skalnym. Pozwala
to na identyfikację zjawisk oraz hipotetycznych zagrożeń
zachodzących podczas pracy georeaktora, czego przykładem
może być duża koncentracja naprężeń pomiędzy ramionami
kanału „V”. Uzyskane wyniki symulacji numerycznych wykonanych dla odwzorowania przebiegu doświadczeń ex-situ
wskazują na duży potencjał metod numerycznych w zakresie
prognozowania i oceny wpływu procesu pzw na otaczające
geośrodowisko.
Pracę sfinansowano ze środków badań prowadzonych
w ramach Zadania Badawczego nr 3 pt.: „Opracowanie
technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji
paliw i energii elektrycznej” - obszar 3.2. Model symulacyjny
georeaktora, które finansowane jest przez Narodowe Centrum
Badań i Rozwoju.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Ahlers, C. F., Finsterle, S., and Bodvarsson, G. S.: Characterization
and prediction of subsurface pneumatic response at Yucca Mountain,
Nevada. J. Contam. Hydrol. 1999, Nr 38, s. 47 ÷ 68.
Baston D. P.: Analytical and Numerical Modelling of Thermal Conductive
Heating in Fractured Rock. Kingston, Queen’s University April 2008.
Bear J.: Dynamics of Fluids in Porous Media. New York, Dover
Publications. Inc. 1972.
Bhutto A. W., Bazmi A. A., Zahedi G.: Undergroung Coal Gasification:
From Fundamentals to Applications. Progress in Energy Combustion
Science 2013, No. 39, s. 189 ÷ 214.
Cała M.: Raport końcowy z badań i prac technicznych wykonanych w
okresie 4.05.2010 – 30.06.2013. Część tematu badawczego nr 1.2.1:
Wymagania górnicze i środowiskowe z modelowaniem procesów geogazodynamicznych. Zakres 3 – Opracowanie modeli symulacyjnych
geogazotermicznych i obliczenia weryfikacyjne. Praca niepublikowana.
Cała M., Stopkowicz A., Kowalski M.: Symulacja procesów fizycznych
towarzyszących podziemnemu zgazowaniu węgla na podstawie modelowania numerycznego. Przegląd Górniczy luty 2013, Nr 2, s. 72÷79.
Fourier J.: Analytical Theory of Heat. London, Cambridge Warehouse
1878.
Imran M., Kumar D., Kumar N., Qayyum A., Saeed A.: Environmental
Concerns of Underground Coal Gasification. Renewable and Suitable
Energy Reviews 2014, No. 31, s. 600÷610.
ITASCA FLAC3D: Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3
Dimensions – Thermal Analysis, Minneapolis, Minesota USA, Itasca
Consulting Group Inc. 2009.
85
10. Kapusta K., Stańczyk K., Wiatowski M., Chećko J.: Environmental
Aspects of a Field-Scale Underground Coal Gasification Trial in a
Shallow Coal Seam at the Experimental Mine Barbara in Poland. Fuel
2013, No. 113, s. 196 ÷ 208.
11. Lanru J., Xiating F.: Numerical modeling for coupled thermo-hydro-mechanical and chemical processes (THMC) of geological media
- International and Chinese experiences. Chinese Journal of Rock
Mechanics and Engineering 2003, vol. 22 (10), s. 1704 ÷ 1715.
12. Małkowski P.: Raport końcowy z badań i prac technicznych wykonanych
w okresie 4.05.2010-31.12.2012. Część tematu badawczego nr 1.2.1:
Wymagania górnicze i środowiskowe z modelowaniem procesów geogazodynamicznych. Zakres 1 – Badania właściwości geomechanicznych
i termicznych skał. Praca niepublikowana.
13. Małkowski P., Niedbalski Z., Hydzik-Wiśniewska J.: The Change
of Structural and Thermal Properties of Rocks Exposed to High
Temperatures in the Vicinity of Designed Geo-Reactor. Archives of
Mining Sciences 2013, Vol. 58, No. 2, s. 465÷480.
14. Prabu V., Jayanti S.: Heat Affected Zone Analysis of High Ash
Coals During Ex Situ Experimental Simulation of Underground Coal
Gasification. Fuel 2014, No. 123, s. 167÷174.
15. Pudewills A.: Numerical Analysis of Long–Term Thermomechanical
Behavior of Repository Structures. Transaction, SMiRT 2001, Paper
1055.
16. Smoliński, A. , Stańczyk, K., Kapusta, K., Howaniec, N.: 2012,
Chemometric study of the ex situ underground coal gasification wastewater experimental data, Water, Air, and Soil Pollution, Volume 223,
Issue 9, November 2012, Pages 5745÷5758.
17. Tsang C.-F. (ed.): Coupled Processes Associated with Nuclear Waste
Repositories, Academic Press 1987.
18. Tsang C.-F., Stephansson O.: A Conceptual Introduction to
Coupled Thermo-Hydro-Mechanical Processes. in Fractured Rocks,
Stephansson O., Jing L. and Tsang C.-F. (Editors): Coupled ThermoHydro-Mechanical Processes of Fractured Media. Developments in
Geotechnical Engineering 1996, vol. 79.
19. Wachowicz J., Iwaszenko S., Janoszek T., Cempa-Balewicz M., 2013,
Zastosowanie pakietu FLUENT do symulacji procesu podziemnego
zgazowania węgla – koncepcja metody, Przegląd Górniczy, vol. 69, nr
02, pp. 64÷71
20. Weßling S.: The investigation of underground coal fires - towards
a numerical approach for thermally, hydraulically, and chemically coupled processes. Inaugural Dissertation zur Erlangung des
Doktorgrades der Naturwissenschaften im Fachbereich Physik der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultat der Westfalischen
Wilhelms-Universitat 2007.
21. Wiatowski M., Stańczyk K., Świądrowski J., Kapusta K., Cybulski K.,
Krause E., Grabowski J., Rogut J., Howaniec N., Smoliński A.: SemiTechnical Underground Coal Gasification (UCG) Using the Shaft
Method in Experimental Mine “Barbara”, Fuel 2012, No. 99, s. 170÷179.
22. Wyniki badań Cz.T.B. 3.1.1. pod kierunkiem Stańczyk K., GiG, realizowanych w ramach Zadania Badawczego nr 3 pt.: „Opracowanie
technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw
i energii elektrycznej” finansowanych przez Narodowe Centrum Badań
i Rozwoju”. Materiały niepublikowane.
23. Wyniki badań Cz.T.B. 3.2.2. pod kierunkiem Wachowicz J., GiG,
realizowanych w ramach Zadania Badawczego nr 3 pt.: „Opracowanie
technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw
i energii elektrycznej” finansowanych przez Narodowe Centrum Badań
i Rozwoju”. Materiały niepublikowane.
24. Yang D., Sarhosis V., Sheng Y.: Thermal-Mechanical Modelling Around
the Cavities of Underground Coal Gasification, Journal of the Energy
Institute 2014, No. XXX, s. 1÷9.
86
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Mapa rozwiązań technologicznych procesów
zgazowania węgla
Chart of technology solutions for coal gasification processes
Dr inż. Joanna. Bigda*)
Dr hab. inż. Dorota Burchart-Korol**)
Dr Stanisław Porada***)
Treść: W artykule przedstawiono porównanie najbardziej dojrzałych i perspektywicznych reaktorów, które mogą być wykorzystane
do zgazowania węgla w polskich warunkach. Wybrano reaktory dyspersyjne: Shell, GE/Texaco, Prenflo, Siemens i E-Gas, reaktor fluidalny U-Gas oraz reaktor transportujący KBR Transport. Reaktory te reprezentują różne rozwiązania technologiczne.
Technologie wykorzystujące te reaktory są szeroko stosowane na całym świecie i mogą być wykorzystane zarówno dla potrzeb
sektora energetycznego, jak i chemii czy produkcji paliw. Dokonano również analizy różnych rozwiązań technologicznych procesów podziemnego zgazowania węgla oraz najważniejszych konfiguracji technologicznych oczyszczania gazu ze zgazowania,
w zależności od jego zastosowania.
Abstract:This paper presents a comparison of the most advanced and prospective reactors which can be used for coal gasification in
Poland. Entrained bed reactors Shell, GE / Texaco, Prenflo, Siemens and E-Gas fluidized bed reactor U-Gas and the transporting reactor KBR were taken into consideration. These reactors represent different technological solutions. Technologies
using these reactors are widely used throughout the world and can be used both for energy, chemicals and fuels production.
Various technological processes of underground coal gasification and the most important technological configuration of the
gasification gas purification, depending on its application, were also examined.
Słowa kluczowe:
zgazowanie węgla, podziemne zgazowanie, gaz syntezowy, oczyszczanie gazu
Key words:
coal gasification, underground gasification, synthesis gas, gas cleaning
1. Wprowadzenie
Zgazowanie węgla to zespół wielokierunkowych przemian
termicznych i chemicznych, przebiegających w podwyższonej temperaturze pomiędzy substancją organiczną węgla
a czynnikiem zgazowującym, którym może być powietrze,
tlen, para wodna i ditlenek węgla lub ich mieszaniny. Celem
tego procesu jest całkowita konwersja węgla do palnego gazu,
który może być wykorzystywany jako paliwo lub gaz syntezowy. W chwili obecnej istnieje wiele technologii zgazowania
węgla, różniących się znacznie pod względem rozwiązań
konstrukcyjnych generatorów gazu, parametrów procesu,
wymagań odnośnie surowca, stopnia zaawansowania techno-
*) Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, **) Główny Instytut
Górnictwa w Katowicach, ***) AGH w Krakowie
logii, sposobów podawania surowca do generatora i odbioru
popiołu oraz oczyszczania i uzdatniania gazu w zależności
od jego zastosowania.
Istotnymi elementami współczesnych technologii jest
znaczące zmniejszenie kosztów operacyjnych, wzrost wydajności oraz wzrost dyspozycyjności instalacji. Często jednak
inwestor staje przed poważnym wyborem, w którym musi
uwzględnić lokalne zasoby węgla, technologię zgazowania
oraz dodatkowo pojawia się zagadnienie wyboru technik zgazowania i oczyszczania gazów ze zgazowania oraz produktów,
jakie chce uzyskać. Dla świadomego i racjonalnego rozwoju
i optymalizacji procesów produkcyjnych z punktu widzenia
ich efektywności procesowej, ekonomicznej czy aspektów
związanych z ochroną środowiska konieczny jest dostęp do
zaktualizowanego przeglądu technologii i ich podstawowych
wskaźników techniczno-ekonomicznych. Pozwoliłoby to na
wiarygodną ocenę stanu techniki oraz dostosowanie się do
zmieniających się potrzeb i wymagań otoczenia.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
87
2.1. Zgazowanie naziemne
2.1.1. Reaktory dyspersyjne
Reaktory dyspersyjne są obecnie najszerzej stosowanymi
generatorami w instalacjach zgazowania. Są one również
najbardziej wszechstronnymi typami generatorów, z punktu
widzenia stosowanego paliwa, w których zgazowaniu można poddawać paliwa stałe i ciekłe. W tego typu reaktorach
rozdrobnione paliwo natychmiastowo reaguje z para wodną
i tlenem lub powietrzem. Zmielony węgiel poniżej 1 mm
może być dostarczany do generatora w postaci suchej (jako
gaz transportujący wykorzystuje się zazwyczaj azot) lub
w zawiesinie wodno-węglowej. Czas reakcji to zaledwie
kilka sekund, dzięki czemu reaktory mają duża wydajność.
Proces zgazowania w reaktorach dyspersyjnych zachodzi
w wysokich temperaturach 1200÷1600 °C i przy ciśnieniu 2÷8
MPa, z tym, że większość instalacji funkcjonuje przy ciśnieniu
ok. 2,5 MPa. Wysoka temperatura w reaktorze (zazwyczaj
powyżej temperatur topliwości popiołu) wymaga stosowania
do ich konstrukcji odpowiednich materiałów ogniotrwałych,
ale zapewnia wysoki stopień konwersji węgla oraz sprawia,
że gaz syntezowy pozbawiony jest smoły i olejów. Przed
oczyszczeniem gaz procesowy poddawany jest chłodzeniu za
pomocą wysokotemperaturowego schładzacza gazu (również
przez zawracanie części gazu syntezowego) lub przez bezpośrednie chłodzenia gazu wodą. Popiół w postaci stopionego
żużla spływa grawitacyjnie w dół reaktora, gdzie jest zestalany, a następnie odprowadzany. W przypadku stosowania
węgli o wysokiej temperaturze topliwości popiołu, w celu jej
obniżenia, można do paliwa dodawać topników (np. kamień
wapienny). Skład oraz ilość popiołu ma największy wpływ na
czas użytkowania materiałów ogniotrwałych, które stanowią
wykładzinę reaktora i są jego najdroższym elementem, dlatego
preferowane są węgle o małej zawartości popiołu. Sprawność
procesu jest większa dla węgli o niskiej zawartości popiołu
i niskim stosunku tlenu do paliwa. Odporność reaktorów na
związki siarki i chloru zawarte w paliwie zależy od materiałów zastosowanych do budowy reaktorów oraz systemów
chłodzących i odpylających gaz [22, 25, 35].
Różnorodność występujących technologii zgazowania
skłania do ich klasyfikacji. Istnieje wiele kryteriów podziału,
z których najważniejszymi są: rodzaj złoża paliwa w generatorze oraz rodzaj medium zgazowującego [25]. Według
tego pierwszego kryterium reaktory zgazowania dzieli się na
cztery zasadnicze grupy:
– reaktory ze złożem przesuwnym (ang. moving bed),
w których gaz przepływa relatywnie wolno przez złoże
węgla,
– reaktory ze złożem fluidalnym (ang. fluidised bed),
w których cząstki węgla są zawieszone w przepływającym
gazie,
– reaktory dyspersyjne (ang. entrained bed), w których pył
węglowy i gaz przepływają z dużą prędkością w jednym
kierunku,
– reaktory transportujące (ang. TR – Transport Reaktor),
są typem reaktorów lokujących się pomiędzy reaktorami
fluidalnymi ze złożem cyrkulującym, a reaktorami dyspersyjnymi.
Obecnie pozycję dominującą na rynku zajmują reaktory
pracujące ze złożem dyspersyjnym a zgazowanie jest realizowane przy użyciu mieszaniny pary wodnej i tlenu lub powietrza. Ze względu na prostą budowę i wysoką elastyczność
pracy, pewnym potencjałem rozwojowych charakteryzują się
reaktory ze złożem fluidalnym. [22]. Z tego też względu celem
analiz poniżej przedstawianych będą najbardziej zaawansowane technicznie i jednocześnie o dużym udziale w rynku
reaktory zgazowania w złożu dyspersyjnym, transportującym
i fluidalnym.
2.1.2. Reaktory ze złożem fluidalnym
Reaktory fluidalne są obecnie najrzadziej wykorzystanymi typami generatorów gazu. Można wyróżnić podtyp tych
reaktorów z cyrkulującym złożem. Paliwo jest rozdrabniane
do rozmiarów 0,5÷5 mm, a dla reaktorów z cyrkulującym
złożem nawet poniżej 0,5 mm. Paliwo jest wprowadzane do
reaktora od dołu razem z medium zgazowującym (powietrze
lub tlen i para wodna) z odpowiednią prędkością, gdzie ulega
fluidyzacji i równocześnie zachodzą reakcje zgazowania.
Złoże tworzą zazwyczaj piasek, koks, sorbent lub popiół. Czas
reakcji wynosi przeważnie 10÷100 sekund. Dobre wymieszanie reagentów zapewnia równomierny rozkład temperatury
w złożu, która osiąga wartości 900÷1050 °C, czyli poniżej
temperatur topliwości popiołu. Popiół usuwany jest w postaci suchej lub aglomeratów. Z związku ze stosunkowo niską
temperaturą procesu osiągany jest niższy stopień konwersji
węgla, co skutkuje również niższą sprawnością procesu. Aby
ograniczyć straty związane z dużą ilością lotnych popiołów
zwierających karbonizat, w reaktorach tych często stosuję się
ich recyrkulację, co powodować może jednak wzrost zawartości popiołu w złożu fluidalnym. Innym sposobem jest dopalanie karbonizatu w oddzielnej jednostce. Ze względu na niską
temperaturę panująca w reaktorach fluidalnych, najbardziej
nadają się one do zgazowania węgli wysokoreaktywnych, tj.:
węgli brunatnych lub niskouwęglonych węgli kamiennych.
Ich zaletą jest możliwość pracy przy różnych wydajnościach.
Związki siarki powstające w procesie zgazowania węgla mogą
być częściowo usuwane już w złożu (nawet do 90 %) dzięki
wykorzystaniu sorbentów, co pozwala na użycie paliw bardziej
Zintegrowana analiza różnych wariantów technologicznych jest niemożliwa bez szczegółowego przedstawienia
poszczególnych wariantów rozwiązań procesowych. Jest to
szczególnie ważne z uwagi na brak ogólnodostępnych baz
danych, dotyczących procesów oczyszczania i uzdatniania
gazów ze zgazowania w kraju i na świecie.
Technologia zgazowania węgla umożliwia wielokierunkowe wykorzystanie generowanego gazu. Podstawowymi
produktami docelowymi są substancje chemiczne (81 %),
m.in. amoniak, wodór, metanol (37 %), produkty syntezy
Fischera-Tropscha (36 %), paliwa gazowe (8 %) oraz energia
elektryczna (19 %) [26]. Konfiguracja układu produkcyjnego zależy od kierunku jego wykorzystania, zastosowanej
technologii zgazowania, uwarunkowań paliwowych, a także
emisyjnych. O ostatecznym jej kształcie decyduje niezawodność, dyspozycyjność oraz aspekty ekonomiczno-finansowe.
Niezależnie od wykorzystania gazu ze zgazowania
i wyboru konkretnych technologii, każda z konfiguracji technologicznych musi obejmować kolejno realizowane procesy:
– wytwarzanie mediów zgazowujących,
– przygotowania paliwa (węgla),
– zgazowania,
– chłodzenia i wstępnego oczyszczania gazu,
– konwersji CO,
– odsiarczania i usuwania ditlenku węgla,
– utylizacji produktów odpadowych.
2. Technologie zgazowania
Proces zgazowania węgla może być realizowany w reaktorach zgazowania (zwanych również generatorami gazu) zlokalizowanych na powierzchni, jako tzw. zgazowanie naziemne
lub w georeaktorze zlokalizowanym w pokładzie węgla, jako
zgazowanie podziemne (zgazowanie in situ).
88
PRZEGLĄD GÓRNICZY
zasiarczonych, a także ogranicza korozję i umożliwia użycie
tańszych materiałów do konstrukcji reaktorów [22,25,35].
Dokonanie właściwego wyboru technologii zgazowania
nie jest prostą kwestią, wymaga przeprowadzenia dokładnej
analizy i uzależnione jest od wielu kryteriów. Przy doborze
reaktora zgazowania należy uwzględnić takie czynniki, jak:
– przeznaczenie gazu syntezowego,
– właściwości węgla do zgazowania,
– moc reaktora,
– sposób dozowania paliwa do reaktora,
– rodzaj utleniacza,
– typ reaktora,
– budowa ściany reaktora,
– sposób chłodzenia gazu.
Tablica 1. Moc poszczególnych typów reaktorów zgazowania
Table 1. Capacity of gas generators
Typ reaktora
Ze złożem przesuwnym
z odbiorem popiołu
Ze złożem przesuwnym
z odbiorem żużla
Fluidalny
Transportujący
Dyspersyjny
Moc jednego reaktora, MWt
Istniejące
Rozwijane
100
300
-
300
30
130
500
170
340
>1000
Jedną z najważniejszych informacji niezbędnych dla
każdego potencjalnego inwestora jest wielkość produkcji
gazu z jednego reaktora. Tablica 1 prezentuje wartości mocy
termicznej dla poszczególnych typów komercyjnych reaktorów zgazowania. W tym zestawieniu bezkonkurencyjne są
2014
reaktory zgazowania w złożu dyspersyjnym których moce
termiczne osiągają obecnie 500 MWt, a w jednostkach w fazie
projektowania nawet 1000 MWt.
W niniejszym artykule przedstawiono porównanie najbardziej dojrzałych i perspektywicznych reaktorów, które
mogą być wykorzystane do zgazowania węgla w polskich
warunkach. Wybrano reaktory dyspersyjne: Shell, GE/Texaco,
Prenflo, Siemens i E-Gas, reaktor fluidalny U-Gas oraz reaktor
transportujący KBR Transport. Reaktory te reprezentują różne
rozwiązania technologiczne dotyczące: dozowania paliwa,
chłodzenia gazu, konstrukcji reaktorów itp. Technologie
wykorzystujące te reaktory są szeroko stosowane na całym
świecie i mogą być wykorzystane zarówno dla potrzeb sektora
energetycznego, jak i chemii czy produkcji paliw [8, 29, 35].
Zestawienie najważniejszych parametrów zgazowania dla
analizowanych reaktorów przedstawia tablica 2. Parametry
te podzielono na grupy dotyczące: reaktora zgazowania,
chłodzenia gazu, odpylania oraz odbierania żużla lub popiołu.
Dane zamieszczone w tablicy 3 umożliwiają natomiast
porównanie składu i kaloryczności gazów uzyskiwanych
w analizowanych technologiach. Reaktory fluidalne i transportujące mogą pracować wykorzystując jako medium
zgazowujące zarówno mieszaninę pary wodnej i tlenu, jak
i pary wodnej i powietrza, dlatego w przypadku tych reaktorów
skład gazu oraz wartość opałową podano dla obu wariantów.
W reaktorach zgazowania, gdzie czynnikiem zgazowującym jest mieszanina pary wodnej i tlenu, uzyskuje się gazy
o zróżnicowanym składzie, o wartości opałowej kształtującej
się w przedziale 7,7÷12 MJ/Nm3. W przypadku reaktorów
dyspersyjnych z dozowaniem zawiesiny wodno-węglowej
(GE oraz E-Gas) można zaobserwować znacznie większą
zawartość ditlenku węgla w gazie, a także wyższą zawartość
wodoru. Z kolei przy stosowaniu suchego dozowania paliwa
Tablica 2. Podstawowe parametry realizacji procesu dla wybranych technologii zgazowania [4,5,6]
Table 2. Basic parameters of the process for selected gasification technologies [4,5,6]
Technologia
Reaktor
– temperatura
– ciśnienie
– zużycie surowca
– nominalna produkcja gazu
– wydajność gazu w odniesieniu
do paliwa
– temperatura gazu na wyjściu
z reaktora
Chłodzenie gazu
ilość stopni chłodzenia gazu
I stopień chłodzenia
II stopień chłodzenia
Odpylanie
sposób odpylania
Odbiór żużla/popiołu
KBR
Transport
U-Gas
815-1065
840-1100
2-4
83,3
142 000
1300-1400
(1000)*
2,9
104,2
180 000
1,4
2,1
4 400
0,5-3
13
25 000
1,7
1,7
1,7
2,1
1,9
800
200
1000
795 - 880
700-1000
1
200 - 220f)
mokry
skruber
kąpiel
wodna
2
1000g)
370 d)
cyklon, filtry
ceramiczne
kąpiel
wodna
1
315 – 375h)
2
315 d)
130 i)
cyklony
i skruber
aglomerat
popiołu
Shell
GE Texaco
Prenflo
Siemens
E-Gas
1600
1260-1480
1200-1600
1300-1800
MPa
Mg/
hm3/h
2,5 - 4,5
112,5
340 000
3 - 7
95,8
184 000
2,5
108,3
180 000
m3/kg
2,1
1,9
1000
730
°C
°C
2
2
2
1000a)
730c)
400e)
235b)
370 - 425d)
235d)
filtry
mokry
filtry
ceramiczne
skruber
ceramiczne
kąpiel
kąpiel
kąpiel
wodna
wodna
wodna
a) chłodzenia gazu ekranem wodnym i zawracanym gazem
b) chłodnica konwekcyjna wytwarzająca parę wysokociśnieniową i średniociśnieniową
c) wymiennik radiacyjny wytwarzający parę wysokociśnieniową
d) wymiennik konwekcyjny wytwarzający parę wysokociśnieniową
e) kocioł konwekcyjny
f) bezpośrednie chłodzenie wodne
g) dwustopniowe dozowanie węgla
h) wysokosprawny schładzacz gazu
i) wymiennik konwekcyjny wytwarzający parę niskociśnieniową
*) temperatura w drugim stopniu
°C
°C
cyklony
i filtry
w postaci
popiołu
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
89
Tablica 3. Skład gazu oraz jego kaloryczność dla wybranych technologii zgazowania [4, 5, 6]
Table 3. Composition and calorific value of gas for selected gasification technologies [4, 5, 6]
Składnik
CO, %
H2, %
CO2, %
N2, %
Ar, %
CH4, %
H2S, %
COS, ppm
Ciepło spalania
MJ/Nm3
Wartość opałowa
MJ/Nm3
*) COS + H2S
Shell
GE Texaco
Prenflo
Siemens
E-Gas
61,3
27,6
2,2
4,1
0,8
0,1
1,15
848
11,6
44,1
38,0
14,7
2,3
0,9
0,05
0,04*
10,3
59,3
21,4
2,8
14,3
0,9
0,04
0,83
3100
10,1
64
27
3
5,1
0,8
0,1
0,46
400
11,1
35,2
33,5
26,7
0,5
1,2
1,8
0,3
2000
9,3
11,0
9,6
9,7
10,6
8,5
(Shell, Prenflo, Siemens) uzyskuje się gaz o zwiększonej
zawartości tlenku węgla i azotu. Gaz z dwustopniowego
reaktora E-Gas charakteryzuje się nieco większą zawartością
metanu (pochodzącego z pirolizy węgla w drugim stopniu)
w porównaniu do pozostałych reaktorów dyspersyjnych.
Od reaktorów dyspersyjnych znacznie odbiegają reaktory
fluidalne, w których przy zgazowaniu tlenowym uzyskuje
się gaz o znacznie większej zawartości metanu (nawet kilkanaście procent). Do celów energetycznych w tych reaktorach
stosuje się zgazowanie za pomocą powietrza, co oczywiście
w bardzo istotny sposób wpływa na skład uzyskiwanego gazu
i jego kaloryczność.
W tablicy 4 przedstawiono zużycie podstawowych
mediów i materiałów dla analizowanych technologii zgazowania. Reaktory dyspersyjne charakteryzują się zbliżonym
zapotrzebowaniem na tlen i jest ono wyższe niż w przypadku
reaktora fluidalnego. Dla reaktorów dyspersyjnych z suchym
dozowaniem węgla (Shell, Prenflo, Siemens) widoczne
jest zróżnicowanie zapotrzebowania na parę wodną i azot
niezbędny do transportu paliwa. Reaktory dyspersyjne z mokrym dozowaniem węgla (GE/Texaco, E-Gas) nie wymagają
dostarczenia pary wodnej, gdyż jest ona wytwarzana poprzez
KBR Transport
Tlen
Pow.
36÷39
22,0
26÷28
16,4
14÷18
8,2
0,09
50
0,01
0,6
12÷14
1,2
0,08-0,2
0,04
40-100
30
12,7
5,3
12,0
U-Gas
4,9
Tlen
22,7
26,6
15,1
1,1
5,4
0,72*
8,4
Pow.
20,7
12,1
6,9
49,0
4,3
0,54*
5,9
7,7
5,5
odparowanie z zawiesiny wodno-węglowej. Z analizy danych
zamieszczonych w tej tablicy wynika również, że zużycie pary
w reaktorze fluidalnym (U-Gas) i transportującym (KBR) jest
znacznie wyższe niż w reaktorach dyspersyjnych.
Miarą efektywności energetycznej procesu zgazowania
jest stopień konwersji pierwiastka C zawartego w surowcu
węglowym oraz sprawność zgazowania określona jako stosunek ciepła spalania produkowanego gazu do ciepła spalania
surowca. Dane te są przedstawione w tablicy 5. Dla wszystkich reaktorów dyspersyjnych stopień konwersji węgla jest
zbliżony i osiąga bardzo wysokie wartości. Reaktor fluidalny
wykazuje zasadniczo niższe wartości stopnia konwersji, ale
w przypadku zgazowania wysoko reaktywnych węgli wskaźnik ten może również być wysoki.
2.2. Zgazowanie podziemne
Węgiel kamienny stanowi podstawę bezpieczeństwa
energetycznego Polski, dlatego rozwijane są nowe, bardziej
efektywne, czystsze metody jego wykorzystania celem uzyskania energii elektrycznej [38]. Do niekonwencjonalnych
metod otrzymywania energii elektrycznej można zaliczyć
Tablica 4. Zużycie mediów i materiałów dla wybranych technologii zgazowania [4, 5, 6].
Table 4. Consumption of gasification agents and materials for selected gasification technologies [4, 5, 6]
Medium / materiał
Tlen
- czystość
- zapotrzebowanie
Para do zgazowania
Azot do transportu
paliwa
Kamień wapienny
Woda do zawiesiny
Jedn.
Shell
GE Texaco
Prenflo
Siemens
E-Gas
KBR
Transport
U-Gas
%
kg/kg
paliwa
kg/kg
paliwa
kg/kg
paliwa
kg/h
kg/kg
paliwa
95
0,74
95
0,84
85
0,88
95
0,75
95
0,72
98
0,65 ÷ 0,75
95
0,48
0,03
nie dotyczy
0,09
0,11
nie dotyczy
0,29 ÷ 0,41
0,25
0,076
nie dotyczy
0,26
0,25
nie dotyczy
nie dotyczy
nie dotyczy
nie dotyczy
nie dotyczy
3,7
nie dotyczy
nie dotyczy
b.d.
nie dotyczy
nie dotyczy
0,6
nie dotyczy
nie dotyczy
0,52
nie dotyczy
nie dotyczy
Tablica 5. Efektywność energetyczna dla wybranych technologii zgazowania [4]
Table 5. Energy efficiency for selected gasification technologies [4]
Parametr
Stopień konwersji
węgla, %
Sprawność zimnego
gazu, %
Shell
GE Texaco
Prenflo
Siemens
E-Gas
KBR Transport
U-Gas
99,8
99,8
99
99,8
97,5 - 99,1
87 - 99
85 - 95
80 - 83
77
74
80,1
70
75
69,6
90
PRZEGLĄD GÓRNICZY
wytwarzanie energii elektrycznej ze spalania gazu uzyskanego
podczas podziemnego zgazowania węgla.
Proces podziemnego zgazowania węgla (PZW) polega
na bezpośredniej konwersji węgla w złożu w wyniku której
uzyskiwany jest produkt gazowy służący do produkcji energii
elektrycznej, ciepła i/lub syntez chemicznych. Technologia
podziemnego zgazowania węgla w porównaniu do innych
metod przetwórstwa tego surowca do energii jest bardzo
atrakcyjną z punktu widzenia kosztów inwestycyjnych,
ponieważ nie wymaga budowania dużych instalacji produkcyjnych. Dodatkowym atutem technologii PZW są aspekty
środowiskowe, takie jak brak odpadów stałych (popiół i żużel)
oraz mniejsza emisja zanieczyszczeń gazowych do powietrza
[13, 14, 32, 33]. Proces PZW można prowadzić dwoma metodami [19, 36, 40]:
– metodą szybową – poprzez udostępnienie pokładu węgla
z chodnika kopalnianego
– metodą bezszybową – poprzez udostępnienie pokładu
węgla za pomocą wierceń z powierzchni ziemi.
2.2.1. Metoda szybowa technologii podziemnego zgazowania węgla
W przypadku zgazowania metodą szybową, udostępnianie
złoża przeznaczonego do zgazowania odbywa się z chodników
kopalnianych. Metoda ta jest przeznaczona przede wszystkim
dla kopalń nieczynnych, w których pozostały nieopłacalne
do eksploatacji tradycyjnymi metodami górniczymi pokłady
niewybranego węgla. Przy zgazowaniu węgla tą metodą
chodniki łączy się poprzez wiercenia poziomych kanałów
w liczbie 10÷20 sztuk o średnicy 0,1 m, przeważnie, co 10÷25
m. Doprowadzenie mediów zgazowujących i zapoczątkowanie
palenia odbywa się w jednym chodniku, a gazy odprowadzane
są wywierconymi kanałami do chodnika drugiego a stamtąd
na powierzchnię. Wywiercone kanały ogniowe powiększają
się stopniowo przez zgazowanie substancji węglowej, aż do
momentu połączenia ze sobą dwóch sąsiadujących kanałów.
Do tej grupy metod zgazowania węgla należą dwie koncepcje
rozwijane od 1986 r. w Chinach: zgazowanie podpowierzchniowe oraz proces z wykorzystaniem długich tuneli i dużych
sekcji. Według koncepcji zgazowania podpowierzchniowego,
z chodnika pod kątem prostym wiercone są w pokładzie równoległe ślepe otwory, którymi doprowadzany jest medium
zagazowujące (rurą centralną) i wyprowadzane są gazy procesowe. Zgazowanie prowadzone jest w kolejnych otworach,
aż do wyczerpania zasobów węgla w całym obszarze objętym
odwiertami. Metoda ma głównie zastosowanie w pokładach
2014
poziomych. Według koncepcji z wykorzystaniem długich
tuneli i dużych sekcji, dwa równoległe chodniki połączone
są kanałem ogniowym. Chodnikami naprzemiennie można
podawać media zgazowujące i odprowadzać produkty. Front
zgazowania przesuwa się w płaszczyźnie prostopadłej do
chodników i w kierunku szybów, czy otworów łączących
generator z powierzchnią. Na podstawie przeanalizowanej
literatury i stanu techniki w podziale na metody udostępniania
złoża, opracowano ogólny schemat procesu podziemnego
zgazowania węgla metoda szybową w kierunku produkcji
energii elektrycznej i ciepła (rys. 1).
2.2.2. Metoda bezszybowa technologii podziemnego zgazowania węgla
Metoda bezszybowa polega na udostępnieniu pokładu węgla przeznaczonego do zgazowania przez pionowe
otwory. Część otworów przeznaczona jest do zatłaczania
medium zgazowującego, pozostałymi odbierane są produkty.
Odpowiednia organizacja eksploatacji otworów pozwala
na systematyczne wykorzystanie pokładu. Podstawowym
problemem tej metody jest łączenie otworu surowcowego
i produktowego dla uzyskania porowatości umożliwiającej
przepływ gazów przez węgiel. Metody tej grupy znalazły
zastosowanie w pracach prowadzonych w byłym ZSRR,
jak również w próbie w Chinchilla w Australii w latach
1999÷2003. Schemat ogólny instalacji zgazowania węgla
metodą bezszybową przedstawia rysunku 2.
Najnowszą technologią podziemnego zgazowania węgla
zastosowaną po raz pierwszy w trakcie eksperymentów podziemnego zgazowania w USA w Rocky Mountain jest metoda
zgazowania oparta na udostępnianiu pokładu węgla, metodą
wierceń kierunkowych wywodzących się z przemysłu wydobycia ropy i gazu. Jest to metoda CRIP (Controlled Retractable
Injection Procedure), w której można wykorzystać sieć odwiertów wierconych kierunkowo, a front ogniowy (generator
zgazowania) przesuwany jest w kierunku przeciwnym do
przepływu gazu. Pierwsze próby podziemnego zgazowania
węgla wykazały, że po pewnym czasie od rozpoczęcia procesu, w miarę powiększania się średnicy wypalonego kanału,
stopniowo zmniejsza się kaloryczność produkowanego gazu.
Metoda CRIP umożliwiła rozwiązanie problemu obniżenia,
jakości gazu przez zasilenie generatora medium zgazowującym w ściśle określonym punkcie, za pomocą giętkiego
przewodu stalowego. W przypadku pogorszenia parametrów
gazu przewód jest przesuwany i w nowym miejscu zostaje
zainicjowany proces.
Rys. 1.Schemat podziemnego zgazowania węgla metodą szybową [15]
Fig. 1. Scheme of underground coal gasification (UCG) using the shaft method [15]
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
91
Rys. 2.Schemat podziemnego zgazowania węgla metodą bezszybową [15]
Fig. 2. Scheme of shaftless method of underground coal gasification [15]
2.2.3. Rozwijane technologie podziemnego zgazowania
węgla
Wybór metody podziemnego zgazowania węgla zdeterminowany jest wieloma czynnikami.
W przypadku metod bezszybowych PZW sposób budowy podziemnego georeaktora, a więc liczba i konfiguracja
otworów zasilających, produkcyjnych, odwadniających,
uzależniony jest od wielu czynników, takich jak: nachylenie
i grubość pokładu węglowego, rodzaj i jakość węgla, ilość wód
podziemnych napływających do reaktora itp. Dotychczas przeprowadzone na świecie próby podziemnego zgazowania węgla
w różnej skali, pozwoliły na opracowanie metod i technologii
eksploatacji podziemnych złóż węglowych o różnych parametrach. W przypadku metody bezszybowej najwięcej eksperymentów podziemnego zgazowania przeprowadzono w Stanach
Zjednoczonych – ponad 30 prób pilotowych podziemnego
zgazowania węgla metodą bezszybową. Obecnie na świecie
pracują dwie instalacje komercyjne wykorzystujące gaz procesowy z podziemnego zgazowania do wytwarzania energii
elektrycznej: Majuba w RPA oraz Angren w Uzbekistanie (od
1955 roku). Na świecie większość przeprowadzanych eksperymentów odbywa się metodą bezszybową, ponieważ uważa
się, że metoda szybowa przeznaczona jest do eksploatacji złóż
resztkowych w wyłączonych z ruchu górniczego kopalniach,
których istniejąca infrastruktura pozwala na eksploatacje
pozostałego w nich węgla.
W przypadku krajowej branży wydobywczej zastosowanie
podziemnego zgazowania węgla metodą szybową stanowi
szansę na eksploatację pokładów węgla z kopalń, w których
znajdujące się złoża nie mogą być eksploatowane metodami
klasycznymi, gdyż są nieopłacalne lub niemożliwe do wydobycia z przyczyn technologicznych.
Głównym kierunkiem rozwijanym zastosowania podziemnego zgazowania węgla jest użytkowanie gazu do produkcji
energii elektrycznej i cieplnej. Wykorzystanie gazu z PZW
do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła wynika przede
wszystkim z jego niskiej wartości opałowej. Wartość opałowa gazu procesowego zależy od wielu czynników, m.in. od
jakości węgla oraz od rodzaju mediów zgazowujących [10].
Ze względu na niższe koszty najczęściej wykorzystuje się
do zgazowania powietrze lub powietrze wzbogacone w tlen,
co pozwala na uzyskanie gazu o wartości opałowej 4÷6 MJ/
m3. W przypadku zgazowania węgla samym tlenem, koszty
procesu znacznie rosną, lecz uzyskiwany jest gaz o wyższej
wartości opałowej, ale również o większej zawartości ditlenku węgla. W przypadku zgazowania parą wodną otrzymuje
się gazy bogate w wodór, co poprawia jego kaloryczność.
W Głównym Instytucie Górnictwa prowadzone są badania
podziemnego zgazowania węgla w skali laboratoryjnej
i pilotowej ukierunkowane na otrzymanie gazu o wysokiej
zawartości wodoru [37]. Przegląd podziemnych metod zgazowania węgla oraz możliwości stosowania tej technologii
w warunkach krajowych przedstawiono w pracach [15, 20].
3. Technologie oczyszczania gazu procesowego dla produkcji substancji chemicznych i energii
Konfiguracje technologiczne oczyszczania gazu ze zgazowania różnią się w zależności od jego zastosowania i oprócz
procesów chłodzenia i wstępnego oczyszczania gazu, konwersji tlenku węgla oraz odsiarczania i usuwania ditlenku węgla
mogą obejmować dodatkowe procesy, jak np. separację metodą PSA ditlenku węgla, doczyszczanie gazu syntezowego,
usuwanie rtęci, itp. Schemat i zestawienie potencjalnych opcji
technologicznych dostępnych komercyjnie oraz rozwijanych
przedstawiono na rysunku 3.
Gaz procesowy kierowany do syntezy chemicznej jest
mieszaniną wodoru i tlenku węgla w proporcjach wymaganych dla konkretnego zastosowania. W przypadku syntezy
metanolu dodatkowym składnikiem gazu jest ditlenek węgla,
który będąc substratem procesu wpływa jednocześnie aktywująco na stosowane w syntezie katalizatory miedziowe [4].
W procesie produkcji wodoru (jako paliwa lub surowca do
syntezy amoniaku) wymagane jest jak najwyższe stężenie
H2 w gazie procesowym. W przypadku produkcji energii
elektrycznej skład gazu procesowego warunkowany jest
względami ekologicznymi, oraz wymaganiami turbiny gazowej związanymi z erozją i korozją jej konstrukcji, a także
z koniecznością uzyskania odpowiednich parametrów procesu
spalania. We wszystkich z wymienionych powyżej kierunków wykorzystania gazu procesowego ze zgazowania węgla
niezbędne jest jego oczyszczenie z pyłu, związków siarki,
azotu, metali alkalicznych i pierwiastków śladowych, co
podyktowane jest wymaganiami technologicznymi (ochrona
katalizatorów i aparatów), jak i środowiskowymi (emisja).
W przypadku zgazowania węgla w reaktorach fluidalnych
i ze złożem przesuwnym, konieczne jest dodatkowo usunięcie
zawartych w surowym gazie kondensujących węglowodorów
oraz konwersja metanu i lekkich węglowodorów (C2 do C4).
Duże wymagania w zakresie czystości gazu stawiają procesy
syntezy chemicznej, głównie ze względu na wrażliwość stosowanych katalizatorów na związki siarki. Tablica 6 przedstawia
dopuszczalny poziom zanieczyszczeń gazu syntezowego
w zależności od jego wykorzystania.
92
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 3.Zestawienie dostępnych komercyjnie oraz perspektywicznych technologii podstawowych węzłów instalacji oczyszczania
gazu procesowego ze zgazowania dla różnych zastosowań
Fig. 3. Summary of commercially available and promising core technology nodes purification installation process gas from gasification for various applications
3.1. Oczyszczanie wstępne gazu procesowego
Surowy gaz z reaktora zgazowania węgla po ochłodzeniu poddawany jest procesowi wstępnego oczyszczania.
Obejmuje on separację pyłu i pierwiastków śladowych oraz
usunięcie zanieczyszczeń takich jak SO2, amoniak czy chlorki.
Konfiguracja układu oczyszczania zależy od zastosowanej
technologii zgazowania:
– dla reaktora dyspersyjnego składa się głównie z układu cyklonu i filtra ceramicznego oraz skrubera (Shell
i ConocoPhilips E-Gas) lub wyłącznie ze skruberów (GE/
Texaco, Siemens),
Tablica 6. Dopuszczalny poziom zanieczyszczeń gazu syntezowego stosowanego do syntezy/procesu [21, 22, 23]
Table 6. The permissible level of pollution synthesis gas used for synthesis / process [21, 22, 23]
Proces/Synteza
Paliwa ciekłe (Fischer-Tropsch)
Metanol
Amoniak
Wodór
IGCC/ turbiny/ paliwa gazowe
Zanieczyszczenie (poziom)
– siarka (< 1 ppmv)
– halogenki (10 ppm)
– azot (10 ppmv NH3, 0.2 ppmv NOx, 10 ppb HCN)
– siarka (nie w postaci COS <0.5 ppmv, preferowane <0.1 ppmv)
– halogenki (0.001 ppmv)
– Fe i Ni (0.005 ppmv)
– H2O (200 ppm)
– CO (200 ppm)
– CO2 (100 ppm)
– O2 (100 ppm)
– siarka (H2S 0,1 ppm)
– chlor (0,1 ppm)
– As, P, Sb (-)
siarka (< 1ppm)
– związki siarki (H2S, COS: 750 ppm)
– halogenki (5 ppm)
– związki azotu (NH3, HCN: 225 ppm)
– metale alkaliczne (100 ppm)
– pozostałe metale (V, Ni, Fe, Pb, Ca, Ba, Mn, P: 10-1000 ppb)
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
– dla reaktora fluidalnego oraz reaktora ze złożem przesuwnym układ uzupełniony jest o węzeł usuwania smół
oraz konwersji metanu (produkcja gazu do celów syntezy
chemicznej czy produkcji wodoru). Gaz po konwersji
oczyszczany jest z kondensujących węglowodorów, fenoli,
NH3 i HCN poprzez zastosowanie skruberów [24].
3.2. Konwersja CO i hydroliza COS
Proces konwersji jest istotnym elementem układu, stanowi
on główne źródło wytwarzanego wodoru (wodór produkowany jest w około 70 %) z wody w procesie konwersji CO,
a jedynie 30 % pochodzi bezpośredni ze zgazowania węgla) [3].
W zależności od temperatury prowadzeniu procesu
w reaktorach konwersji tlenku węgla stosowane są dwa
rodzaje katalizatorów: nisko- i wysokotemperaturowe.
W temperaturach 300÷530 ºC stosowane są katalizatory,
takie jak: CoMo/Al2O3 lub CoFe/Al2O3 dodatkowo katalizujące reakcję hydrolizy COS do H2S i CO2 oraz HCN do
NH3. W temperaturach 180÷270 ºC stosowane są katalizatory CuZn/Al2O3, które nie są odporne na działanie siarki.
W tym przypadku konieczne jest odsiarczenie gazu przed
układem konwersji tlenku węgla. Niskie temperatury procesu
sprzyjają osiągnięciu wysokiego stopnia przereagowania
CO, ale przy małej szybkości reakcji. Wyższe temperatury
procesu zapewniają wyższą szybkość reakcji konwersji, lecz
równocześnie prowadzą do niższych stopni przereagowania
CO. Dla intensyfikacji procesu stosowany jest najczęściej
proces dwustopniowy (konwersja wysoko- i niskotemperaturowa z chłodzeniem międzystopniowym) [2,16,31].
W reaktorze wysokotemperaturowym tlenek węgla ulega
konwersji z H2O ze sprawnością 85÷92 % [2]. Sumaryczny
stopień konwersji CO wynosi 96÷98 %. Doprowadzony
do układu konwersji gaz nasycany jest parą wodną w celu
zapewnienia odpowiedniego dla przebiegu reakcji stosunku
molowego H2O/CO=2 [2,6]. Zastosowanie konwersji CO na
gazie surowym znacznie upraszcza przebieg procesu. W tym
przypadku stosowane są katalizatory odporne na działanie
siarki, dodatkowo katalizujące hydrolizę COS. Nie jest zatem
wymagany osobny węzeł hydrolizy COS, która zachodzi
równolegle z procesem konwersji CO. Ten wariant nie wymaga doprowadzenia do układu dużych ilości pary wodnej,
co wynika z możliwości wykorzystania wilgoci zawartej
w surowym gazie procesowym. Eliminowane są również straty energetyczne związane z koniecznością chłodzenia gazu
przed procesem odsiarczania i ponownego podgrzewania
przed procesem konwersji (jak ma to miejsce w przypadku
konwersji na gazie odsiarczonym) [27]. Proces WGS (Water
Gas Shift) jest dobrze opanowany i stosowany powszechnie
w przemyśle, m.in. w produkcji wodoru z gazu ziemnego dla
syntezy amoniaku [31] czy produkcji metanolu (instalacja
w Xianyang, ChRL) [4]. W technologii zgazowania przykładem zastosowania konwersji CO jest instalacja Coffeyville
Syngas Plant w USA (koks naftowy, technologia zgazowania
GEE/Texaco) [26, 27]. Układ hydrolizy COS jest wykorzystywany w przypadkach, gdy w układzie oczyszczania
nie jest przewidziany układ konwersji CO (np. IGCC bez
separacji CO2) lub jest stosowana konwersja CO na gazie
oczyszczonym (np. do syntezy Fishera-Tropscha). W celu
uzyskania wysokich stopni konwersji na poziomie 99,5 %
rekomendowane temperatury gazu na wlocie i jego czas
przebywania w układzie wynoszą odpowiednio: 180÷200 ºC
i 50÷75 s [7]. Usunięcie z gazu COS (poprzez konwersję do
H2S) następuje przed skierowaniem gazu do układu usuwania
składników kwaśnych (H2S i CO2) z wykorzystaniem metod
absorpcyjnych.
93
3.3. Separacja rtęci
W przypadku usuwania rtęci z gazu procesowego stosowane są reaktory ze stałym złożem sorbentu, którym najczęściej
jest węgiel aktywny impregnowany siarką. Dla uzyskania
wysokiej skuteczności oczyszczania proces realizowany jest
na gazie ochłodzonym do temperatury 30÷40 ºC. Reaktory
zlokalizowane są zwykle przed układem odsiarczania gazu.
Wraz z rtęcią z gazu usuwane są również inne metale ciężkie. Usunięcie rtęci i innych zanieczyszczeń przed instalacją
odsiarczania przyczynia się do zwiększenia efektywności
jej pracy i wydłużenia żywotności rozpuszczalników. Złoże
węgla aktywnego z zaadsorbowaną rtęcią (po wymianie)
kierowane jest do składowania i traktowane jako odpad niebezpieczny [3, 4].
3.4. Układ usuwania składników kwaśnych z gazu
Osiągnięcie wymaganej jakości gazu do dalszego wykorzystania wymaga usunięcia z niego, oprócz siarkowodoru
również ditlenku węgla zawartego w gazie i wytworzonego
w procesie jego konwersji. Obecnie stosuje się różnego rodzaju rozwiązania technologiczne, w których obydwa te składniki
usuwa się po kolei lub jednocześnie, wykorzystując do tego
celu procesy adsorpcyjne lub absorpcyjne.
Jako adsorbenty stosuje się m.in. zeolitowe sita molekularne, a jako absorbenty roztwory alkaliczne (węglany, aminy)
oraz coraz powszechniej rozpuszczalniki organiczne (metanol, glikol). Skuteczność nowych rozwiązań procesowych
usuwania z gazu składników kwaśnych jest bardzo wysoka,
pozwalająca na uzyskanie w oczyszczonym gazie zawartości
siarkowodoru poniżej 10 ppm oraz zawartości ditlenku węgla
poniżej 1%. Wraz ze składnikami kwaśnymi z gazu usuwany
jest również amoniak.
W zależności od zastosowanych mechanizmów procesu
absorpcji dzielimy ją na chemiczną i fizyczną. Efektywność
przebiegu procesu absorpcji fizycznej rośnie wraz ze wzrostem całkowitego ciśnienia gazu i koncentracji separowanych
zanieczyszczeń. Proces powinien być prowadzony w niskich
temperaturach, zapewniających odpowiednią rozpuszczalność
wydzielanych składników gazu. W praktyce przemysłowej
ostatnich lat najczęściej stosowane są technologie: SELEXOL
i RECTISOL [11,16]. Inne rozwiązania stosowane są
w mniejszej skali lub znajdują się na etapie prac badawczych
i testów pilotowych.
Jak wynika z danych przedstawionych w tablicy 7, technologia RECTISOL znajduje zastosowanie w większości
przemysłowych układów zgazowania. Należy zwrócić uwagę
na fakt, że przewaga we wdrożeniach technologii RECTISOL
w stosunku do technologii SELEXOL dotyczy ubiegłego wieku, a w obecnych wdrożeniach zaczyna przeważać stosowanie
technologii SELEXOL. Wiąże się to z postępem w rozwoju tej
technologii, a zwłaszcza poprawą selektywności stosowanego
rozpuszczalnika, wzrostem sprawności procesu, jak również
obniżeniem nakładów inwestycyjnych na budowę instalacji
oczyszczania. Technologia SELEXOL znajduje zastosowanie
głównie w układach IGCC, kogeneracji energii i produkcji H2
połączonych z usuwaniem CO2.
Do komercyjnych technologii oczyszczania gazów na
drodze absorpcji chemicznej należą m.in. procesy MEA,
MDEA, AMDEA, SNEA-DEA, ADIP, AMISOL, SULFINOL
oraz FLEXSORB [11,16]. Roztwory amin MEA, DEA i DGA
są absorbentami pozwalającymi na równoczesne usunięcie
z gazu H2S i CO2. Roztwory amin trzeciorzędowych TEA
i MDEA stosuje się wtedy, gdy celem oczyszczania jest jedynie selektywne oddzielenie H2S od CO2 i gdy stężenie CO2
w gazie oczyszczanym nie jest większe od 70 % obj. Zdolność
94
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Tablica 7. Zestawienie instalacji oczyszczania gazu występujących w układach zgazowania od 1995 r. [32, 33]
Table 7. Gas treatment plant occurring in gasification systems since 1995 [32, 33]
1995
1995
1996
1996
1996
1996
1996
1996
Reaktor
zgazowania
E-GAS
Texaco
Texaco
Texaco
GSP/Noell
Shell
Shell
Lurgi Dry Ash
Technologia
oczyszczania
MDEA
Rectisol
MDEA
MDEA
Rectisol
Rectisol
Rectisol
Rectisol
IGCC
amoniak
kogeneracja
IGCC
IGCC i metanol
amoniak
amoniak
IGCC/kogeneracja
1997
1997
1997
1998
1998
2000
2000
2000
2000
2000
2001
2001
2001
2001
2004
2004*
2006*
2006*
PRENFLO
Shell
Texaco
KRW
Shell
Texaco
Texaco
Lurgi Dry Ash
Lurgi CFB
Texaco
Texaco
Texaco
Texaco
Texaco
Texaco
Shell
Texaco
Texaco
MDEA
Rectisol
Sulfinol
Dolomit/ZnO
Rectisol
MDEA
MDEA
Rectisol
Skruber
Selexol
Rectisol
Selexol
Selexol
FLEXSORB
ADIP
Aminy
MDEA
Selexol
IGCC
IGCC/kogeneracja, H2
metanol
IGCC
amoniak
IGCC, H2
IGCC/kogeneracja
amoniak
paliwo gazowe
amoniak
H2, CO
IGCC, H2
IGCC/kogeneracja
IGCC/kogeneracja
IGCC
IGCC, H2
IGCC, H2
H2
Właściciel instalacji
Państwo
Start
Global Energy, Inc.
Dalian Chemical Industrial Corp
Frontier Oil & Refining Co. (Texaco Inc )
Tampa Electric Co.
Schwarze Pumpe
Inner Mongolia Fertilizer Co.
Juijiang Petrochemical Co.
Sokoloyska Uhelna, A. S.
USA
Chiny
USA
USA
Niemcy
Chiny
Chiny
Czechy
Republic
Hiszpania
Holandia
Niemcy
USA
Chiny
Włochy
USA
Chiny
Holandia
USA
USA
Włochy
Włochy
Singapur
Japonia
Włochy
Hiszpania
Francja
Elcogas SA
Shell Nederiand Raffinaderij BV
Unspecified owner
Sierra Pacific Power Co.
Lanzhou Chemical Industrial Co
ISAB Energy
MotK/a Delaware Refinery
Henan
EPZ
Farmland Industries, Inc.
ExxonMobil Baytown Syngas Project
api Energia S.p.A.
SARLUX srt
ExxonMobil
Shin Nihon Sekiyu
AgipPetroli/EniPower
PIEMSA
Total Fina Elf/Texaco
absorpcyjna wodnych roztworów amin (przy takim samym
stężeniu molowym) rośnie wraz z ich zasadowością w szeregu
[23]: MEA < DEA <DIPA <DGA <MDEA < TEA.
Porównanie efektów procesów oczyszczania gazu ze
składników kwaśnych przedstawiono w tablicy 8 [18].
Tablica 8. Porównanie efektów procesów oczyszczania gazów
Table 8. Comparison of gas cleaning processes
Proces
MDEA
AMDEA
RECTISOL
PURISOL
SELEXOL
Zanieczyszczenia
H2S, nie usuwa COS
H 2S
CO2
Siarka całkowita (H2S+COS)
CO2
H2S w CO2
H2S, nie usuwa COS
Siarka całkowita (H2S+COS),
CO2
Osiągana czystość
gazu
3-50 ppm
1-50 ppm
5-50 ppm
0,1-1 ppm
10-50 ppm
5 ppm
5-50 ppm
1-5 ppm
3.5. Odzysk siarki
Jednym z produktów ubocznych instalacji odsiarczania
gazu procesowego jest gaz siarkowodorowy, zawierający
również niewielkie ilości COS, CS2, CO, H2, CO2 i NH3.
Gaz ten kierowany jest do instalacji odzysku siarki w postaci
elementarnej (technologia CLAUS) lub do układu produkcji
kwasu siarkowego. Produktem procesu Clausa jest siarka
elementarna o czystości 99,7 % wydzielana z gazu siarkowodorowego ze sprawnością dochodzącą do 98 %.
Rodzaj produkcji
Istnieje wiele modyfikacji klasycznej metody odzysku
siarki CLAUS opartych na utlenianiu związków siarki za
pomocą powietrza – technologie SURE (British Oxygen Corp.
and Parsons Corp.), COPE (Air Products and Chemicals and
Goar, Allison & Associates), OXYCLAUS (LurgiOelGas
Chemie GmbH), LINSULF (Linde AG), CLAUSPLUS
(AirLiquide and ACI), CATASULF (BASF), SUPERCLAUS
(Stork Engineers & Contractors B.V.), SULFREEN (Lurgi
and SNEA), CBA (BP Amoco), MCRC (Delta Hudson),
SELECTOX (UOP), LO-CAT (U.S. Filter), SULFEROX
(Shell Oil and DowChemical) [3,4].
Instalacja obróbki gazów resztkowych jest zwykle połączona z klasyczną instalacją odzysku siarki metodą CLAUS
i stanowi jej integralną część. Do technologii obejmujących
połączenie procesu CLAUS i procesu utylizacji gazów resztkowych należą BSR/MDEA (Parsons Pritchard), CLINTOX
(Linde AG), MODOP (Exon Mobil), HCR (Nuovo IGI),
RESULF (TPA), BSR/SELECTOX (Parsons/UOP) oraz
SCOT (Shell). Najczęściej stosowanym procesem obróbki
gazów resztkowych, obejmującym uwodornienie/hydrolizę
związków siarkowych zawartych oraz absorpcję aminową
H2S, jest proces Shell Claus Off-Gas Treating (SCOT) [4].
Alternatywą procesu odzysku siarki z gazu siarkowodorowego metodą CLAUS jest utlenienie związków siarki do SO2,
a następnie do SO3, z którego wytwarzany jest kwas siarkowy.
W porównaniu z procesem CLAUS proces ten jest rzadko
stosowany do utylizacji gazów odpadowych w technologiach
zgazowania paliw stałych. Przykładami tej metody odzysku
siarki są procesy CONCAT (Lurgi), WSA (Haldor Topsøe
AS) i SULFOX (MECS Inc. & KVT). W procesach tych
otrzymywany jest kwas siarkowy o stężeniu 93÷98 % [3, 4].
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
3.6. Separacja wodoru
W skali przemysłowej do separacji wodoru stosowane są
technologie: adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA – Pressure
Swing Adsorption), układów membranowych (polimerowe)
oraz separacji kriogenicznej [21, 39]. W przemyśle rafineryjnym i w układach zgazowania najbardziej rozpowszechnionym procesem separacji wodoru jest technologia PSA.
Do podstawowych zalet procesu PSA w stosunku do pozostałych należą: wysoka czystość otrzymywanego produktu,
elastyczność względem zmian składu doprowadzanego gazu,
niewielka strata ciśnienia gazu oraz ekonomika produkcji
[28]. Dla typowych warunków przebiegu procesu w układach
zgazowania węgla (wysoka koncentracja wodoru – powyżej
50 %, duże strumienie i ciśnienia gazu procesowego) PSA
stanowi obecnie najkorzystniejszą opcję technologiczną.
Separacja wodoru z gazu procesowego metodą PSA polega
na jego przepuszczeniu przez nieruchomą warstwę adsorbenta
selektywnie adsorbującego składniki gazu. W procesie adsorpcji z gazu wodoronośnego usuwane są zanieczyszczenia
gazu, takie jak: NH3, H2O, CH4, CO2, CO, C2H6, C2H4, H2S,
BTX oraz, w ograniczonej ilości, N2, Ar i O2. Jako adsorbenty
stosuje się m.in. porowate zeolity i węgiel aktywny. Proces
adsorpcji składników gazu prowadzi się pod wysokim ciśnieniem, a desorpcji – pod niskim. Dla efektywnego przebiegu
procesu minimalny stosunek ciśnień pomiędzy gazem doprowadzonym do układu a resztkowym powinien wynosić 4:1.
Optymalne ciśnienie gazu doprowadzonego do układu wynosi
1,4÷2,8 MPa przy możliwie jak najmniejszym ciśnieniu gazu
resztkowego, które zwykle wynosi 0,03÷0,06 MPa powyżej
ciśnienia atmosferycznego [39].
3.7. Głębokie odsiarczanie i oczyszczanie CO2
Gaz syntezowy po oczyszczeniu ze składników kwaśnych
zawiera jeszcze śladowe ilości związków siarki. W syntezie
chemicznej niezbędne jest ich usunięcie w celu ochrony katalizatorów. Proces ten realizowany jest na drodze chemisorpcji
z wykorzystaniem tlenków cynku lub miedzi [9]. Zawarty
w gazie siarkowodór reaguje z tlenkiem cynku tworząc siarczek cynku. Jednocześnie pozostały w gazie COS hydrolizuje
do CO2 i H2S. W wyniku równoległego przebiegu tych reakcji
gaz opuszczający złoże pozbawiony jest zanieczyszczeń mogących dezaktywować katalizatory stosowane w syntezie chemicznej. Zastosowanie złoża tlenku cynku pozwala obniżyć
koncentrację siarki w gazie do poziomu 20÷50 ppb. Tlenek
cynku jest aktywny w szerokim zakresie temperatur. Zwykle
dla maksymalizacji efektywności usuwania związków siarki
z gazu proces realizowany jest w temperaturach 350–400 ºC
[9]. W trakcie pracy złoże ZnO ulega zużyciu i wymaga
wymiany.
Ditlenek węgla wydzielony w instalacji usuwania składników kwaśnych zawiera około 2 % zanieczyszczeń, głównie:
H2, CO, N2, CH4 oraz niewielką ilość związków siarki (COS,
H2S). Dalsze wykorzystanie tego gazu, w tym przygotowanie
do transportu i składowania wymaga usunięcia tych zanieczyszczeń. Oczyszczanie CO2 może być prowadzone metodą
PSA (lub częściej stosowaną metodą destylacji). Obecnie
powszechnie stosowana jest metoda adsorpcji związków
siarki na złożu ZnO połączona z katalitycznym dopaleniem
tlenku węgla. Czystość CO2 uzyskiwana tą metodą przekracza
99,6 % [1].
95
produktami docelowymi są substancje chemiczne (m.in. amoniak, wodór, metanol, produkty syntezy Fischera-Tropscha),
paliwa gazowe oraz energia elektryczna. Konfiguracja
układu produkcyjnego będzie zależeć od kierunku jego
wykorzystania, zastosowanej technologii zgazowania, uwarunkowań paliwowych, a także emisyjnych. O ostatecznym
jej kształcie decyduje niezawodność, dyspozycyjność oraz
aspekty ekonomiczno-finansowe. W chwili obecnej najbardziej zaawansowanymi technologiami zgazowania węgla są
technologie wykorzystujące reaktory ze złożem dyspersyjnym. Ze względu na prostą budowę i wysoką elastyczność
pracy, pewnym potencjałem rozwojowych charakteryzują się
również reaktory ze złożem fluidalnym. Z tego też względu,
w niniejszym artykule przedstawiono porównanie reaktorów
dyspersyjnych: Shell, GE/Texaco, Prenflo, Siemens i E-Gas,
reaktora fluidalnego U-Gas oraz reaktora transportującego
KBR Transport. Reaktory te reprezentują różne rozwiązania
technologiczne dotyczące: dozowania paliwa, chłodzenia
gazu, konstrukcji reaktorów itp. Technologie wykorzystujące
te reaktory są szeroko stosowane na całym świecie i mogą być
wykorzystane zarówno dla potrzeb sektora energetycznego,
jak i chemii czy produkcji paliw.
Dokonano również analizy różnych rozwiązań technologicznych procesów podziemnego zgazowania węgla.
Stwierdzono, że w przypadku krajowej branży wydobywczej
zastosowanie podziemnego zgazowania węgla metodą szybową stanowi szansę na eksploatację pokładów węgla z kopalń,
w których znajdujące się złoża nie mogą być eksploatowane
metodami klasycznymi, gdyż są nieopłacalne lub niemożliwe
do wydobycia z przyczyn technologicznych. Na podstawie
przeanalizowanej literatury i stanu techniki w podziale na
metody udostępniania złoża, naszkicowano ogólny schemat
procesu podziemnego zgazowania węgla metoda szybową
w kierunku produkcji energii elektrycznej i ciepła.
Zestawiono i omówiono potencjalne opcje technologiczne dostępnych komercyjnie oraz rozwijanych procesów
i operacji oczyszczania i uzdatniania gazów ze zgazowania
węgla. Wybrane konfiguracje technologiczne tych procesów
przeanalizowano pod kątem zastosowania gazu syntezowego.
Praca wykonana w ramach Zadania badawczego
„Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej” finansowanego
przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
4. Podsumowanie
6.
Technologie zgazowania węgla umożliwiają wielokierunkowe wykorzystanie generowanego gazu. Podstawowymi
7.
Breckenridge W., Holiday A., Ong J.O.Y., Sharp C.: Use of selexol
process in coke gasification to ammonia project. The Laurance Reid
Gas Conditioning Conference, 2000, Norman, USA.
Chiesa P., Consonni S., Kreutz T., Williams R.: Int. J Hydrogen Energ.
2005, vol.30, s.747÷767.
Chmielniak T.: Badania symulacyjne technologii wytwarzania wodoru
w aspekcie emisji CO2 w cyklu – wydobycie, transport i przetwórstwo
węgla. Monografia, Gliwice 2014.
Chmielniak T., Bigda J., Czardybon A., Popowicz J., Tomaszewicz
G.: Technologie oczyszczania gazu ze zgazowania węgla. Przemysł
Chemiczny 2014, vol.97, nr 2, s.1000÷1010.
Ciferno J.P., Marano J.J.: Benchmarking Biomass Gasification
Technologies for Fuels, Chemicals and Hydrogen Production, June
2002, Report NETL.
Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants; Volume 1:
Bituminous Coal and Natural Gas to Electricity, 2010, Report NETL.
Current and Future Technologies for Gasification-Based Power
Generation, Volume 2: A Pathway Study Focused on Carbon Capture
96
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Advanced Power Systems R&D Using Bituminous Coal, 2010. Report
NETL.
Czerski G., Dziok T., Porada S.: Możliwości wykorzystania technologii
zgazowania węgla do wytwarzania energii, paliw i produktów chemicznych. Polityka Energetyczna 2014, t.17, s.103÷116.
Equipment Design and Cost Estimation for Small Modular Biomass
Systems, Synthesis Gas Cleanup, and Oxygen Separation Equipment;
Task 2.3: Sulfur Primer; Nexant Inc., San Francisco, NREL/SR-51039946, May 2006.
Friedmann S.J.: Underground Coal Gasification. Transformational Clean
Fossil Technology, World Energy Council Houston, Texas Nov. 1, 2011,
LLNL-PRES-449296.
Gas Process Handbook, Hydrocarbon Processing. 1994
Horazak D.A., et al.: Novel gas cleaning/conditioning for integrated
gasification combined cycle. Siemens Power Generation, Inc., Gas
Technology Institute, Optional program final report, DOE Award
Number: DE-AC26-99FT40674, December 2005.
Kapusta K., Stańczyk K.: Pollution of water during underground coal
gasification of hard coal and lignite. Fuel 2011, vol.90, s.1927-1934.
Kapusta K., Stańczyk K., Wiatowski M., Chećko J.: Environmental
Aspects of Field Scale UCG Trial in Shallow Coal Seam in Experimental
Mine “Barbara”. Fuel 2013, vol.113, s.196÷208. Kapusta K., Stańczyk K.: Uwarunkowania i ograniczenia rozwoju procesu podziemnego zgazowania węgla w Polsce. Przemysł Chemiczny
2009, 88, s. 331÷338.
Kohl A.L., Riesenfeld F.C.: Gas Purification. 4th edition, Houston, Texas,
Gulf Publishing Company, 1985.
Korens N., Simbeck D.R., Wilhelm D.J.: Process screening analysis of
alternative gas treating and sulfur removal for gasification. Final Report,
2002, SFA Pacific, Inc. Mountain View, California
Koss U., Schlichting H.: Lurgi’s MPG Gasification plus Rectisol Gas
Purification – Advanced Process Combination for Realiable Syngas
Production.
Ludwik-Pardała M., Niemotko K.: Przegląd metod podziemnego zgazowania węgla. Przegląd Górniczy 2012, nr. 3, s. 25÷31.
Ludwik-Pardała M., Niemotko K.: Przegląd metod podziemnego zgazowania węgla na podstawie wybranych przeprowadzonych prób na
świecie. Przegląd Górniczy. 2013, nr. 2, 8÷16.
Miller G.Q., Stöcker J.: NPRAAnnual Meeting, 1989, San Francisco, USA.
Minchener A. J.: Coal gasification for advanced power generation. Fuel
2005, vol. 84, s. 2222-2235.
Molenda J.: Gaz ziemny, Warszawa WNT, 1996.
Mondal P., Dang G.S., Garg M.O.: Syngas production through gasification and cleanup for downstream applications - Recent developments.
Fuel Process. Technol. 2011, vol.92, s. 1395÷1410.
Porada S., Czerski G., Dziok T., Grzywacz P.: Technologie zgazowania węgla i ich przydatność dla potrzeb energetyki i chemii. Przegląd
Górniczy 2013, vol 69, nr 2, s. 200÷208.
Projekt X-2843, Nr rejestrowy: UP/2008/415, Studium wykonalności
projektu instalacji do produkcji paliw gazowych i płynnych z węgla
kamiennego. Katowice EPK i IChPW 2008.
2014
27. Pruschek R. , Göttlicher G.: Concepts of CO2 removal from fossil fuelbased power generation systems. Universität GH Essen, draft report for
Joule II project JOU2-CT92-0185, 1996.
28. Quality guidelines for energy system studies: CO2 impurity design
parameters 2012, Rapot NETL.
29. Raport Cz.T.B. nr 6.2.1: Zestawienie i opracowanie danych ekonomiczno-technologicznych dla poszczególnych procesów i operacji
jednostkowych zgazowania naziemnego, w ramach projektu pt.
„Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej
produkcji paliw i energii elektrycznej”, Kraków, AGH, 2013 (niepublikowany).
30. Raport Cz.T.B. nr 6.2.2: Zestawienie i opracowanie danych ekonomiczno-technologicznych dla poszczególnych procesów i operacji
jednostkowych zgazowania podziemnego, w ramach projektu pt.
„Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej
produkcji paliw i energii elektrycznej” Główny Instytut Górnictwa
styczeń 2014 (niepublikowany).
31. Shoko E., McLellan B., Dicks A.L., Diniz da Costa J.C.: Int. J Coal Geol.
2006, vol.65, s. 213÷222.
32. Smoliński A., Stańczyk K., Kapusta K., Howaniec N.: Analysis of
the organic contaminants in the condensate produced in the in-situ
underground coal gasification process. Water Science and Technology
2013, 67(3), s. 644÷650. 33. Smoliński A., Stańczyk K., Kapusta K., Howaniec N.: Chemometric
study of the ex-situ underground coal gasification wastewater experimental data. Water, Air and Soil Pollution 2012, vol.223, s. 5745-5758. 34. Spath P.L., Dayton D.C.: Preliminary Screening - Technical and
Economic Assessment of Synthesis Gasto Fuels and Chemicals with
Emphasis on the Potential for Biomass-Derived Syngas, 2003, Report
NREL/TP-510-34929.
35. Sprawozdanie roczne Cz.T.B. nr 6.2.1: Zestawienie i opracowanie
danych ekonomiczno-technologicznych dla poszczególnych procesów
i operacji jednostkowych zgazowania naziemnego, w ramach projektu
pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej
produkcji paliw i energii elektrycznej”, AGH, 2011 Kraków (niepublikowane).
36. Stańczyk K., Kapusta K., Wiatowski M., Świądrowski J., Smoliński A.,
Rogut J., Kotyrba A.: Experimental simulation of hard coal underground
gasification for hydrogen production. Fuel 2012, vol.91, s. 40÷50.
37. Stańczyk K., Smoliński A., Kapusta K., Wiatowski M., Świądrowski J.,
Kotyrba A., Rogut J.: Dynamic experimental simulation of hydrogen
oriented underground gasification of lignite. Fuel 2010, vol.89, s.
3307÷3314.
38. Stańczyk K.: Czyste Technologie użytkowania Węgla, Katowice,
Wydawnictwo Główny Instytut Górnictwa, 2008.
39. Whysall M., Ward Picio K.: AIChE Spring Meeting 1999, Houston,
USA.
40. Wiatowski M., Stańczyk K., Świądrowski J., Kapusta K., Cybulski K.,
Krause E., Grabowski J., Rogut J., Howaniec N., Smoliński A.: Semitechnical underground coal gasification (UCG) using the shaft method
in Experimental Mine “Barbara”. Fuel 2012, vol.99, s. 170÷179.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
97
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.657.92
Ekonomiczna ocena technologii zgazowania węgla ze szczególnym uwzględnieniem sekwencji składanej opcji czekania
i wzrostu skali
Economic assessment of coal gasification technologies with particular focus
on sequential compound option to wait and growth option
Dr inż. Krzysztof Kwaśniewski*)
dr inż. Michał Kopacz**)
mgr inż. Paweł Grzesiak*)
mgr inż. Radosław Kapłan*)
Treść: Niniejsza publikacja przestawia całościową koncepcję oceny technologii zgazowania węgla w metodzie opcji rzeczowych. Idea
modelu zakłada wycenę 6 różnych sekwencji opcji. W artykule ograniczono się jednak do wyceny kombinacji opcji czekania
z opcją wzrostu skali. Wartość zaktualizowana netto (NPV) technologii produkcji metanolu na drodze zgazowania przy skali
bazowej wyrażonej zużyciem węgla kamiennego na poziomie 100 Mg/h była ujemna i wyniosła – 1091,8 mln zł. Tymczasem
wycena składanej, sekwencyjnej opcji czekania i wzrostu skali pozwoliła wyznaczyć wartość strategiczną XNPV (ROV) analizowanej technologii rzędu 3508,49 mln zł. Wartość samej opcji wzrostu skali w tym przypadku ukształtowała się na poziomie
2911,63 mln zł.
Abstract: This paper presents a complex approach to the assessment of coal gasification technology in the real options method. The
idea of the model involves the valuation of 6 different combination of sequential compound options. This article is basically
focused on the valuation of combinations of the options to wait and growth option. Net present value (NPV) of IGCC methanol technology, at the base scale expressed by coal consumption of 100 t/h was negative and amounted to 1 091.8 million
zł. Meanwhile, the valuation of the sequential compound option allowed to achieve the strategic value XNPV (ROV) of 3
508.49 million zł. The value of growth option separately was estimated at 2 911.63 million zł.
Słowa kluczowe:
Zgazowanie węgla, wycena, analiza opcji rzeczowych, model wyceny, wartość strategiczna ROV (XNPV), sekwencyjne opcje składane.
Keywords:
IGGC coal gasification, valuation, real option analysis, appraisal model, the strategic value ROV (XNPV), sequential compound options
*) AGH w Krakowie **) IGSMiE PAN w Krakowie
98
PRZEGLĄD GÓRNICZY
1. Wprowadzenie
Mimo iż potencjał rozwoju mocy produkcyjnych wytwarzania energii elektrycznej jest olbrzymi, sięgający około
40 GW do roku 2030, produkty technologii zgazowania węgla
mogą być również zużywane w procesach przemysłowych
jako substytut importowanego do Polski gazu ziemnego
i ropy naftowej [10].
Metanol, który obecnie w całości importujemy w ilości
około 400 tys. t rocznie jest surowcem bardzo uniwersalnym.
Może być stosowany bezpośrednio w technologii MTG (metanol to gasoline), jako półprodukt – biodiesel FAME, czy też
przetwarzany dalej w liczne estry metylowe i olefiny (MTP;
methanol to propylene, MTO; methanol to olefins) [25].
Do roku 2002 około 90 % światowej produkcji metanolu
bazowało na gazie syntezowym, uzyskiwanym z gazu ziemnego. Przy niskich cenach węgla w Azji (rzędu 10÷15 USD/Mg),
większość obecnie uruchamianych instalacji wykorzystuje
przede wszystkim ten surowiec [12].
Ocenia się, iż rynek olefin (produkcja etylenu i propylenu)
kształtuje się na poziomie 1,4 mln Mg rocznie. Prognozy
wzrostu rynku produktów chemicznych, bazujących na
przetwórstwie metanolu lub bezpośredniej produkcji olefin
zakładają wzrost w 2014 rzędu 3,5÷4,0% (największe tempo
wzrostu będzie widoczne w rozwijających się krajach Azji,
Środkowego Wschodu oraz Ameryce Południowej) [9].
Argumentacja ta wskazuje na tworzące się, sprzyjające warunki produkcji olefin również i w Polsce.
Postęp technologiczny i – z drugiej strony – zmiana
uwarunkowań makroekonomicznych to główne czynniki,
które stymulują rozwój technologii przetwórstwa węgla.
Przedsiębiorstwa energetyczne i chemiczne dążą do poprawy
swoich wyników technicznych i ekonomicznych poprzez
wdrażanie coraz to nowszych technologii tudzież modernizację istniejących. Niewątpliwie od nowych rozwiązań technologicznych oczekuje się wysokiej sprawności przetwarzania
energii w produktach, minimalizacji negatywnego oddziaływania na środowisko, czy wysokiej elastyczności operacyjnej,
również w zakresie wykorzystania rożnych rodzajów paliwa
wsadowego [21]:
Określoną wartość mierzoną w kategoriach ekonomicznych posiada możliwość wyczekiwania z podjęciem optymalnej w czasie decyzji o rozpoczęciu nowych inwestycji.
Nie bez wartości może być również scenariusz przesądzający
o rozbudowie czy ograniczaniu posiadanego potencjału
wytwórczego (biorąc pod uwagę zmienność czynników
zewnętrznych), możliwość przełączania się pomiędzy
wytwarzaniem produktów, na których można zrealizować
największe marże w określonej perspektywie czasu. Istotny
wymiar ekonomiczny posiada również rozstrzygnięcie
i wybór optymalnej decyzji pomiędzy budową instalacji
sekwestracji CO2 (CCS) a kosztami z tytułu emisji tego gazu
do atmosfery. Wycena w pieniądzu tego typu możliwości –
alternatywy, stanowi przedmiot analizy opcji rzeczowych
(ROV; real option analysis) w obszarze technologii energetycznych i zgazowania węgla.
W artykule postawiono tezę, że zdywersyfikowane
przedsiębiorstwa branży energetycznej i chemicznej dysponują elastycznością operacyjną stanowiącą istotny komponent wartości całego przedsięwzięcia inwestycyjnego.
Zwiększenie skali produkcji metanolu, traktowane jako opcja
wzrostu, może spowodować zupełną zmianę rozstrzygającej decyzji inwestycyjnej. Otrzymane wyniki mogą pomóc
także w wyjaśnieniu znaczenia elastyczności operacyjnej,
zupełnie pomijanej w klasycznych metodach dyskontowych,
w kształtowaniu wartości zdywersyfikowanych przedsiębiorstw branży chemicznej.
2014
2. Uwarunkowania klasycznych metod oceny efektywności ekonomicznej oraz analizy opcji rzeczowych
Decyzja o realizacji danego projektu inwestycyjnego
podejmowana jest zwykle na podstawie przesłanek o charakterze ekonomiczno-finansowym, gdzie istotną rolę odgrywa
dostępność kapitałów, sposób i koszt finansowania.
W praktyce oceny przedsięwzięć inwestycyjnych ciągle
prym wiodą metody dyskontowe, a w szczególności metoda
zaktualizowanej wartości netto (NPV, net present value),
wewnętrznej stopy zwrotu (IRR; internal rate of return) wraz
z wszystkimi swoimi modyfikacjami [11] oraz zaktualizowany koszt wytwarzania [30]. Znane są wady i ograniczenia
wskazanych metod. Kluczowe spośród nich:
– obarczone dużym błędem, prognozowanie przyszłych
przepływów pieniężnych i założenia stabilności kluczowych parametrów w długiej perspektywie czasu,
– dysproporcja pomiędzy wartościami NPV uzyskiwanymi
z analiz zdyskontowanych przepływów pieniężnych (DCF,
discounted cash flows) a wartościami ustalanymi przez
rynek. Wartości przedsiębiorstw wycenione za pomocą
analizy DCF są zazwyczaj mniejsze od ich późniejszych
wartości rynkowych.
– dobór odpowiedniego czynnika dyskontowego, dostosowanego do ryzyka jest procesem subiektywnym, istotnie
wpływającym na wynik oceny,
– niejasne kryteria odnośnie do wybierania terminu rozpoczęcia inwestycji,
– brak możliwości podejmowania alternatywnych decyzji
w czasie trwania projektu.
Kryteria decyzyjne metody NPV odrzucają projekty
o niskiej lub ujemnej wartości tego miernika. Tymczasem
ujemna wartość zaktualizowana netto dzisiaj nie przesądza
o możliwości osiągania pozytywnej wartości przedsięwzięcia
w przyszłości (w następstwie zdarzeń może nastąpić poprawa
warunków inwestycyjnych).
Metoda IRR zakłada z kolei niezmienność stopy dyskontowej w całym okresie analizy. Tymczasem wraz z upływem
czasu istnienia projektu i napływem kolejnych informacji, poziom ryzyka w projekcie zwykle się zmniejsza (przykładowo:
stabilna faza produkcyjna ogranicza ryzyko technologiczne
do minimum).
Niewątpliwie uzasadnienie celowości zastosowania rachunku opcyjnego do wyceny technologii zgazowania węgla
leży u podstaw zalet tej metody. Do najważniejszych należą:
– uwzględnienie elastyczności decyzyjnej stwarza możliwość wyboru optymalnej strategii inwestycyjnej i jej
kontroli wg zmieniających się warunków otoczenia,
– rachunek opcyjny pozwala na właściwe uwzględnienie
faktu niepewności i ryzyka nie tylko związanego z cenami
rynkowymi – daje możliwość wyceny ryzyka zmienności
kilku parametrów jednocześnie,
– ROV pozwala określić optymalny moment podjęcia decyzji o rozpoczęciu inwestycji i jej zakończeniu,
– istnieją sytuacje, gdzie wykorzystanie tradycyjnych metod
prowadzi do silnego zaniżania wartości projektów – przykładowo sektory wysokich technologii i innowacyjności,
co pozwala uwzględniać również koszt utraconych korzyści [22].
Wymienione ograniczenia metod dyskontowych i zalety
analizy opcji rzeczowych stanowią przyczynek do rozwijania
nowych metod oceny efektywności przedsięwzięć inwestycyjnych.
O rosnącej popularności metod bazujących na wycenie
opcji rzeczowych w procesach energetycznych (zgazowania węgla) świadczą m.in. badania przeprowadzone przez
Herbellota, Sekara i Laurikke [8], [23], [15].
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Praca Herbellota była jedną z pierwszych publikacji w tym
temacie. W pracy analizowany był przypadek bloku gazowego
do produkcji energii elektrycznej, w którym zakładało się możliwość budowy instalacji zgazowania węgla celem produkcji
własnego gazu. Symulowano przebiegi dwóch zmiennych:
cen węgla i gazu ziemnego.
Sekar dokonał analizy trzech alternatywnych technologii
wytwarzających energię elektryczną: klasyczny blok spalania
z kotłem pyłowym (Pulverized Coal, PC), blok zgazowania
IGCC oraz blok IGCC przygotowany wstępnie do zainstalowania modułu wychwytu i składowania dwutlenku węgla
(Carbon Capture and Storage, CCS). Autor dokonuje wyceny
rozważanych projektów wykorzystując analizy DCF i ROA,
zakładając zmienność tylko jednego parametru, jakim jest
cena praw do emisji CO2.
Laurikka, wykorzystując model symulacyjny, szacuje
wartość opcyjną technologii IGCC uwzględniając wpływ
Europejskiego Systemu Handlu Emisjami (European Union
Emission Trading Scheme, EU ETS). Wpływem cen praw
do emisji CO2 na wybór odpowiedniej technologii produkcji
energii elektrycznej zajmowali się również Yun i Baker [32].
Abadie i Chamorro natomiast w swoich publikacjach [1, 2]
szeroko analizują elastyczność decyzyjną związaną z dwoma
technologiami do produkcji energii elektrycznej: IGCC oraz
NGCC. Dla rozważanych instalacji wyliczają strategiczną
wartość opcji czekania.
Ważnymi publikacjami z tego zakresu są również prace
Smeersa, Reedman, Yanga i Blytha oraz Tenga [24, 18, 19,
31, 26].
Jak wskazują komentowane badania, istotnym komponentem wartości analizowanych przedsięwzięć inwestycyjnych
jest elastyczność decyzyjna (operacyjna, menedżerska). Za
Utonem można stwierdzić, iż jest ona „zdolnością do zmiany
lub reakcji wiążącą się z ograniczonymi konsekwencjami
dotyczącymi czasu, nakładów, kosztów lub efektywności…”
[29].
Elastyczność decyzyjna, w ujęciu opcyjnym, oznacza możliwość wyboru najbardziej korzystnego scenariusza działań.
W przypadkach projektów modelowanych kombinacją opcji,
łączna wartość elastyczności to wybór scenariuszy działań
(opcji) maksymalizujących wartość projektu dla przyjętego
poziomu danych wejściowych (np. cen).
U podłoża wartości strategicznej leży potencjał wynikający ze zmienności kluczowych parametrów decydujących.
Zmienność ta niejednokrotnie dezaktualizuje dotychczasowe
kalkulacje lub podjęte decyzje. Fakt ten jest istotny, biorąc
pod uwagę niepewność przyszłych przychodów i kosztów,
jak i ekspozycję na ryzyko, związane z realizacją założonych
celów produkcyjnych. „Dodatkowa wartość” jest związana
z obecnością elastyczności oraz asymetrii profilu ryzyka
uczestników transakcji kupna-sprzedaży [27].
Pomimo licznych analogii występujących pomiędzy
opcjami finansowymi a rzeczowymi wiele założeń, na których
opierają się metody wyceny opcji finansowych nie jest spełnionych w przypadku wyceny opcji rzeczowych (realnych).
Najczęściej wymieniane różnice i trudności w stosowaniu
analizy opcji rzeczowych [14]:
– identyfikacja elastyczności decyzyjnej i wyróżnianie opcji,
– określenie niepewności,
– ograniczoność stosowalności formuły Blacka-Scholesa
do wyceny opcji europejskich o ustalonym terminie wykonania,
– założenie stałości kosztów wykonania opcji rzeczowych,
– czas życia opcji i moment jej wykonania,
– współzależność i sekwencyjność opcji rzeczowych,
– założenie o logarytmiczno-normalnym rozkładzie wartości
aktywów bazowych opcji ze stałym poziomem zmienności,
99
– ustalenie wartości instrumentu bazowego,
– dobór parametru zmienności wartości projektu w czasie
objętym analizą.
3. Procesy stochastyczne u podstaw wyceny opcji
Procesy stochastyczne opisujące zmienność instrumentów bazowych opcji odgrywają kluczową rolę w analizie
i wycenie opcji.
Proces stochastyczny stanowi opis zmian wartości danego parametru w czasie w sposób, który jest przynajmniej
w części losowy; proces ten może mieć charakter dyskretny
lub ciągły [7].
Do najbardziej popularnych i najczęściej stosowanych
w analizie opcji rzeczowych koncepcji procesów stochastycznych należy arytmetyczny i geometryczny ruch Browna,
procesy Wienera, Ito oraz proces powracania do średniej
Ornsteina-Uhlenbecka. Poniżej zamieszczono charakterystykę
najważniejszych z nich.
Uogólniony proces Wienera jest ciągłym w czasie procesem stochastycznym w postaci
gdzie: x zmienna losowa, t czas, dz przyrost, a(x, t), b(x, t)
znane funkcje nielosowe czasu i położenia.
Postać geometrycznego ruchu Browna, wywodzącego
się z rodziny procesów Wienera dla wersji ciągłej można
przedstawić następującym wzorem
gdzie: S cena instrumentu bazowego, α chwilowy oczekiwany zwrot z instrumentu, σ chwilowe odchylenie
standardowe zwrotów z instrumentu, dz różniczka
uogólnionego procesu Browna.
Najczęściej przyjmuje się, iż dz ma rozkład normalny
N(0,
), i jest równy iloczynowi
, gdzie εt jest „białym
szumem” o rozkładzie N(0,1) [6].
Rozwiązania powyższych, stochastycznych równań
różniczkowych, prowadzą do uzyskania funkcji zwracającej
wartości ceny w zależności od czasu. Można wykazać, że
oraz w postaci logarytmicznej:
gdzie: St + 1, St ceny aktywa odpowiednio w chwilach
trend
t+1, t; ln (St + 1) ln(St) ceny w postaci logarytmicznej;
procesu w postaci logarytmicznej, σln odchylenie standardowe
logarytmicznych przyrostów; exp − funkcja wykładnicza ex.
W grupie procesów stochastycznych „powracających do
średniej” − trendu, wyróżnia się dwie podstawowe klasy.
Typowe procesy rewersyjne (mean reverting) ciągłe w czasie,
które charakteryzuje „ciągłość” ich rozkładów warunkowych.
Z kolei, klasa procesów stochastycznych „ze skokiem” (mean
reverting with jumps) to zasadniczo „mieszanki” realizacji
zmiennych losowych, odpowiednio o rozkładach: ciągłym
i dyskretnym.
Prostym przykładem procesu stochastycznego, który
ma charakter procesu powracania do średniej jest proces
Ornsteina-Uhlenbecka [28]. Proces ten opisany jest formułą:
100
PRZEGLĄD GÓRNICZY
gdzie: dS zmiana ceny instrumentu bazowego w nieskończenie małym przedziale czasu dt, h prędkość rewersji cen,
poziom, do którego skłania się powracać S, σ chwilowe
odchylenie standardowe zwrotów z instrumentu, dz różniczka
uogólnionego procesu Browna (o średniej 0 i wariancji dt).
Postać powyższego równania znana jest również jako
model Dixita i Pindycka [16]. W modelu tym przyjmuje się, iż
w długim okresie czasu ceny mają tendencję do oscylowania
wokół długookresowej wartości średniej .
Rozwiązanie arytmetycznej, logarytmicznej postaci tego
procesu przedstawia poniższy wzór zaczerpnięty z [5]
oraz
gdzie: So wartość początkowa ceny; T czas ewolucji procesu;
(…) pozostałe oznaczenia jak wcześniej.
W modelach analitycznych obu opcji wykorzystano zaproponowany przez Coxa, Rossa i Rubinsteina (CRR) w 1979
roku model stanowiący dyskretną aproksymację ciągłego
procesu stochastycznego (geometrycznego ruchu Browna)
[4]. Model ten określany jest dwumianowym procesem iloczynowym lub geometrycznym.
Uogólniony proces wyceny opcji kupna w tym podejściu
obejmuje [3]:
– definicję funkcji wypłaty opcji w dowolnym węźle kratownicy, określona jest formułą:
– szacowanie wartości strategicznej (opcyjnej) w chwili:
4. Miejsce analizy opcji rzeczowych w kontekście całościowej metodyki oceny technologii zgazowania węgla
Całościowa koncepcja oceny technologii zgazowania węgla zakłada kilkuetapową procedurę oceny. Analiza opcji rze-
Rys. 1.Schemat procedury oceny analizowanych technologii zgazowania węgla.
Fig. 1. Scheme of assessment procedure of coal gasification technologies
2014
czowych stanowi kluczowe ogniwo rozszerzające rozumienie
aspektu wartości najbardziej perspektywicznych wariantów
technologii zgazowania węgla. Zakres prowadzonych analiz
stanowi rezultat złożenia (kombinacji) kilku strategicznych
kryteriów:
– różnorodności paliwa wsadowego (węgiel kamienny vs
brunatny),
– dostępności modułu sekwestracji węgla lub jego braku,
– wytwarzania trzech różnych produktów końcowych tj.
energii elektrycznej (i ciepła), wodoru, metanolu.
W efekcie prac badawczych zbiór technologii zgazowania
węgla w podziale na 3 grupy:
– odniesienia,
– referencyjne,
– badane,
stanowi w ujęciu ilościowym grupę ponad 30 różnych kombinacji.
Technologie odniesienia to technologie funkcjonujące
i sprawdzone w rzeczywistości w skali przemysłowej wytwarzającej odpowiednio energię elektryczną, wodór i metanol.
Technologie referencyjne to technologie analizowane
i oceniane na bazie danych literaturowych, rekomendowane
do potencjalnego wdrożenia.
Technologie badane sklei te, które są przedmiotem
prowadzonych eksperymentów w ramach podziemnego
i naziemnego zgazowania węgla.
Całość analizy, której schemat ideowy prezentuje rysunek
1 składa się z następujących etapów:
– Etap I: Ocena zbioru wszystkich analizowanych technologii pod względem: technicznym, kosztowym, ekologicznym, ekonomicznym,
– Etap II: Ocena zbioru wariantów technologicznych w metodach: analizy wielokryterialnej (DEA) oraz eksperckiej
(AHP),
Na podstawie wyników otrzymanych w etapach I oraz II
następuje identyfikacja najbardziej perspektywicznych ścieżek
produktowych analizowanych technologii zgazowania węgla.
– Etap III: Rozszerzona ocena efektywności ekonomicznej
w analizie opcji rzeczowych,
– Etap IV: Identyfikacja priorytetowych kierunków rozwoju
technologii zgazowania węgla w Polsce.
Na bazie wyników końcowych, zostaną określone (wskazane) priorytetowe kierunki rozwoju technologii zgazowania
węgla w Polsce.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
W szczególności wyłonieniu najbardziej perspektywicznych wariantów technologii zgazowania węgla w ramach analizy efektywności ekonomicznej służyć będzie przygotowany
standard oceny, identyfikujący kluczowe mierniki (wskaźniki)
działalności operacyjnej, inwestycyjnej i finansowej, jak
i wyniki metod NPV, IRR, czy wieloaspektowa ocena kosztów
wytwarzania. Wykaz najważniejszych kryteriów różnicowania
poszczególnych technologii w obszarze oceny ekonomicznej
przedstawiono poniżej:
Rachunek przepływów
Nakłady:
pieniężnych:
Całkowite nakłady
Przepływy pieniężne z
inwestycyjne
działalności operacyjnej
Jednostkowe nakłady
Przepływy pieniężne z
inwestycyjne
działalności inwestycyjnej
Nakłady inwestycyjne na
Przepływy pieniężne z
CCS
działalności finansowej
Przepływy FCFF
Przepływy FCFE
Działalność operacyjna:
Zysk (strata) z działalności
operacyjnej
Zysk (strata) ze sprzedaży
Zysk (strata) brutto
Zysk (strata) netto
Średnie roczne koszty
operacyjne
Jednostkowe średnie roczne
koszty operacyjne
Uśredniony koszt
wytwarzania
Średnie roczne koszty emisji
CO2
Średnie roczne koszty
sekwestracji CO2
Ryzyko i wycena:
Koszt ryzyka
specyficznego projektu
Stopa dyskontowa
dostosowana do ryzyka
Wyliczona wewnętrzna
stopa zwrotu
Wyliczona wartość
zaktualizowana netto
Wskaźnik wartości
zaktualizowanej netto
Ekonomiczna
zaktualizowana wartość
netto
Ekonomiczna wewnętrzna
stopa zwrotu
5. Metodyka analizy opcji rzeczowych dedykowana ocenie technologii zgazowania węgla
Właściwa ocena technologii zgazowania węgla w analizie
opcji rzeczowych więżę się z identyfikacją źródeł niepewności
i ryzyka związanych z niepewnymi parametrami decyzyjnymi.
Dotyczy przede wszystkim:
– niepewności, co do przyszłych cen paliwa oraz jego dostępności w Polsce (zasobność złóż węgla i techniczne
możliwości ich zgazowania),
– możliwości przemysłowego wykorzystania produktów
finalnych analizowanych technologii z uwagi na ich właściwości,
– możliwości eskalacji technologii eksperymentalnych do
skali przemysłowej.
Wycena wartości technologii zgazowania węgla sprowadza się do wyznaczenia tzw. wartości strategicznej (opcyjnej),
która zależy od:
– istoty przedstawionego problemu badawczego tj. liczby,
typu zidentyfikowanych opcji,
– zastosowanego modelu wyceny oraz definicji parametrów
charakterystycznych poszczególnych opcji (instrumentu
bazowego i jego zmienności w czasie, ceny wykonania
opcji, okresu istnienia oraz tzw. kroku obliczeniowego –
dot. modeli dyskretnych).
101
Koncepcja szacowania XNPV (ROV) dedykowana technologiom zgazowania węgla
Opracowana na potrzeby oceny technologii zgazowania
węgla koncepcja rachunku opcji rzeczowych zakłada wycenę
następujących opcji:
– dla wybranych w metodach analizy wielokryterialnej
(DEA) i eksperckiej (AHP) rekomendowanych ścieżek
produktowych (indywidualnie dla węgla kamiennego
i brunatnego), w zakresie referencyjnych oraz badanych
technologii naziemnego zgazowania węgla:
– opcji czekania z podjęciem rozstrzygającej decyzji
o podjęciu inwestycji,
– opcji wzrostu do skali przemysłowej (skala bazowa
zakłada zużycie 100 Mg/h węgla kamiennego o kaloryczności 21,5 GJ/Mg)
– opcji rozszerzenia technologii o moduł wychwytu
i sekwestracji CO2,
– dla technologii ukierunkowanych na wytwarzanie metanolu, odpowiednio dla węgla kamiennego i brunatnego:
– opcji rozszerzenia łańcucha technologicznego do produkcji olefin (MTO).
Wszystkie zidentyfikowane w tablicy 1 opcje są opcjami
inwestycyjnymi typu amerykańskiego (autorzy założyli, że
wykonanie każdej z nich może nastąpić w dowolnym czasie,
czyli na koniec danego roku analizy w okresie istnienia poszczególnych opcji).
Wykaz opcji włączonych w całościową koncepcję szacowania wartości strategicznej (opcyjnej) prezentuje poniższe
zestawienie:
– Opcja czekania (nr 1 i 2) – najbardziej perspektywiczny
wariant technologiczny bazujący odpowiednio na węglu
kamiennym i brunatnym
– Opcja budowy (rozbudowy) modułu CCS (nr 3 i 4)
– najbardziej perspektywiczny wariant technologiczny
bazujący odpowiednio na węglu kamiennym i brunatnym,
– Opcja zwiększenia skali produkcji (z bazowej do przemysłowej) (nr 5 i 6) – najbardziej perspektywiczny wariant
technologiczny bazujący odpowiednio na węglu kamiennym i brunatnym
– Opcja rozszerzenia łańcucha technologicznego do olefin
(MTO) z jednoczesnym zwiększeniem skali (nr 7 i 8)
– najbardziej perspektywiczny wariant produkcji olefin
z metanolu odpowiednio dla węgla kamiennego lub brunatnego.
Ideę procesu wyceny, wiążącą poszczególne opcje ze sobą
w logiczny schemat postępowania, rysunki 2 i 3.
Do wyznaczenia wartości strategicznej (opcyjnej) zatem
należy:
– przeprowadzić kalkulację wartości sześciu sekwencji opcji
składanych,
– zaimplementować funkcje wypłaty z kombinacji modelowanych opcji, tj. wyznaczyć wartości maksymalne
w poszczególnych węzłach drzewa decyzyjnego, przedstawionego na rysunku 2.
Omawiana koncepcja postępowania, w postaci graficznej,
została przedstawiona na rysunku 3.
6. Wycena sekwencyjnej, składanej opcji czekania
i wzrostu skali
Wycenę opcji wzrostu skali przeprowadzono dla technologii naziemnego zgazowania węgla kamiennego w reaktorze Shell, ukierunkowanej na wytwarzanie metanolu
i nieposiadającej możliwości sekwestracji ditlenku węgla
(brak CCS). Zdolność produkcyjna technologii bazowej odpowiada zużyciu węgla o kaloryczności 21,5 GJ/Mg w ilości
102
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 2. Schemat drzewa decyzyjnego ilustrujący koncepcję szacowania wartości strategicznej najbardziej
perspektywicznych technologii zgazowania węgla. Symbole od 1 do 8 odpowiadają opcjom wymienionym w tablicy 1. Źródło: opracowanie własne
Fig. 2. Schematic diagram of the decision tree presenting the concept of estimating the strategic value of
the most prospective coal gasification technologies. Symbols 1 to 8 correspond to the options listed
in Table 1. Source: own study
Rys. 3.Idea wyceny wartości opcyjnej (ROV, XNPV) dla analizowanych technologii zgazowania węgla.
Źródło: opracowanie własne
Fig. 3. Concept of the option value estimation (ROV, XNPV) for the analyzed coal gasification technologies. Source: own study
100 Mg/h. Skala przemysłowa została ustalona na około 2
mln Mg metanolu rocznie, co oznacza 5-krotne zwiększenie
produkcji MeOH.
Dla rozpatrywanego przypadku, w pierwszym etapie
zbudowano klasyczny model zdyskontowanych przepływów
pieniężnych DCF (B) (discounted cash flow), pozwalający
na oszacowanie zdyskontowanych przepływów pieniężnych
i wyliczenie wartości zaktualizowanej netto (NPV; net present
value) na poziomie (-) 1091,8 mln zł. Analogiczny model
– arkusz DCF (O) przygotowano dla scenariusza – projekt
funkcjonujący w rozszerzonej skali, w którym opcja wzrostu
została wykonana.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Wyceny dokonano przy następujących poziomach kluczowych zmiennych decyzyjnych: cena węgla: 310 zł/Mg (14,4
zł/GJ), cena metanolu 1850 zł/Mg, cena praw do emisji CO2:
40 zł/Mg CO2, długookresowa inflacja (CPI): 2,5%. Czas
życia instalacji: 30 lat (w tym faza rozruchu i likwidacji),
dyspozycyjność: 95 %, okres budowy: 3 lata. W modelach
dyskontowych obliczenia wykonano w ujęciu nominalnym,
przy czym zmianę w czasie istotnych zmiennych niepewnych
przyrównano do poziomu długookresowej inflacji.
Jak już wspomniano, opcje czekania z budową oraz
wzrostu skali stanowią sekwencyjną, składaną opcję typu
amerykańskiego (sekwencja opcji II, rysunek 2). Jest to walor
obejmujący dwie występujące po sobie opcje, które mogą
zostać wykonane w dowolnym terminie do daty wygaśnięcia. Pierwszą jest opcja czekania (option-to-wait), dla której
instrumentem bazowym jest wartość opcji drugiej; realizacja
pierwszej uwarunkowana jest zatem wykonaniem następnej.
Zgodnie z metodyką wyceny projektów inwestycyjnych
z wykorzystaniem rachunku opcji rzeczowych, celem kalkulacji wartości strategicznej (opcyjnej), w środowisku arkusza
kalkulacyjnego zbudowano model dedykowany bezpośrednio
wycenie składanej, sekwencyjnej opcji typu amerykańskiego.
Każdorazowo, kalkulacja wartości strategicznej (XNPV,
ROV) przebiega w dwóch etapach:
– Etap 1: wycena opcji drugiej tj. zwiększenia skali,
– Etap 2: wycena opcji pierwszej − czekania z podjęciem
rozstrzygającej decyzji o rozpoczęciu (fazy budowy)
inwestycji.
6.1. Wycena opcji drugiej
Szacowanie XNPV (ROV) rozpoczyna konstrukcja dwóch
równoległych modeli („drzew”) zmian wartości technologii
brutto:
– projektu bazowego (projekt uruchomiony, skala bazowa,
brak CCS) – arkusz DCF (B),
– projektu po wykonaniu opcji wzrostu skali – arkusz DCF (O).
Parametry pozwalające na budowę obu „drzew”, zgodnie
z dwumianowym modelem iloczynowym Coxa-RossaRubinsteina (CRR), zostały zaprezentowane w tablicy 1.
Tablica 1. Parametry opcji wzrostu skali i modelu wyceny
Table 1. Parameters of the growth option and pricing model
Parametr
Okres analizy
„Krok”
obliczeniowy
Δt
Wartość
projektu/
instrument
bazowy
Zmienność
instrumentu
bazowego
(PV)
Stopa wolna
od ryzyka
Projekt bazowy (B)
Projekt po wyk. opcji (O)
Wartość / Sposób wyliczania / Źródło danych
15 lat (2016÷2030)
15 lat (2016÷2030)
1 rok
PVO = 13 318,9 mln zł
PVB = 1 554,1 mln zł
Wartość brutto projektu
Wartość brutto projektu po
bazowego wartość
wykonaniu opcji wartość
obliczana na podstawie
obliczana na podstawie
przepływów pieniężnych
przepływów pieniężnych
projektu (bez nakładów
projektu (bez nakładów
inwestycyjnych) oraz stopy inwestycyjnych) oraz stopy
dyskontowej dostosowanej dyskontowej dostosowanej
do ryzyka (RADR), które
do ryzyka (RADR), które
pobrano z opracowanego
pobierano z opracowanego
modelu DCF (B).
modelu DCF (1).
σ1 = 13,81%
σb = 15,65%
Skonsolidowana zmienność obliczana zgodnie z
podejściem LCFR (logarithmic cash flow returns) na
podstawie przepływów pieniężnych projektu bazowego
[13,17].
Źródło: Opracowanie własne
rf = 4%
103
W kolejnym etapie procesu wyceny budowane jest drzewo
kalkulacji wartości opcji drugiej, która może być wykonana od
roku 4 do 15 (aktualnie perspektywa: 2019÷2030). Cena wykonania tego waloru jest równa zaktualizowanym nakładom
inwestycyjnym I2 (7838,8 mln zł), jakie trzeba ponieść, aby
uzyskać instrument bazowy (w modelu odpowiednio nakłady
na zwiększenia skali).
Równania w poszczególnych węzłach drzewa wyceny
przedstawiają się następująco:
– w węzłach końcowych
– w pierwszej kolejności wyznaczana jest wartość opcyjna zgodnie ze wzorem
,
– zgodnie z teorią, w celu uzyskania wartości opcyjnej
przed odliczeniem „dywidendy” otrzymana wartość
powiększana jest o wielkość tej ostatniej. W analizowanym przypadku, ze względu na wyłączenie płatności
dywidendowych (rozumianych jako klasyczna dywidenda), wartość przepływów pieniężnych pomniejszających PV projektu wyzerowano w kolejnych okresach
procesu wyceny.
– w węzłach pośrednich
– w pierwszej kolejności, korzystając z podejścia neutralnego względem ryzyka, kalkulowana jest wartość
strategiczna (ROV) zgodnie ze wzorem:
,
– następnie konstruowany jest warunek funkcji wypłaty
w postaci
,
– w procedurze rekurencyjnej kalkulowana jest premia
opcyjna.
Ostatecznie, wartość opcyjna (ROV) w węźle początkowym ROVII0 stanowi wartość strategiczną (opcyjną; XNPV)
opcji wzrostu skali.
Wyliczona wartość opcyjna ROVII0 wynosi 6 111,4 mln
zł. Odejmując zaktualizowane nakłady inwestycyjne na uruchomienie projektu bazowego (2645,9 mln zł) można uzyskać
wartość opcyjną samej opcji wzrostu skali (3465,4 mln zł).
6.2. Wycena opcji pierwszej
Zbudowany w etapie pierwszym model wartości opcji drugiej, stanowi drzewo zmian instrumentu bazowego dla opcji
pierwszej. Opcja czekania z podjęciem rozstrzygającej decyzji
o rozpoczęciu inwestycji może być wykonana na przestrzeni
trzech pierwszych rocznych okresów obliczeniowych.
Parametry pozwalające na skonstruowanie drzewa wartości opcji pierwszej prezentuje tablica 2.
Równania w poszczególnych węzłach drzewa wyceny
przedstawiają się następująco:
– w węzłach końcowych:
max(ROVII – l1; 0),
– w węzłach pośrednich:
– w pierwszej kolejności, korzystając z podejścia neutralnego względem ryzyka, kalkulowana jest wartość
opcyjna zgodnie ze wzorem:
,
– następnie konstruowany jest warunek funkcji wypłaty
w postaci:
max(ROVI; ROVII– l1)
104
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Tablica 2. Parametry opcji czekania i modelu wyceny
Table 2. Parameters of the option to wait and pricing model
Parametr
Czas życia
„Krok” obliczeniowy
Δt
Instrument bazowy
Cena wykonania
Zmienność
instrumentu
bazowego (PV)
Wartość / Sposób wyliczania / Źródło danych
3 lata (2016-2018)
1 rok
Wartość ROVII
I1=2 645,9 mln zł
Nakłady inwestycyjne, jakie trzeba ponieść
celem uruchomienia projektu bazowego; wartość
pobrana z modelu dyskontowego DCF (B).
σ1 = 2645,9mln zł
Skonsolidowana zmienność obliczana zgodnie z
podejściem LCFR (logarithmic cash flow returns)
na podstawie przepływów pieniężnych projektu
bazowego [13, 17].
Stopa wolna od
ryzyka
rf = 4%
Źródło: Opracowanie własne
Ostatecznie, wartość opcyjna w węźle początkowym max
ROVI0 stanowi wartość strategiczną złożonej, sekwencyjnej
opcji typu amerykańskiego.
Wartość strategiczna (rozszerzona wartość NPV = XNPV)
projektu uwzględniającego elastyczność decyzyjną związaną z możliwościami czekania z budową oraz późniejszego
wzrostu skali, jest dodatnia i wynosi 3508,5 mln zł. Wartość
elastyczności decyzyjnej (premia opcyjna, OP), związanej
z występowaniem opcji, przy tych parametrach wejściowych,
obliczona jako różnica wartości strategicznej projektu XNPV
oraz wartości zaktualizowanej netto NPV kształtuje się na
poziomie:
OP = XNPV – NPV = 3 508,5 - (-1 091,8) = 4 600,3 mln zł
Tablica 3. Analiza wrażliwości wartości opcji wzrostu skali
Table 3. Sensitivity analysis of the growth option
Zmienność
Wartość projektu
brutto
Cena wykonania
Zmienność
Wartość projektu
brutto
Cena wykonania
J.m
%
tys.
zł
tys.
zł
J.m
%
tys.
zł
tys.
zł
Zmienność Wartość projektu brutto Cena wykonania
2014
7. Podsumowanie analiz i wnioski
Realizacja procedury wyceny sekwencyjnej opcji składanej pozwoliła na ocenę potencjału technologii zgazowania
węgla w skali przemysłowej. Ocena procesu wytwarzania
metanolu w małej i średniej skali (produkcja około 400 tys.
Mg metanolu rocznie), wykazała negatywną efektywność mierzoną wartością zaktualizowaną netto (NPV – 1 091,8 mln zł).
W pracy przestawiono całościową koncepcję oceny technologii zgazowania węgla w metodzie opcji rzeczowych. Idea
modelu zakłada wycenę 6 różnych sekwencji opcji.
W zaprezentowanej publikacji ujęto tylko wycenę drugiej sekwencji (opcje oznaczone nr 1 i 5), gdzie paliwem
wsadowym technologii był węgiel kamiennych, a produktem
końcowym metanol.
Wycena sekwencyjnej, składanej opcji (opcja czekania
i opcja wzrostu) pozwoliła osiągnąć następujące rezultaty,
mln zł:
– wartość opcji wzrostu skali
3 465,4;
– wartość sekwencji opcji (czekania i wzrostu skali) 3 508,5;
– wartość elastyczności z tytułu opcji wzrostu skali 4 557,2;
– wartość elastyczności z tytułu sekwencji opcji 4 600,3.
Rezultaty te zostały osiągnięte w konsekwencji:
– 5-krotnego zwiększenia skali produkcji metanolu i w konsekwencji również zwiększenia wykładnika skalującego
„f” z 0,65 do 0,9, co wiąże się z 3,97-krotnym zwiększeniem nakładów inwestycyjnych oraz 4,05-krotnym
wzrostem kosztów operacyjnych w relacji do wariantu
bazowego,
– niewielkiej redukcji zmienności aktywa bazowego opcji
wzrostu skali (13,8 %; vs. 15,7 % PV- scenariusza bazowego),
– 15-letniego okresu istnienia opcji wzrostu skali i 3-letniego
okresu istnienia opcji czekania,
– i w mniejszym stopniu – pozostałych zmiennych modelu
wyceny.
Rezultaty badania wpływu zmienności kluczowych
zmiennych decyzyjnych na oszacowanie XNPV prezentuje
dołączona tab. nr 3.
W postaci graficznej wyniki analizy wrażliwości prezentuje też poniższy wykres (rys. 4).
Zmiana parametrów
-10%
BAZA
10%
0,90
1,00
1,10
0,12
0,14
0,15
-50%
0,50
0,07
-40%
0,60
0,08
-30%
0,70
0,10
-20%
0,80
0,11
20%
1,20
0,17
30%
1,30
0,18
40%
1,40
0,19
6 659,5
7 991,4
9 323,3
10 655,1
11 987,0
13 318,9
3 919,4
4 703,3
5 487,2
6 271,1
7 054,9
7 838,8
-50%
0,50
2 871,9
-40%
0,60
2 943,9
-30%
0,70
3 064,1
103,4
332,5
6 844,0
-50%
-0,50
-18,1
-97,1
95,1
14 650,8
15 982,7
17 314,6
18 646,5
8 622,7
9 406,6
10 190,5
10 974,4
-20%
0,80
3 202,8
Zmiana XNPV, mln zł
-10%
BAZA
10%
0,90
1,00
1,10
3 352,1
3 508,5
3 669,5
20%
1,20
3 833,6
30%
1,30
4 000,0
40%
1,40
4 168,0
50%
1,50
4 350,0
811,5
1 555,0
2 424,8
3 508,5
4 641,1
5 865,9
7 110,6
8 383,9
9 696,6
6 087,4
5 348,7
4 690,2
4 058,4
3 508,5
3 000,1
2 491,9
2 157,0
1 862,0
1 567,3
-40%
-0,40
-16,1
-90,5
73,5
-30%
-0,30
-12,7
-76,9
52,5
-20%
-0,20
-8,7
-55,7
33,7
20%
0,20
9,3
67,2
-29,0
30%
0,30
14,0
102,7
-38,5
40%
0,40
18,8
139,0
-46,9
50%
0,50
24,0
176,4
-55,3
Wrażliwość XNPV, %
-10%
BAZA
10%
-0,10
0,00
0,10
-4,5
0,00
4,6
-30,9
0,00
32,3
15,7
0,00
-14,5
50%
1,50
0,21
19
978,4
11
758,2
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
105
Rys. 4. Graficzna prezentacja wrażliwości XNPV na zmianę kluczowych paramentów opcji wzrostu
skali. Źródło: opracowanie własne
Fig. 4. Graphic presentation of the XNPV sensitivity for changing the key parameters of the growth
option. Source: own study
Najwyższym wpływem na wartość XNPV posiada wartość projektu brutto, w drugiej kolejności cena wykonania
i w stopniu kilkukrotnie niższym − zmienność instrumentu bazowego opcji. Poszczególne krzywe cechuje asymetryczność
względem początku układu współrzędnych, co powoduje, że
– przykładowo wzrost wartości instrumentu bazowego opcji
(PV brutto) o 50 % powoduje wzrost XNPV o blisko 176,4 %,
podczas gdy spadek wartości projektu o 50 % powoduje
spadek XNPV o 97,1 %.
9
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac
rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania
energii”.
14
8. Literatura
17
1
2
3
4
5
6
7
8
Abadie L.M., Chamorro J.M.: Valuation of Energy Investments as Real
Options: The case of an Integrated Gasification Combined Cycle Power
Plant, Energy Economics 30, 2008.
Abadie L.M., Chamorro J.M.: The Economics of Gasification: A MarketBased Approach, Energies 2, 2009.
Copeland T., Antikarov V.: Real Options. A Practitioners Guide, Texere,
LLC New York, 2001.
Cox J.C., Ross S.A., Rubinstein M.: Option Pricing: a Simplified
Approach. Journal of Financial Economics, Vol. 7, No. 3, 1979.
Dias M.A.G.: Stochastic processes, Zasoby internetowe - strona domowa
autora: http://marcoagd.usuarios.rdc.puc-rio.br/
Dias M.A.G.S.: Real Options in Petroleum- An overwiew, Seminar Real
Options in Real Life, MIT/Sloan School of Management, 2003.
Dixit A.K., Pindyck R.S.: Inwestment under Uncertainty, Prinston
Univerisity Press, Princeton, 1993.
Herbelott O.: Option valuation of flexible investments: the case of a
coal gasifier, Massachusetts Institute of Technology, January, 1994.
10
11
12
13
15
16
18
19
21
22
23
24
IHS Chemical Week, 2014: Outlook 2014: Looking forward, http://
www.chemweek.com/lab/Outlook-2014-Looking-forward_57898.html
Instytut Studiów Energetycznych, 2009: Analiza wytwarzania produktów chemicznych z wykorzystaniem gazu syntezowego pozyskiwanego
w oparciu o gaz ziemny. Warszawa.
Jajuga K., Jajuga T.: „Inwestycje”, PWN, Warszawa 2000.
Karcz A., Ściążko M.: Energochemicznie przetwórstwo węgla szansa
dla górnictwa węglowego?, Mat. Konf. Szkoły Eksploatacji Podziemnej,
PAN Kraków, 2006.
Kodukula P., Papudesu Ch.: Project Valuation Using Real Options A
Practitioner’s Guide, J. Ross Publishing, Inc, 2006.
Kopacz M.: Wykorzystanie opcji rzeczowych w wycenie przedsięwzięć
inwestycyjnych w górnictwie, w mat. konf. Międzynarodowej Konferencji
Górnictwa Rud Miedzi, tom 2, 24-26 września, Lubin, 2009.
Laurikka H.: Option Value of Gasification Technology within an
Emissions Trading Scheme, Energy Policy, 34, Issue 18, December.,
2006
Metcalf G.E., Hasset K.A.: Investment under Alternative Return
Assumptions Comparing Random Walks and Mean Reversion, Journal
of Economic Dynamics and Control, vol.19, 1995.
Mun J.: Real Options Analysis – Tolls and Techniques for Valuating
Strategic Investments and Decisions, New Jersey, 2006.
Reedman L., Graham P., Coombes P.: Using a Real Options Approach
to Model Technology Adoption under Carbon Price Uncertainty: An
Application to the Australian Electricity Generation Sector, Economic
Record, 2006a, Vol. 82, No. S1.
Reedman L., Graham P., Coombes P., Vincent D.: Impact of carbon price
uncertainty on investment in selected electricity generation options,
Technology Assessment Report 59, 2006.
Rukes B., Taud R.: Status and perspectives of fossil power generation.
Energy, vol. 29, no. 12–15/2004.
Samis M., Davis G.A., Laughton D., Poulin R.: Valuating Uncertain Asset
Cash Flows when there are no Options, Resources Policy 30, 2006.
Sekar Ch. R.: Carbon Dioxide Capture from Coal-Fired Power Plants: A
Real Options Analysis; Master of Science Dissertation, Massachusetts
Institute of Technology, 2005.
Smeers Y., Bolle L., Squilbin O.: Coal Options: Evaluation of coal-based
power generation in an uncertain context: Final report, OSTC Global
Change and Sustainable Development 1996-2000, Sub-programme 2,
2001.
106
PRZEGLĄD GÓRNICZY
25 Taniewski M.: Chemia gazu syntezowego i ditlenku węgla. Zarys
współczesnych możliwości, Przemysł Chemiczny 91/4, 2012.
26 Teng Y., Han L., Li Ch., Zhao H.: Real option analysis on coal-to-oil
project, Energy Procedia 5, 2011.
27 Trigeorgis L.: Real Options Managerial Flexibility and Strategy in
Resource Allocation, MIT Press, Cambridge, 2000.
28 Uhlenbeck G.E., Ornstein L.S.: On the theory of Brownian Motion,
Phys. Rev. 36, 1930.
2014
29 Upton D.M.: The Management of Manufacturing Flexibility: California
Management Review Vo. 36, 1994.
30 Vanek F.M. Albright L.D.: Energy Systems Engineering,
Evaluation&Implementation, McGraw Hill, 2008
31 Yang M., Blyth W.: Modelling Investment Risks and Uncertainties with
Real Options Approach, Paper Number LTO/2007/WP01, Paris, 2007.
32 Yun T., Baker R.: Analysis of a power plant investment opportunity
under a carbon neutral world, Investment Management and Financial
Innovations, Volume 6, Issue 4, 2009.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
107
UKD 622.333: 622.1:550.8: 622.62-1/-8
Możliwości inżynierii mineralnej w badaniach
nad przygotowaniem węgli do zgazowania naziemnego
w gazogeneratorze fluidalnym
Potential of mineral engineering in coal preparation to ground gasification
in fluidized bed gas generator
dr inż. Tomasz Gawenda*)
dr inż. Damian
Krawczykowski*)
dr hab. Jolanta Marciniak-Kowalska,
prof. AGH*)
Treść: W artykule przedstawiono wyniki badań nad przygotowaniem węgli do procesu zgazowania w gazogeneratorze fluidalnym.
W oparciu o analizy składu ziarnowego i chemicznego węgli wybranych do badań, dokonano analizy efektywności procesów
rozdrabniania w różnych urządzeniach i oceny pracy różnych urządzeń rozdrabniających pod kątem rozkładu parametrów
jakościowych węgl, co umożliwiło dobór urządzeń oraz warunków rozdrabniania i klasyfikacji węgli. Opracowano procedury
optymalizacji produkcji paliwa – węgla przeznaczonego do procesu zgazowania fluidalnego. Przedstawiono innowacyjne rozwiązania układów technologicznych przygotowania węgli (rozdrabniania i wzbogacania węgli) na drodze przeróbki mechanicznej
dla procesu zgazowania węgla w złożu fluidalnym.
Abstract: This paper presents the results of study on coal preparation to gasification process conducted in the fluidized bed gas generator. On the basis of the particle size distribution and chemical composition of coals selected for the research, the analysis
of comminution efficiency was performed for various devices, and the evaluation of their operation was made considering
distribution of coal qualitative parameters. That allowed to select proper devices and conditions for coal comminution and
classification. The procedures of fuel – coal destined to the fluidized gasification process – production optimization were
elaborated. The innovative solutions of technological systems of coal preparation (comminution and beneficiation) were
presented by mechanical processing of coal gasification in the fluidized bed.
Słowa kluczowe:
kruszarki, rozdrabnianie, zgazowanie, wzbogacanie, sucha separacja węgla
Key words:
crushers, comminution, gasification, beneficiation, dry coal separation
1. Wprowadzenie
Współczesne technologie zgazowania węgla, tzw.
technologie III generacji są innowacyjne, co związane jest
z wykorzystaniem np. powstającego w układzie czynnika
zgazowującego CO2 i z intensyfikacją procesu, ale i ze sposobem przygotowania surowca do przeróbki chemicznej w celu
osiągnięcia jego wysokiej reaktywności. Procesy zgazowania
węgla w zależności od przyjętej technologii zgazowania paliwa narzucają sposób przygotowania węgla, np. rozdrobnienie
*) AGH w Krakowie
węgla, oraz charakterystyczne ściśle określone właściwości
fizykochemiczne węgli [17, 18]. W wyniku prac badawczych
prowadzonych w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla
w ramach zadania badawczego „Opracowanie technologii
zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw
i energii elektrycznej” finansowanego przez NCBR w ramach
programu „Zaawansowane technologie pozyskania paliw”,
zostały określone wartości parametrów kluczowych, istotnych
i dodatkowych dla węgla kamiennego i węgla brunatnego.
Zapewnienie i dotrzymanie wartości tych parametrów związane jest także (poza naturalnymi właściwościami geochemicznymi węgla) z przygotowaniem węgla do zgazowania.
108
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2. Znaczenie procesów przeróbczych węgla kamiennego
a wymagania jakościowe węgli wykorzystywanych do
procesu zgazowania
Proces przygotowania musi być optymalny, tzn. należy
uzyskać paliwo o możliwie wysokiej reaktywności (zdolności węgli do przemian termochemicznych w procesie
zgazowania) przy jak najniższych kosztach jego pozyskania
ze złoża i na drodze przeróbki mechanicznej. Na tym etapie
podejmowane są decyzje, w jaki sposób i jakimi metodami
należy realizować operacje przygotowania i wzbogacania
węgla do zgazowania, by spełnione były kryteria ekonomiczne
i jakościowe. Pamiętać też należy, że wartość opałową węgla
kamiennego można podwyższyć w operacjach rozdrabniania i wzbogacania, poprzez usunięcie substancji mineralnej
zewnętrznej, występującej jako oddzielne luźne wtrącenia,
konkrecje, wypełniające spękania. Substancja mineralna
wewnętrzna pochodzi z nieorganicznych substancji roślin
węglotwórczych, tworzy z substancją organiczną węgla homogeniczną mieszaninę i nie może być usunięta za pomocą
działań fizycznych [13]. Wysoka zawartość chloru w węglach
może być pochodzenia naturalnego lub antropogenicznego
– z wód obiegowych procesów wzbogacania. Dlatego też
prowadzono wstępne badania procesu wzbogacania na sucho
węgli przeznaczonych do procesu zgazowania. Obniżenie
zawartości chloru w węglu jest istotne ze względu na wzrost
korozyjności urządzeń wynikających z właściwości chloru [8].
Odsiarczanie węgli kamiennych przed procesem zgazowania można uzyskać poprzez operacje wzbogacania, w których
można usunąć część związków nieorganicznych siarki od
50 do 70 % siarki całkowitej. Natomiast siarki organicznej
zawartej w węglu nie można usunąć z węgla na drodze operacji przeróbczych, w przypadku zgazowania wejdzie ona
w skład powstających gazów procesowych, co jest zjawiskiem
wysoce niekorzystnym [16].
Instalacje układów technologicznych przeróbki mechanicznej rozdrabniania, klasyfikacji czy wzbogacania mają
zastosowanie w procesach przeróbczych różnych kopalin użytecznych. Jakość otrzymywanych produktów zależy głównie
od prawidłowego doboru maszyn i urządzeń współpracujących w instalacji zależnie od rodzaju przerabianego surowca.
Zakładając konkretny proces technologiczny zwykle bierzemy
pod uwagę charakterystyki pracy poszczególnych rodzajów
maszyn, które zależne są między innymi od właściwości
fizyko-mechanicznych surowca oraz wielkości parametrów
konstrukcyjno-eksploatacyjnych maszyn. Okazuje się jednak,
że na uzyskiwanie pożądanych produktów (o najwyższej jakości) wpływ ma także sposób prowadzenia procesu technologicznego (ilość stadiów rozdrabniania, cykle technologiczne,
odsiewanie, sterowanie strumieniami przepływu materiału do
wybranych maszyn itp.) [6].
2014
a największa różnica wzrosła do 20 % w stosunku do węgli
z KWK „Wieczorek”. Natomiast próby węgli kamiennych
dostarczonych w 2013 roku odznaczały się znacznie grubszym
uziarnieniem w klasie 16-40 mm, przy czym uziarnienie węgla poniżej 16 mm wynosiło około 15 % dla próby z KWK
„Janina” i około 5 % dla próby z KWK „Wieczorek”.
Węgle kamienne pochodzące z różnych kopalń mogą
charakteryzować się bardzo zróżnicowanymi właściwościami
fizyko-mechanicznymi (podatność na rozdrabnianie, zwięzłość wg Protodiakonowa, wskaźnik Hardgrove’a itp.), które
należy brać osobno pod uwagę przy projektowaniu układów
technologicznych produkcji określonych frakcji do procesu
zgazowania.
Rys. 1.Dystrybuanty krzywych składu ziarnowego prób węgli
dostarczonych do badań w okresie 2011÷2013 [19]
Fig. 1. Cumulative distribution functions of size composition curves of coal samples supplied for the study in
2011÷2013 [19]
Węgiel brunatny z KWB Pole Szczerców był znacznie
drobniejszy od węgli kamiennych, tj. o uziarnieniu 0-12,5
mm. Dostarczone próby w trzech okresach charakteryzowały się podobnym składem ziarnowym (rys. 1), ale węgiel
dostarczony w drugim półroczu 2013 roku charakteryzował
się uziarnieniem 0-31,5 mm (rys. 2), co świadczy o dużej
zmienności urobku pod względem rozkładu wielkości uziarnienia. Gdyby układ technologiczny przeróbki mechanicznej
węgla miał produkować węgiel do zgazowania w klasie 0-5
mm, to taka duża zmienność wychodów frakcji odsiewanej
na przesiewaczu wstępnym wynosząca co najmniej od 5385% oraz zmiana maksymalnego uziarnienia nadawy będzie
niekorzystnie oddziaływać na stabilność proces rozdrabniania.
W celu stabilizacji procesu przed kruszarką (młynem) muszą
się znajdować zbiorniki buforowe.
3. Analiza składu ziarnowego węgli wybranych do badań
Surowy materiał wykorzystany do badań był dostarczony
przez Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w trzech etapach i pochodził z trzech kopalń, tj: KWK „Janina”, KWK
„Wieczorek”, KWB „Bełchatów” Pole Szczerców. Na rysunku
1 zaprezentowano krzywe składu ziarnowego węgli z trzech
etapów badawczych, tj. 2011 (lipiec), 2012 (kwiecień), 2013
(brunatny – kwiecień, kamienne – wrzesień).
Próby węgli kamiennych z KWK „Janina” i „Wieczorek”
z dwóch etapów badawczych 2012-2013 odznaczały się
podobnym zakresem uziarnienia 0-31,5 mm. Jednak próby
węgli „Janina” różniły się między sobą drobniejszym uziarnieniem ok. 10 % w zakresie klas drobniejszych 0-15 mm,
Rys. 2.Dystrybuanty krzywych składu ziarnowego węgla brunatnego dostarczonego do badań [19]
Fig. 2. Cumulative distribution functions of size composition
curves of brown coal supplied for the study [19]
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
109
4. Analiza efektywności procesów rozdrabniania w różnych urządzeniach
4.1. Dobór urządzeń oraz warunków rozdrabniania
i klasyfikacji
Celem badań doświadczalnych była optymalizacja procesu
rozdrabniania węgli w wybranych kruszarkach (młynach) oraz
ich klasyfikacja w celu przygotowania produktów o wymaganym uziarnieniu do procesu zgazowania prowadzonego
w warunkach laboratoryjnych na Wydziale Paliw i Energii
AGH. Eksperymenty zostały przeprowadzone w laboratoriach:
– Katedry Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców
AGH (kruszarki: szczękowe, walcowa, wirnikowa nożowa
typu Shreder),
– Katedry Systemów Wytwarzania Wydziału Inżynierii
Mechanicznej i Robotyki AGH (kruszarki/młyny: wirnikowa nożowa i wirnikowa młotkowa),
– Firmy SBM Mineral Processing (Laakirchen, Austria)
(kruszarka wirnikowa listwowa).
Główną ideą badań było zbadanie możliwości uzyskiwania
produktów rozdrabniania o uziarnieniu poniżej 2 mm oraz
poniżej 5 mm, z przeznaczeniem do procesu zgazowania
w gazogeneratorze fluidalnym lub, jeżeli zachodziłaby taka
konieczność, do przygotowywania z nich określonych mieszanek o różnych zakresach udziału wąskich klas drobnych.
Do oceny efektów procesów kruszenia i przesiewania
węgla użyto wskaźników technologicznych, takich jak stopnie rozdrobnienia i udziały poszczególnych klas ziarnowych
(wychody), zawartości nadziarna i podziarna [2, 12, 14].
Wszystkie badania składają się z etapów i są kontynuacją
poprzedzonych wcześniejszych badań w poszczególnych
urządzeniach prowadzonych od 2009 roku w ramach projektu
NCBR pt.: „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii”, część tematu
badawczego nr 2.1.2. pt. Badania wzbogacania węgla na
drodze przeróbki mechanicznej”.
Zatem program badawczy obejmował testowanie różnych układów technologicznych rozdrabniania i klasyfikacji
(nadsobnych, posobnych, mieszanych, megaukładów wielostadialnych, jednostadialnych, otwartych i zamkniętych)
z wykorzystaniem różnych rodzajów kruszarek i młynów.
Problematyka badawcza obejmowała zakres badań podstawowych (wstępnych) oraz zaawansowanych. Na podstawie
wstępnych badań został wytypowany najkorzystniejszy układ
technologiczny z zawrotem materiału zgodnie z schematem
zaprezentowanym na rysunku 3.
4.2. Tematyka badawcza oraz najważniejsze wnioski
Procesy badawcze w głównej mierze dotyczyły optymalizacji procesu kruszenia i klasyfikacji węgli do procesu
zgazowania przy użyciu wspomnianych maszyn rozdrabniających [7, 11, 19].
Analizując cały zakres badawczy dla wszystkich rodzajów
kruszarek warto podkreślić, że przy doborze urządzeń rozdrabniających w warunkach przemysłowych należy kierować się
następującymi zasadami:
– do rozdrabniania węgli kamiennych korzystniej jest wykorzystywać elementarne działania kruszące, takie jak udar
w połączeniu ze zgniataniem i niewielkim ścieraniem, np.
kruszarki udarowe młotkowe lub kombinowane (młotkowo-walcowe)
– ścinanie korzystnie jest stosować dla węgla brunatnego
(suchego lub wilgotnego), który może być nawet włóknisty, a więc korzystniej jest zastosować kruszarkę wirni-
Rys. 3.Schemat przygotowania węgla do zgazowania (opracowanie własne)
Fig. 3. Scheme of coal preparation for gasification (own elaboration)
kową nożową, ponieważ uzyskuje się w niej największy
stopień rozdrobnienia i wychód klasy drobnej,
– kruszarki szczękowe w warunkach przemysłowych przy
produkcji drobnoziarnistych węgli mogą być nieefektywne
ze względu na układ kinematyczny elementów roboczych
co będzie się wiązało z nieefektywnym rozdrabnianiem
(duży zawrót węgla w obiegu zamkniętym). Kruszarki
szczękowe nie nadają się do rozdrabniania wilgotnych
materiałów oraz miękkich i włóknistych, jak węgiel brunatny.
Oceniając proces klasyfikacji sitowej należy zwrócić
uwagę na występowanie zwiększonej ilości podziarna w drobnych klasach, które jest związane z trudnością niedosiewania
się materiału na sitach o małych rozmiarach oczek, co jest
powszechnym problemem procesu klasyfikacji. Natomiast
interesującym zjawiskiem są duże różnice podziarna, jakie
się uzyskuje dla materiałów przesiewanych na tym samym
sicie, ale pochodzących z różnych procesów rozdrabniania.
Okazuje się, że węgiel po kruszarkach walcowych przesiewa
się najgorzej i jest to związane z kształtem uzyskiwanych
ziarn. Podobne zależności uzyskiwano dla miękkiego wapienia jurajskiego, gdzie badano rozkład kształtów ziaren
wg klasyfikacji Zingga uzyskanych w analizatorze AWK 3D.
Warto zatem zwrócić uwagę na to, że produkty po kruszarkach walcowych będą dominować w ziarna nieforemne
(dyski, walce, klingi). Ziarna płaskie mają większą podatność
na rozdrabnianie niż foremne, dlatego należy wziąć pod uwagę, że produkty bogate w takie ziarna będą ulegać znacznemu
samorozdrobnieniu (degradacji) w trakcie przesypów i transportu paliwa do procesu zgazowania.
W badaniach zaawansowanych szczególną uwagę poświęcono najkorzystniejszym urządzeniom i najbardziej
przydatnym w procesie przygotowania węgla do procesu
zgazowania. Badania dotyczyły:
– wpływu wilgotności węgla brunatnego na efekty rozdrabniania w kruszarce wirnikowej nożowej typu Shreder oraz
młynach wirnikowych nożowych i młotkowych,
– badania wpływu prędkości obrotowej elementów roboczych na efekty rozdrabniania węgla brunatnego
w młynach wirnikowych nożowych oraz młotkowych,
110
PRZEGLĄD GÓRNICZY
– efektów rozdrabniania węgla kamiennego w młynie wirnikowym młotkowym.
Zgodnie z prezentowanymi w literaturze [4, 5] badaniami
do rozdrabniania węgli brunatnych a zwłaszcza surowców
włóknistych (słoma) wykorzystuje się kruszarki (młyny)
wirnikowe młotkowe lub wirnikowe wyposażone w wał
wielonożowy gwarantujący rozdrobnienie, co najmniej o rząd
wielkości większe niż w innych kruszarkach. Rozdrobnienie
struktur włóknistych węgla brunatnego, słomy czy drewna
wymaga użycia maszyn wyposażonych w zestawy wielonożowe pozwalające na rozdrabnianie surowca do rozmiarów
poniżej kilku mm w procesie cięcia swobodnego, który gwarantuje dużą wydajność procesu rozdrabniania w urządzeniach
o niewielkich gabarytach.
Procesom rozdrabniania w młynie nożowym został poddany węgiel brunatny o nadawie 2-20 mm o wilgotnościach
15, 20, 25, 30 % oraz naturalnej wilgotności 46 % w celu uzyskania produktu 0-2 mm oraz węgiel brunatny o nadawie 5-20
mm o tych samych, wcześniej wymienionych, wilgotnościach
w celu uzyskania produktu 0-5 mm. Wydzielone wąskie klasy
po analizach składu ziarnowego zostały poddane analizom
chemicznym.
Również w młynie młotkowym procesom rozdrabniania
zostały poddane próby węgla brunatnego o nadawie 5-20
mm o podobnych parametrach wilgotności jak dla młyna
nożowego, aby uzyskać produkt 0-5 mm.
Największym uzyskiem (wychodem) klas poniżej 1 mm
i 2 mm odznaczała się próba węgla o wilgotności naturalnej
(46 %), która osiągnęła odpowiednio około 80 i 100 % wychodu przy ruszcie młyna nożowego 2 mm. Oznacza to, że
taki węgiel brunatny najlepiej się rozdrabnia w młynie nożowym w zakresie przygotowywania materiału do zgazowania
o drobnym uziarnieniu do 2 mm. Podobne efekty uzyskano
dla kruszarki wirnikowej nożowej typu Shreder we wcześniejszych badaniach (2012 rok) [6].
Dla obu rodzajów młynów z rusztem 5 mm wychody (uzyski) <5 mm uzyskano na poziomie prawie 100 % dla wszystkich prób węgla o wilgotności naturalnej (złożowej). Dla
pozostałych wilgotnych prób 15÷30 % wychody są podobne
i przekraczają wartość 80 %, przy czym dla młyna młotkowego wartość ta była największa (85 %) (tablica 1).
Stwierdzono, że wilgotność w badanym przedziale
15÷30 % nie wpływa tak znacząco na efekty rozdrabniania
przy produkcji klasy 0-5 mm, jak przy produkcji klasy 0-2 mm,
ale taki węgiel gorzej się rozdrabnia niż węgiel z wilgotnością
naturalną złożową. Dlatego w procesie przeróbki mechanicznej węgla należałoby składować urobek na placu zadaszonym
w celu ochrony przed zawodnieniem. Także suszenie węgla
w procesie wstępnym przed procesami przesiewania i rozdrabniania jest ekonomicznie i technologicznie nieuzasadnione.
Porównując wyniki analiz z próbami węgli brunatnych
rozdrabnianych w młynie nożowym i młotkowym w tych
samych warunkach (prędkość 2500 obr/min, wielkość rusztu
5 mm i uziarnienie nadawy 5-20 mm) należy podkreślić, że
oba młyny pracują podobnie, ale ze względu na wysoką zmien-
2014
ność wielkości uziarnienia nadawy węgla oraz wilgotność
kruszarki (młyny) młotkowe utrzymywałaby stabilniejszy
proces rozdrabniania (tabl. 1).
W przeprowadzonych testach rozdrabniania wykonano
także badania wpływu prędkości obrotowej wirnika młyna
nożowego i młotkowego na efekty rozdrabniania. Liczby
obrotowe wirnika obu młynów wynosiły 1500, 2500 i 3500
na minutę, natomiast biorąc pod uwagę większą przydatność
zastosowania młyna nożowego do produkcji klasy 0-2 mm,
a młyna młotkowego dla klasy grubszej 0-5 mm, zastosowano
w tych młynach ruszta o rozmiarach oczek odpowiednio 2 mm
dla noży i 5 mm dla młotków.
Na rysunku 4 przykładowo zestawiono krzywe składu
ziarnowego węgla brunatnego rozdrabnianego przy różnych
prędkościach obrotowych wirnika w młynie młotkowym.
Rys. 4.Dystrybuanty krzywych składu ziarnowego produktów
węgla brunatnego „Szczerców” uzyskanych po rozdrobnieniu w młynie młotkowym o różnych liczbach obrotowych wirnika [19]
Fig. 4. Cumulative distribution functions of size composition
curves of brown coal products “Szczerców” obtained
after comminution in a beater mill with different numbers of rotor revolution [19]
Na rysunku 5 zaprezentowano krzywe składu ziarnowego
produktów węgli kamiennych z KWK „Janina” i „Wieczorek”
rozdrobnionych w młynie młotkowym przy liczbie 2500 obr/
min.
Węgiel kamienny jako twardszy surowiec od węgla
brunatnego cechuje się nieco większym ziarnem maksymalnym dochodzącym do 12 mm oraz paru procentową różnicą
udziałów wychodów poszczególnych klas. Na rysunku 6 zestawiono porównanie stopni rozdrobnienia dla węgli kamiennych i brunatnego uzyskanych przy liczbie obrotowej 2500.
Okazuje się, że 90-procentowy stopień rozdrobnienia dla węgli
kamiennych, który wyniósł około 3 jest niższy od stopnia
rozdrobnienia dla węgla brunatnego (około 8), natomiast
10-procentowe stopnie rozdrobnienia dla węgli kamiennych
są większe i wynoszą około 25 a dla węgla brunatnego 19.
Z tego wynika, że węgiel kamienny może ulegać łatwiej nadmiernemu przekruszeniu (pyleniu) w drobniejszych klasach
ziarnowych. Dlatego nasuwa się bardzo istotny wniosek, że
Tablica 1. Zestawienie efektów rozdrabniania węgla brunatnego w różnych urządzeniach [19]
Table 1. Summary of results of brown coal comminution in different devices [19]
Kruszarka/młyn
Produkt, mm
shreder
nożowy
nożowy
młotkowy
0-2
0-2
0-5
0-5
S10
56
27
28
Wilgotność naturalna 46%
uzysk
S90
<2 mm, %
10
100
6
89
6
89
Wilgotność 30%
S10
S90
5
5
14
20
4
4
5
6
uzysk
<2 mm, %
50
51
81
85
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 5. Charakterystyka składu ziarnowego produktów węgli
kamiennych z KWK „Janina” i „Wieczorek” rozdrobnionych w młynie młotkowym przy liczbie 2500 obr/min [19]
Fig. 5. Characteristics of size composition of hard coal products from “Janina” and “Wieczorek” coal mines crushed in a beater mill by 2500 rpm [19]
regulacja zmiany prędkości obrotowej w młynach przemysłowych będzie stanowić ważny parametr optymalizacji procesu
rozdrabniania węgli kamiennych i brunatnych. Sterowanie
prędkością obrotową pozwoli dostosować proces rozdrabniania do zmienności uziarnienia nadawy, stworzy możliwość
sterowania zawrotem materiału w odpowiedniej ilości, tak aby
nie przekruszyć zanadto węgla oraz umożliwić efektywniejsze
podsuszenie węgla.
Przykładowo zmniejszając prędkość obrotową wirnika
można zwiększyć zawrót produktów do ponownego rozdrabniania, a więc dopasować rozkład uziarnienia materiału
do potrzeb tworzenia mieszanek do procesu zgazowania.
W warunkach przemysłowych operacja procesu rozdrabniania
w wybranych urządzeniach rozdrabniających wirnikowych
powinna być zoptymalizowana za pomocą testów doświadczalnych.
4.3. Procedura optymalizacji produkcji węgla przeznaczonego do procesu zgazowania fluidalnego
Celem założeń procedury badań jest sposób optymalizacji
uzyskiwania produktów węgla kamiennego i brunatnego przeznaczonych do zgazowania fluidalnego, tak aby nie produkować nadmiernej ilości pyłów mających wpływ na niewłaściwy
proces zgazowania oraz możliwość wystąpienia wybuchu.
Procedura badań powinna uwzględniać przeprowadzenie
testów w wytypowanym urządzeniu, które ma być stosowane
zgodnie z przyjętymi kartami technologii [9]. Najczęściej takie
procedury ustalają producenci maszyn i technologii wg własnej wiedzy, jednakże w ramach szerszych badań na życzenie
klienta mogą uwzględnić dodatkowe procedury. Dopuszcza
się przeprowadzenie procedury badań dla kruszarek innych
Rys. 6.Stopnie rozdrobnienia dla węgli kamiennych i brunatnego [19]
Fig. 6. Fineness of hard and brown coals [19]
111
firm o podobnym działaniu i budowie, jeżeli takie urządzenia
miałyby być alternatywnie stosowane lub porównywane.
W kartach technologii została wytypowana kruszarka
młotkowa dwuwirnikowa typu NOVOROTOR II (zwana
przez producenta Hazemag młynem młotkowym). Kruszarka
posiada możliwość regulacji prędkości obrotowej obu wirników oraz wielkości szczeliny wylotowej rusztu.
Ze znanych testów pilotażowych oraz badań przemysłowych wynika, że zmienne parametry pracy kruszarki
pozwalają dostosować urządzenie do jakości wymaganych
produktów i właściwości fizyko-mechanicznych surowca.
W przypadku rozdrabniania węgla przy ruszcie 6 mm i prędkości obrotowej 30÷40 1/min, 90 % produktu będzie się mieścić
w przedziale uziarnienia 0-5 mm, co oznacza, że do zawrotu będzie zawracane co najmniej około 10 % produktu nadsitowego
w klasie 5-7 mm. W uzyskanym produkcie 0-5 mm będzie się
znajdować około 15 % pyłów <0,5 mm i około 2÷4 % pyłów
<0,1 mm. W przypadku optymalizacji procesu rozdrabniania
i zwiększenia rozkładu uziarnienia w zakresie grubszych
ziaren można zmniejszyć prędkość obrotową wirników do
25 1/min i dokonać zwiększenia zawrotu niedokruszonego
materiału.
Procedura badań eliminacji nadmiernej ilości ziaren drobnych produktów rozdrabniania węgla uwzględnia następujące
czynności:
1. przygotowanie odpowiedniej ilości prób reprezentatywnej nadawy o masach po ok. 100 kg o znanym składzie
granulometrycznym (ewentualnie kształcie ziaren);
2. wykonanie testów rozdrabniania przy minimalnej prędkości obrotowej wirnika (25 1/min) przy różnych wielkościach oczek rusztu (3, 4, 5, 6 mm) wraz z klasyfikacją
produktów przy ziarnie podziałowym 5 mm w układzie
zamkniętym;
3. wykonanie analiz granulometrycznych produktów (ewentualnie kształtu ziaren);
4. obliczenie wielkości zawrotu produktu (tj. ustalenie ilości
krążącego węgla w obiegu kruszarka-klasyfikator co ma
związek z przerobem, czyli wydajnością układu);
5. ustalenie wielkości rozkładu uziarnienia produktu zwłaszcza pyłów poniżej 0,1 mm;
6. kolejne wykonanie cyklów testów rozdrabniania przy
zwiększonej prędkości obrotowej wirnika (większej niż
25 1/min) przy różnych wielkościach oczek rusztu (3,
4, 5, 6 mm) wraz z klasyfikacją produktów przy ziarnie
podziałowym 5 mm w układzie zamkniętym;
7. ustalenie zależności wychodów produktów poniżej 0,1
mm od zmiany prędkości obrotowej wirników i wielkości
oczka rusztu.
8. ewentualnie ustalenie zależności kształtu ziaren w rozkładzie uziarnienia np. wg klasyfikacji Zingga od zmiany
prędkości obrotowej wirników i wielkości oczka rusztu.
Dalsze postępowanie związane z dostarczeniem produktów
węglowych do gazogeneratora powinno uwzględniać rodzaj
transportu stosowanego w instancji zgazowującej łącznie ze
sposobem podawania mieszanki węglowej. Procedura badań
powinna uwzględniać zmianę destrukcji ziaren wywołanych
czynnikami mechanicznymi występującymi podczas transportu (np. mechanicznego, pneumatycznego, hydraulicznego) na
skutek tarcia, zgniatania ziaren, przesypywania itp. W ocenie
należy uwzględnić przyrost pyłów po przetransportowaniu
węgla w odniesieniu do stanu pierwotnego przed transportem,
czyli produktu wyjściowego z instalacji technologicznej rozdrabniania i klasyfikacji.
Warto uwzględnić także w ocenie destrukcji wielkości
uziarnienia produktów kształt ziaren, który ma kluczowy
wpływ na wytrzymałość.
112
PRZEGLĄD GÓRNICZY
5. Ocena pracy różnych urządzeń rozdrabniających pod
kątem rozkładu parametrów jakościowych badanych
węgli
W niniejszym rozdziale oceniono przydatność badanych
kruszarek do produkcji wysokoreaktywnych węgli w zakresie
uziarnienia poniżej 2 mm na drodze selektywnego ich rozdrabniania, przeznaczonych do zgazowania w ciśnieniowym
reaktorze ze złożem fluidalnym.
Badania nad wzrostem reaktywności węgli energetycznych
pochodzących z ZG „Janina” i ZG „Wieczorek” oraz węgla
brunatnego ze złoża Szczerców, na drodze selektywnego
ich kruszenia realizowano w kruszarkach laboratoryjnych:
szczękowej, walcowej, wirnikowej nożowej typu Shreder
oraz udarowej listwowej SBM. Reaktywność węgli oceniano
poprzez wyniki analiz elementarnych wąskich klas ziarnowych produktów kruszenia. Analizowano w nich zawartość
popiołu, siarki, azotu, wodoru, węgla oraz ciepło spalania.
Wyniki analiz podano w tablicy 2.
Do pełnej oceny pracy kruszarek pod kątem ich przydatności do produkcji węgla w określonych klasach ziarnowych
o odpowiednich parametrach jakościowych wykorzystano
wskaźnik uzysku parametrów jakościowych węgli. Wyniki
przedstawiono w postaci graficznej na rysunkach 7, 8, 9.
2014
Szczegółowa analiza wyników z analiz chemicznych, technicznych i elementarnych badanych węgli w wąskich klasach
ziarnowych oraz ich ocena statystyczna pozwala wyciągnąć
następujące wnioski:
- węgiel z KWK „Janina” jest najsilniej zasiarczony szczególnie po uwolnieniu najpewniej ziaren pirytu w procesie
kruszenia w klasie 0-0,125 mm,
- w węglu kamiennym z KWK „Wieczorek” i brunatnym ze
złoża Szczerców” obserwowany jest równomierny rozkład
zawartości siarki w wąskich klasach ziarnowych,
- podczas kruszenia węgli kamiennych substancja mineralna
koncentruje się w najdrobniejszych klasach ziarnowych,
- podczas kruszenia węgli brunatnych substancja mineralna
koncentruje się równomiernie w poszczególnych klasach
ziarnowych,
- podczas selektywnego kruszenia węgli do uziarnienia < 2 mm
zdecydowanie najwyższe uzyski popiołu osiągane są w klasie
najgrubszej (0,5÷2 mm) – średnio e = 65,7 %, a najniższe
w klasie najdrobniejszej (0÷0,125 mm) – średnio e = 12,5 %,
- podczas selektywnego kruszenia węgli do uziarnienia <
2 mm zdecydowanie najwyższe uzyski siarki osiągane są
w klasie najgrubszej (0,5÷1 mm) – średnio e = 67,7 %,
a najniższe w klasie najdrobniejszej (0÷0,125 mm) –
średnio e = 10,6 %,
Rys. 7.Wyniki uzysków popiołu w klasach ziarnowych dla węgli z poszczególnych kruszarek (opracowanie własne)
Fig. 7. Results of ash output in size grade for coal from particular crushers (own elaboration)
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
113
Tablica 2. Wybrane parametry ilościowo-jakościowe węgli po rozdrobnieniu w poszczególnych klasach ziarnowych (opracowanie
własne)
Table 2. Selected quantitative and qualitative parameters of coals after comminution in particular size grades (own elaboration)
Węgiel
Kruszarka
ZG „Janina”
Szczękowa
ZG „Janina”
Walcowa
ZG „Janina”
Listwowa SBM
ZG „Janina”
Nożowa Shreder
ZG „Wieczorek”
Szczękowa
ZG „Wieczorek”
Walcowa
ZG „Wieczorek”
Listwowa SBM
ZG „Wieczorek”
Nożowa Shreder
Złoże Szczerców
Szczękowa
Złoże Szczerców
Walcowa
Złoże Szczerców
Listwowa SBM
Złoże Szczerców
Nożowa Shreder
klasy
ziarnowe,
mm
Wychód,%
Popiół,%
Siarka,%
Azot,%
Węgiel,%
Wodór,%
Ciepło
spalania
kJ/kg
(0-0,125)
8,2
25
2,36
0,78
50
2,94
19545
(0,125-0,5)
15,5
14,1
2,02
0,94
57,6
3,42
22651
(0,5-2)
76,2
10,3
1,44
0,94
60,1
3,81
23695
(0-2)
100,0
12,10
1,61
0,93
58,88
3,68
23191
(0-0,125)
4,9
29,2
2,41
0,63
47,1
2,78
18290
(0,125-0,5)
16,9
16,5
1,5
0,9
55,4
3,33
21744
(0,5-2)
78,2
11,2
1,27
0,97
59,6
3,61
23513
(0-2)
100,0
12,98
1,36
0,94
58,28
3,52
22958
(0-0,125)
7,0
19,64
2,71
0,82
51,8
3,34
20609
(0,125-0,5)
25,3
10,72
1,8
0,94
58,9
3,92
23736
(0,5-2)
67,7
11,57
1,35
0,97
59,8
4,06
24019
(0-2)
100,0
11,92
1,56
0,95
59,01
3,97
23708
(0-0,125)
9,3
25,1
1,97
0,9
50,8
3,12
19844
(0,125-0,5)
20,4
17,6
1,5
0,91
54,8
3,25
21730
(0,5-2)
70,2
12
1,17
1,03
58,9
3,66
23395
(0-2)
100,0
14,37
1,31
0,99
57,31
3,53
22723
(0-0,125)
7,6
16,1
0,5
1,17
66,9
4,07
26872
(0,125-0,5)
18,1
8,8
0,43
1,47
73,6
4,57
29874
(0,5-2)
74,3
8,2
0,42
1,48
74,7
4,54
30236
29914
(0-2)
100,0
8,91
0,43
1,45
73,91
4,51
(0-0,125)
7,0
17,9
0,47
1,24
65,2
3,71
26280
(0,125-0,5)
19,7
12,8
0,44
1,35
69,9
4,3
28599
(0,5-2)
73,3
9,6
0,38
1,44
72,9
4,63
29732
(0-2)
100,0
10,81
0,40
1,41
71,77
4,50
29267
(0-0,125)
8,9
15,63
0,6
1,27
68,8
4,07
26840
(0,125-0,5)
26,4
8,9
0,5
1,46
75,9
4,86
30075
(0,5-2)
64,7
10,38
0,48
1,44
74,6
4,86
29790
(0-2)
100,0
10,46
0,50
1,43
74,42
4,79
29602
(0-0,125)
13,2
20,6
0,47
1,12
62,6
3,65
25070
(0,125-0,5)
18,3
14,1
0,43
1,26
68,7
4,22
27982
(0,5-2)
68,5
10,4
0,38
1,37
72,2
4,48
29636
(0-2)
100,0
12,42
0,40
1,32
70,29
4,32
28731
(0-0,125)
8,5
19,4
0,78
0,47
41,44
3,12
16249
(0,125-0,5)
16,3
19,5
0,74
0,4
41,41
3,07
15968
(0,5-2)
75,1
18
0,75
0,37
42,36
3,13
16416
(0-2)
100,0
18,36
0,75
0,38
42,13
3,12
16329
(0-0,125)
4,4
18,90
0,89
0,45
51,09
3,68
20399
(0,125-0,5)
21,5
19,35
0,81
0,48
45,08
3,29
17879
(0,5-2)
74,0
20,70
0,78
0,42
41,57
3,23
16313
(0-2)
100,0
20,33
0,79
0,43
42,75
3,26
16831
(0-0,125)
6,9
20,25
0,84
0,65
43,7
3,15
16649
(0,125-0,5)
20,3
20,43
0,78
0,56
41,7
3,48
15984
(0,5-2)
72,8
19,04
0,8
0,54
42,2
3,38
16220
(0-2)
100,0
19,41
0,80
0,55
42,20
3,38
16202
16986
(0-0,125)
16,7
21
0,86
0,31
43,00
3,36
(0,125-0,5)
24,6
20,7
0,81
0,33
43,11
3,4
17158
(0,5-2)
58,7
18,7
0,83
0,34
44,52
3,61
17618
(0-2)
100,0
19,58
0,83
0,33
43,92
3,52
17400
114
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 8.Wyniki uzysków siarki całkowitej w klasach ziarnowych dla węgli z poszczególnych kruszarek (opracowanie własne)
Fig. 8. Results of total sulfur output in size grades for coal from particular crushers (own
elaboration)
- porównując pracę badanych kruszarek pod kątem rozkładu
substancji mineralnej w klasach ziarnowych można stwierdzić, że w klasie najdrobniejszej najwyższe uzyski popiołu
i siarki oraz pierwiastków energotwórczych osiąga się w
kruszarce nożowej; w klasie pośredniej w kruszarce SBM,
(szczególnie wysokie wartości uzysku siarki), natomiast
dla klasy najgrubszej najwyższe wartości uzysków daje
kruszarka szczękowa wraz z walcową, a zdecydowanie
najniższe kruszarka nożowa.
- pod względem uwalniania skały płonnej oraz siarki z węgli
najbardziej stabilnie w całym zakresie uziarnienia pracuje
kruszarka nożowa,
- w zakresie uzysków pierwiastków energotwórczych
wysoką stabilnością pracy charakteryzuje się kruszarka
szczękowa.
6. Innowacyjne rozwiązanie układów technologicznych
przygotowania węgli na drodze przeróbki mechanicznej dla procesu zgazowania ze złożem fluidalnym
6.1. Technologia rozdrabniania i klasyfikacji
Technologia przygotowania węgla na drodze przeróbki
mechanicznej do procesu zgazowania opiera się na wykorzy-
staniu nowych rozwiązań technologicznych znanych dłużej
niż 3 lata, ale o rozprzestrzenieniu mniejszym niż 15 % na
świecie i w Polsce.
Zasadniczym elementem inwestycyjnym omawianej instalacji jest obiekt wyposażony w urządzenie do rozdrabniania,
suszenia i klasyfikacji przerabianych produktów. Jednym
z głównych elementów tej instalacji jest nowoczesna kruszarka młotkowa dwuwirnikowa typu NOVOROTOR II, której
każdy wirnik napędzany jest osobnym silnikiem a poprzez
zainstalowanie falowników możliwa jest ciągła bezstopniowa
regulacja ich prędkości obrotowej w zakresie 25÷55 1/min.
Drugim parametrem, który można zmieniać w tej kruszarce to
wielkość szczeliny wylotowej rusztu z zakresie od 2÷6 mm.
Zmienne parametry pracy kruszarki pozwalają dostosować
urządzenie do jakości wymaganych produktów i właściwości
fizyko-mechanicznych surowca [21].
Innowacyjność instalacji polega na sposobie prowadzenia
procesu rozdrabniania. Znamienną cechą elementarnego procesu kruszenia jest udar elementami roboczymi kruszarki, tj.
młotkami o rozdrabniany materiał, następnie udar i ścieranie
materiału o płyty odbojowe kruszarki oraz dodatkowy wzajemny udar i ścieranie się materiału o siebie. W wyniku procesu rozdrabniania energia mechaniczna kruszenia zużywana
jest na likwidację oddziaływań międzycząsteczkowych ziarn,
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
115
Rys. 9.Uśrednione wyniki uzysków azotu, węgla, wodoru, ciepła spalania w klasach
ziarnowych dla węgli z poszczególnych kruszarek (opracowanie własne)
Fig. 9. Averaging results of output of nitrogen, coal, hydrogen, heating of combustion
in size grades for coal from particular crushers (own elaboration)
gdzie następuje rozpad skały na drobne cząstki (pyły) oraz
zamiana energii mechanicznej na ciepło, które jest spożytkowane. W takiej kruszarce to zjawisko mechanicznej aktywacji
jest bardzo korzystne, gdyż w jej gardzieli następuje proces
suszenia poprzez wprowadzanie gazów suszących o temp.
do 700 oC wytwarzanych w generatorze gorących gazów.
Temu zjawisku towarzyszy także mieszanie się materiału (ze
względu na zawrót z klasyfikatora pneumatycznego grubszego produktu) wraz z wprowadzaną nową porcją surowca do
kruszarki, dzięki czemu uzyskuje się produkty jednorodne
wskutek tarcia i zderzeń ziaren i mieszania się ziaren węgla.
Materiał po uzyskaniu odpowiednich wymiarów opuszcza
kruszarkę przez ruszt i kierowany jest do klasyfikacji pneumatycznej.
Innowacyjna kruszarka udarowa krusząco-susząca dwuwirnikowa Novorotor II w Polsce do rozdrabniania węgla
kamiennego czy brunatnego nie została jeszcze wykorzystana,
natomiast jest używana do produkcji mączek wapiennych.
Jedną z najistotniejszych zalet kruszarki młotkowej jest
jej bardzo niska energochłonność. Producent Hazemag&EPR
podaje, że dla rozdrabniania węgla kamiennego zużycie energii wynosi 3÷4 kWh/Mg, a dla węgla brunatnego 4÷8 kWh/
Mg [15], co przy rozdrabnianiu węgla w młynach pionowych
wentylatorowych lub misowo-kulowych jest o połowę niższa.
Opis układu technologicznego został przedstawiony
w Kartach technologii [9,19] przygotowania węgla brunatnego
i kamiennego o uziarnieniu 0(0,5)-5 mm na drodze przeróbki
mechanicznej dla procesu zgazowania ze złożem fluidalnym.
Przykładowy układ technologiczny procesu rozdrabniania
i klasyfikacji dla węgla kamiennego zaprezentowano na rysunku 10. Podstawową charakterystykę instalacji przedstawiono
w tablicy 3
6. Technologia wzbogacania na sucho węgla kamiennego
W pracy [19] omówiono trzy metody wzbogacania
surowego urobku węglowego bez użycia wody. Pierwszą
z dostępnych metod jest prowadzenie procesu na stole koncentracyjnym pneumatycznym typu FGX-1. Takie urządzenie zostało zakupione od producenta chińskiego Tangshan
Shenzou Machinery Co. Ltd. przez Instytut Mechanizacji
Budownictwa i Górnictwa Skalnego dla swego Oddziału
Zamiejscowego Centrum Gospodarki Odpadami i Zarządzania
Środowiskowego w Katowicach. Badania Instytutu pozwoliły
zdobyć doświadczenie w prowadzeniu procesu rozdziału
oraz opracować metodykę badawczą dla optymalnego odzysku frakcji kamiennych z urobku węglowego. Przykładowo
116
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 10. Schemat blokowy technologii przygotowania węgla kamiennego o uziarnieniu
<5 mm do procesu zgazowania [19]
Fig. 10. Block diagram of the preparation technology of hard coal with graining < 5 to
the gasification process [19]
Tablica 3. Charakterystyka instalacji rozdrabniania i klasyfikacji dla węgla brunatnego i kamiennego [9]
Table 3. Characteristics of comminution system and classification of hard and brown coal
Parametry
Koszt orientacyjny inwestycji, zł
Zużycie energii całej instalacji, kWh/Mg
Koszty eksploatacyjne instalacji (energia + elementy robocze), zł/Mg
Koszty zużycia oleju opałowego, zł/Mg
Razem koszty eksploatacyjne całej instalacji, zł/Mg
Powierzchnia zabudowy całej instalacji, m2
Uziarnienie nadawy, mm
Wilgotność całkowita nadawy, %
Ciepło spalania, MJ/kg
Podatność przemiałowa Hardgrovea
Zawartość popiołu, %
Zawartość siarki, %
Uziarnienie produktu, mm
Wilgotność całkowita produktu, %
na próbie pochodzącej z jednego z zakładów górniczych
o uziarnieniu 8-25 mm wychód koncentratu węgla wyniósł
ok. 84 % przy zawartości popiołu w koncentracie około 25 %
i 84 % w odpadach (tabl. 4) [1,3].
Tablica 4. Wyniki analizy odkamieniania węgla surowego na
stole pneumatycznym FGX-1 [1, 3, 19]
Table 4. Analysis results of raw coal descaling on the FGX-1
dry separator [1, 3, 19]
Wychód, %
Zawartość popiołu, %
Nadawa
100
39,5
Koncentrat
84
25
Odpad*
14
84
*) bilans nie uwzględnia analizy produktu przejściowego
*) the balance does not include the analysis of in-process materials
Węgiel brunatny
54 567 000
23,9
8,8
291,0
299,8
500
0-31,5
51
8,1
11,6
<1,1
0(0,5)-5
<4
Węgiel kamienny
40 815 000
9,0
3,5
62,5
66,0
500
0-40
16-22
21,5-22
53
3-9
<1,2
0(0,5)-5
<4
Druga metoda odkamieniania surowego urobku węglowego w kruszarce bębnowej Bradford, która znana jest od
lat, może być rozwiązaniem alternatywnym dla grubego
uziarnienia urobku stosowana na dole kopalni.
Na uwagę zasługuje trzecia metoda odkamieniania.
Firma Comex Polska, która opracowała innowacyjny system
suchej separacji surowego urobku węglowego w separatorze
z systemem sortującym typu CXR opartym na analizie rentgenowskiej przeprowadziła testy w skali półtechnicznej między innymi na węglu z KWK „Ziemowit”, a także na węglu
z KWK „Wieczorek” o uziarnieniu 8-50 mm na zlecenie AGH
w ramach zadania badawczego dotyczącego przygotowania
węgla do procesu zgazowania w gazogeneratorze fluidalnym.
Wyniki rozdziału zaprezentowano w tablicy 5. Pomijając
klasę ziarnową poniżej 8 mm, materiał został podzielony
na produkt (koncentrat) i odpad w stosunku odpowiednio
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
93,4 % i 6,6 %. Proces separacji zapewnił uzysk koncentratu
na poziomie około 72 %, przy możliwie osiąganej wydajności
od 25-40 Mg/h [20].
W pracy [10] badano także proces separacji węgla pochodzącego z KWK „Sobieski”. Dla klasy ziarnowej 8-10
mm uzyskano 76 % koncentrat o zawartości popiołu 16 %
a dla klasy ziarnowej 20-120 mm uzyskano 97 % koncentrat
węglowy o zawartości popiołu 0,3 %.
Tablica 5. Wyniki analizy separacji węgla surowego z KWK
„Wieczorek” w separatorze CXR-1000 [19]
Table 5. Results of raw coal separation analysis at “Wieczorek”
mine in the separator CXR-1000 [19]
Nadawa
Koncentrat
Odpad
Wychód, %
100
93,4
6,6
Zawartość popiołu, %
11,6
9,5
42,5
Urządzenie składa się z układu podającego nadawę
o możliwym zakresie uziarnienia od 8 do 300 mm, zaawansowanego układu analizy oraz układu odrzucającego.
Nadawa rozprowadzana jest na przenośniku wibracyjnym
oraz równomiernie przekazywana na przenośnik taśmowy.
Na przenośniku taśmowym następuje analiza obrazu oparta
na promieniowaniu rentgenowskim. Następnie materiał poddawany jest analizie optycznej przy wylocie z taśmociągu. Na
podstawie kompleksowej analizy rentgenowskiej i optycznej
podjęta zostaje decyzja, według której materiał albo grawitacyjnie spada do bliższego wylotu albo zostaje odrzucony przez
mechanizm odrzucający wykorzystujący dysze pneumatyczne
lub sterowane pneumatycznie łopatki mechaniczne (rys. 11).
Analiza obrazu zarówno z kamery, jak i czujnika rentgenowskiego jest bardzo zaawansowana i kompleksowa.
Każda cząstka analizowana jest pod względem intensywności
kolorów w poszczególnych pasmach światła widzialnego, jak
i podczerwieni. Obraz z czujnika rentgenowskiego jest również analizowany pod katem układu linii odzwierciedlających
zmiany gęstości i rodzaju materiału w prześwietlanych obiektach. Zastosowanie nowoczesnych metod filtracji, włącznie
z filtrami FFT (Fast Fourier Transformation), pozwala rozpoznać nawet niewielkie różnice w separowanym materiale.
System OSX-CXR wymaga niższych nakładów inwestycyjnych nawet o 40 %, lecz jego ogromnym atutem są bardzo
niskie koszty eksploatacyjne od 6÷10 razy mniejsze od tradycyjnych metod wzbogacania grawitacyjnego węgla. Wynika to
z niewielkiej ilości ruchomych elementów roboczych, braku
117
cieczy ciężkiej i jej rekuperacji w przypadku wzbogacania
gruboziarnistych węgli, jak w płuczkach ziarnowych oraz braku wody w przypadku wzbogacania drobnoziarnistych węgli,
jak w osadzarkach, a także braku pomp dla cieczy ciężkiej
i układu wodno-mułowego. System do oceny gęstości materiału i jego rozdziału nie wymaga różnic w prędkościach
opadania ziaren w ośrodku ciekłym, ponieważ wykorzystuje
promienie Rentgena oraz własności optyczne materiału.
W przypadku produkcji paliwa do procesu zgazowania
uzyskuje się mieszanki o mniejszej wilgotności, co również
obniża koszty podczas suszenia węgla w obiegu rozdrabniania i klasyfikacji. Jest to pierwszy na rynku separator wykorzystujący tak szeroką gamę jednocześnie analizowanych
parametrów.
Technologia umożliwia stworzenie konfiguracji urządzeń w układzie szeregowo-równoległym dla różnych klas
wielkości uziarnienia węgla. Układ równoległy (ilościowy)
niezbędny jest do podniesienia wydajności procesu, natomiast
układ szeregowy (jakościowy) do podniesienia jakości końcowych produktów. Wydajność jednej linii technologicznej
może wynosić od kilkudziesięciu do 500 Mg/h. Uzysk węgla
przekracza 97 %.
7. Podsumowanie
Procesy przeróbcze węgla, takie jak rozdrabnianie, klasyfikacja i wzbogacanie, odgrywają olbrzymią rolę w przygotowaniu węgla do procesu zgazowania, ponieważ są w stanie
doprowadzić węgiel do wymaganego uziarnienia oraz obniżyć
w nim ilość występujących zanieczyszczeń.
Analiza efektywności pracy różnych układów technologicznych rozdrabniania i klasyfikacji oraz urządzeń wykazała,
że najkorzystniejszym układem przygotowującym węgiel
zarówno kamienny, jak i brunatny do procesu zgazowania
fluidalnego na drodze przeróbki mechanicznej będzie układ
jednostadialny wyposażony w kruszarkę (młyn) udarową
młotkową pracującą z klasyfikatorem w obiegu zamkniętym.
Ponieważ próby dostarczane do badań charakteryzowały się
zmiennymi parametrami zwłaszcza pod względem uziarnienia, zaproponowano, aby przed takim układem zamkniętym
rozdrabniania i przesiewania był zainstalowany dodatkowy
przesiewacz odsiewający drobny materiał poniżej 2(5) mm.
Zastosowanie innowacyjnej kruszarki młotkowej dwuwirnikowej jest najkorzystniejszym rozwiązaniem, z tego względu,
że posiada ona m.in. możliwość płynnej regulacji prędkości
obrotowej wirników dostosowując parametry pracy do wy-
Rys. 11. Schemat działania separatora typu Comex CXR-OSX [10,19]
Fig. 11. Scheme of Comex CXR-OSX separator operation
118
PRZEGLĄD GÓRNICZY
maganego uziarnienia produktów oraz może jednocześnie
podsuszać materiał podczas pracy, co ma istotne znaczenie
w przypadku rozdrabniania węgla brunatnego oraz klasyfikacji
mechanicznej lub pneumatycznej.
Na bazie zaproponowanej w kartach technologii tego
typu kruszarki, została opisana procedura badań i sposób
optymalizacji uzyskiwania produktów węgla kamiennego
i brunatnego przeznaczonych do zgazowania fluidalnego, tak
aby nie produkować nadmiernej ilości pyłów mających wpływ
na niewłaściwy proces zgazowania.
Badania zaprezentowane w niniejszym artykule także
dotyczyły oceny przydatności różnych kruszarek do produkcji
wysokoreaktywnych węgli w zakresie uziarnienia poniżej 2
mm. Szczegółowa analiza wyników z analiz chemicznych,
technicznych i elementarnych badanych węgli w wąskich
klasach ziarnowych oraz ich ocena statystyczna pozwoliła
wyciągnąć m.in. takie wnioski, że węgiel z KWK „Janina”
jest najsilniej zasiarczony szczególnie po uwolnieniu ziaren
pirytu w procesie kruszenia w klasie 0-0,125 mm, natomiast
w węglu kamiennym z KWK „Wieczorek” i brunatnym ze
złoża Szczerców obserwowany jest równomierny rozkład
zawartości siarki w wąskich klasach ziarnowych. Zauważono,
że podczas kruszenia węgli kamiennych substancja mineralna koncentruje się w najdrobniejszych klasach ziarnowych,
a w przypadku węgli brunatnych koncentruje się równomiernie w poszczególnych klasach ziarnowych.
Porównując pracę badanych kruszarek pod kątem rozkładu
substancji mineralnej w klasach ziarnowych można stwierdzić,
że w klasie najdrobniejszej najwyższe uzyski popiołu i siarki
oraz pierwiastków energotwórczych osiąga się w kruszarce
nożowej; w klasie pośredniej w kruszarce udarowej listwowej
(szczególnie wysokie wartości uzysku siarki), natomiast dla
klasy najgrubszej najwyższe wartości uzysków daje kruszarka szczękowa wraz z walcową, a zdecydowanie najniższe
kruszarka nożowa.
W artykule przedstawiono także innowacyjne metody
suchej separacji urobku węglowego, które pozwalają na wzbogacanie węgla bez użycia wody. Ma to ogromne znaczenie dla
ochrony środowiska naturalnego oraz obniżenia kosztów inwestycyjno-eksploatacyjnych. W przypadku produkcji paliwa
do procesu zgazowania uzyskuje się mieszanki o mniejszej
wilgotności, co również obniża koszty podczas suszenia węgla
w obiegu rozdrabniania i klasyfikacji, czy nawet transportu.
Przeprowadzone badania w separatorze optycznym
i rentgenowskim firmy Comex dla surowego węgla z KWK
„Wieczorek” o uziarnieniu 8-50 mm wykazały, że w procesie
suchej separacji możliwe jest uzyskanie około 72 % koncentratu węglowego o zawartości popiołu 9,5 %. Natomiast dla
frakcji węglowej 8-10 mm pochodzącej z KWK „Sobieski”
uzyskano 76 % koncentrat o zawartości popiołu 16 % a dla
frakcji 20-120 mm uzyskano 97 % koncentrat węglowy
o zawartości popiołu 0,3 %. Efektywność procesu separacji
w głównej mierze, poza właściwościami surowego węgla,
zależą od przyjętego rodzaju układu technologicznego. Za
pomocą wielostopniowej separacji w układzie szeregowo-równoległym można podnosić jakość i wydajność uzyskiwanych koncentratów węglowych.
Również badania przeprowadzone przez Centrum
Gospodarki Odpadami i Zarządzania Środowiskowego na
pneumatycznym stole koncentracyjnym typu FGX-1 pozwoliły między innymi dla surowego urobku węglowego
o uziarnieniu 8-25 mm uzyskać około 84 % wychód koncentratu węgla przy zawartości popiołu około 25 % w koncentracie i 84 % w odpadach.
2014
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac
rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania
energii”.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Baic I., Blaschke W., Góralczyk S., Sobko W., Szafarczyk J.:
Odkamienianie urobku węglowego metodą suchej separacji; KOMEKO
2013 – Innowacyjne i Przyjazne dla Środowiska Techniki i Technologie
Przeróbki Surowców Mineralnych – Bezpieczeństwo – Jakość –
Efektywność – Instytut Techniki Górniczej KOMAG, Gliwice, marzec
2013, ISBN 978-83-60708-71-2, str. 99÷108.
Blaschke S.: Przeróbka mechaniczna kopalin cz. I. Wydawnictwo
„Śląsk”, Katowice 1982
Blaschke W., Baic I.: Wykorzystanie powietrznych stołów koncentracyjnych do otrzymywania substytutów kruszyw metodą deshalingu,
Kruszywa, 3, 2013, s. 48÷50
Dzik T., Mięso R.: Investigation of the resistance force in the process of cutting cereal straw: short comminication. Polish Journal of
Environmental Studies. ISSN 1230-1485, 2007 vol. 16 no. 3B 104-106
Dzik T., Mięso R.: Research on energy absorption in the process of cutting
cereal straws: short comminication. Polish Journal of Environmental
Studies. ISSN 1230-1485, 2007 vol. 16 no. 3B 107÷109
Gawenda T., Marciniak-Kowalska J.: Analiza efektów rozdrabniania
w kruszarkach wirnikowych węgli przeznaczonych do zgazowania.
Przegląd Górniczy, 2/2013 s.232-238, Wyd. SIiTG, Katowice 2013
Gawenda T.: Produkcja surowców mineralnych o wąskim zakresie
uziarnienia w dwustadialnym zamkniętym układzie rozdrabniania
i klasyfikacji, Górnictwo i Geologia: kwartalnik; ISSN 1896-3145, t. 6
z. 2 s. 39–48. Bibliogr. s. 47, Wyd. AGH, Kraków, 2011
Hardy T., Kordyleski W., Mościcki K.: Zagrożenie korozją chlorkową w
wyniku spalania i współspalania biomasy w kotłach, Archiwum spalania,
vol. 9, nr3/4, s. 181÷195, 2009
Karty rozwiązania innowacyjnego „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”,
sprawozdanie z cz. tematu badawczego pt. Badania wzbogacania węgla
na drodze przeróbki mechanicznej” praca niepublikowana 2010-2014
Kołacz J., Gawenda T.: Separacja po nowemu. Innowacyjne rozwiązanie
odkamieniania i wzbogacania węgla kamiennego na sucho. Surowce i
Maszyny Budowlane; Wyd. BMP Racibórz, ISSN 1734-7998. — 2013
nr 4 s. 30÷35.
Marciniak-Kowalska J., Krawczykowski D.,Gawenda T.: Research over
improvement of reactivity of chosen coals destinated to gasification.
Polish Journal of Environmental Studies; ISSN 1230-1485. 2012 vol. 21
no. 5A s. 297÷299.
Naziemiec Z. Gawenda T.: Badanie procesu kruszenia z zamkniętym
obiegiem materiału. Kruszywa mineralne: surowce – rynek – technologie – jakość. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki
Wrocławskiej; ISSN 0324-9670; nr 119. Seria: Konferencje; nr 48.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Konferencja 18–20
kwietnia 2007, Szklarska Poręba 2007
Ney R.: Surowce mineralne Polski – Surowce energetyczne – węgiel
kamienny, węgiel brunatny, wyd. PPGSMiE PAN, Kraków, 1996.
Pudło W.: Procesy kruszenia i mielenia. Poradnik Górnika, t. 5.
Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1976
Rakemann W., Zibulski H.D.: Die Hazemag-Versuchsanlage,
Aufbereitungstechnik 39 (1998) nr 10, s 507÷517
Sablik J., Wawrzynkiewicz W.: „Wpływ siarki organicznej na jakość
węgli energetycznych”, Inżynieria Mineralna, nr1-6, str. 11÷21, 2001
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
17. Sobolewski A., Chmielniak T., Topolnicka T., Giesa N.: Dobór węgli
do zgazowania w ciśnieniowym reaktorze fluidalnym, Karbo nr 1, str.
28÷38, 2013a
18. Sobolewski A., Chmielniak T., Topolnicka T., Świerza G.: Charakterystyka
polskich węgli w aspekcie ich przydatności do procesu zgazowania,
Przegląd Górniczy nr 2, str. 174÷183, 2013b
19. Sprawozdanie projekt NCBR pt.: „Opracowanie technologii zgazowania
węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii”, sprawozdanie
119
z cz. tematu badawczego pt. Badania wzbogacania węgla na drodze
przeróbki mechanicznej” praca niepublikowana 2010-2014
20. Szewczuk A., Progorowicz J.: Raport z badań na zlecenie AGH “Testy
separacji niewzbogaconego węgla o rozmiarze 8-50 mm przy wykorzystaniu separatora typu Comex CXR-1000” Kraków 2013
21. Zibulski H.D.: Forschung, Entwicklung und verfahrenstechnische
Untrersuchungen – Die Hazemag-Versuchsanlage, Aufbereitungstechnik
50 (2009) nr 5, s 20÷32
120
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.544.3
Badania zgazowania parą wodną węgla poddanego operacji
wzbogacania
Steam gasification examinations of coal subjected to cleaning
Dr inż. Grzegorz Czerski*)
Dr Stanisław Porada*)
Mgr inż. Dorota Makowska*)
Mgr inż. Przemysław Grzywacz*)
Mgr inż. Tadeusz Dziok*)
Dr inż. Agnieszka Surowiak*)
Treść: Węgiel kamienny z kopalni „Janina” rozdzielono na frakcje o różnej gęstości oraz przeprowadzono pomiary zagazowania parą
wodną pod wysokim ciśnieniem ww. frakcji, a także węgla wyjściowego. Pomiary wykonano w temp. 900 °C i ciśnieniu 1 MPa.
Dokonano oceny procesu zgazowania w oparciu o krzywe szybkości wydzielania: tlenku i ditlenku węgla, wodoru oraz metanu
a także uzyskane wydajności poszczególnych produktów oraz skład gazu. Sporządzono krzywe stopnia konwersji pierwiastka
C w czasie, wyznaczono również stałe szybkości reakcji konwersji pierwiastka C.
Abstract: Bituminous coal from Janina coal mine was separated into fractions with different density. Examinations of steam gasification
at elevated pressure was carried out for the coal and fractions. Measurements were conducted at the temperature of 900 °C
and pressure of 1 MPa. The assessment of the gasification process was made on the basis of formation rates curves of: carbon
monoxide and carbon dioxide, hydrogen and methane as well as the yields obtained for each product and composition of the
received gas. The graphs of carbon conversion degree over time were prepared. Reaction rate constants of carbon conversion
degree were also calculated.
Słowa kluczowe:
węgiel, zgazowanie para wodną, wzbogacanie węgla
Key words:
coal, steam gasification, cleaning of coal
*)
AGH w Krakowie
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
1. Wprowadzenie
W większości termochemicznych procesów przeróbki
węgla, substancja mineralna jest balastem, pogarszającym
jakość surowca i powiększającym ilość składników szkodliwych, zwłaszcza siarki. W przypadku procesu zgazowania,
oprócz ujemnego wpływu tej substancji, niektóre jej składniki
katalizują przebieg reakcji węgla z parą wodną, tym samym
pozytywnie oddziałując na szybkość procesu. Poszczególne
składniki substancji mineralnej różnie oddziałują na przebieg
reakcji zgazowania węgli. Związki alkaliczne oraz tlenki
żelaza działają katalitycznie, natomiast tlenki glinu i krzemu
[1]. W wielu pracach [2÷5] potwierdzono efekt katalityczny
alkaliów, z tym iż jest on według [2] dużo silniejszy dla węgli
niskouwęglonych niż wyżejuwęglonych, a wśród alkaliów
główną rolą odgrywa wapń, który sprzyja powstawaniu CO2
i H2 [3]. Istotnym jest również sposób rozmieszczenia tych
składników w substancji organicznej. Wysoka dyspersja
składników popiołu może sprawić, że niewielka jego ilość
może bardziej oddziaływać na reakcyjność niż większa ilość
skupiona w jednym miejscu [1, 6]. Ponadto substancja mineralna wpływa na reakcyjność węgli poprzez jej oddziaływanie
na strukturę fizyczną i chemiczną. Z jednej strony substancja
mineralna może blokować pory, ale z drugiej, korzystnie
wpływać na ich rozwój w trakcie pirolizy. Również struktura
chemiczna węgla jest silnie determinowana przez substancję
mineralną, substancja organiczna (a stąd węglowe centra
aktywne) ma różna charakterystykę zależną od obecności
niektórych pierwiastków w węglu jak. np. wapń [7]. Ponadto
w literaturze można znaleźć wiele pozycji [8÷16] dotyczących
badania wpływu dodatków katalizatorów zawierających takie
pierwiastki, jak potas, sód, wapń, nikiel, żelazo na kinetykę
zgazowania porą wodną.
Części organiczna i mineralna węgla różnią się
właściwościami chemicznymi i fizycznymi dlatego możliwe
jest wydzielenie z węgla frakcji o ich zróżnicowanym udziale.
W trakcie procesu wzbogacania węgla wykorzystuje się
zróżnicowanie gęstości, a także zwilżalności substancji organicznej i mineralnej węgla. Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu operacji wzbogacania na proces zagazowania
121
węgla parą wodną. Rozdzielono węgiel kamienny na frakcje
o różnej gęstości oraz przeprowadzono pomiary zagazowania
parą wodną pod wysokim ciśnieniem ww. frakcji, a także
węgla wyjściowego. W celu oceny procesu zgazowania wykorzystano metodykę przedstawioną w publikacjach [17, 18].
Wyznaczono krzywe szybkości wydzielania: tlenku i ditlenku
węgla, wodoru oraz metanu a na ich podstawie obliczono
wydajności poszczególnych produktów gazowych zgazowania
oraz skład gazu. Sporządzono także krzywe stopnia konwersji
pierwiastka C w czasie. Wyznaczono również stałe szybkości
reakcji konwersji pierwiastka C.
2. Materiały i metoda
2.1. Charakterystyka badanego węgla i uzyskanych
z niego frakcji
Do badań wytypowano węgiel kamienny z kopalni „Janina”,
który charakteryzuje się dużą reaktywnością i może być
z powodzeniem stosowany do procesu zgazowania. Węgiel
ten rozdzielono w cieczach ciężkich na siedem frakcji
o zróżnicowanej gęstości od poniżej 1,3 g/cm3 do powyżej
1,8 g/cm3. Badany węgiel i poszczególne frakcje scharakteryzowano (tabl. 1) wykonując dla nich analizę techniczną oraz
analizę składu popiołu, który może mieć istotne znaczenie dla
kinetyki zgazowania. Ponadto podano udział poszczególnych
frakcji. Oznaczono również kaloryczność, która spada wraz
ze wzrostem gęstości frakcji, co wynika ze wzrastającego
udziału popiołu.
Indeks alkaliczny obliczany zgodnie z równaniem (1),
umożliwia ocenę wpływu katalitycznego składników substancji mineralnej węgla. Wraz ze wzrostem jego wartości rośnie
reaktywność węgli [20, 21].
(1)
gdzie: Aa – zawartość popiołu w węglu, % wag.
Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, SiO2, Al2O3 – zawartość
poszczególnych tlenków w popiele, % wag.
Tablica 1. Charakterystyka badanego węgla oraz uzyskanych z niego frakcji
Table 1. Characteristics of the examined coal and fractions derived from it
Frakcja
Udział frakcji, % wag
Analiza techniczna, % wag.
Wa
Aa
Qs, kJ/kg
Qi, kJ/kg
Skład popiołu, % wag.
SiO2
Al2O3
CaO
Fe2O3
MgO
K 2O
Na2O
Indeks alkaliczny AI, (CaO+Fe2O3+MgO+K2O+Na2O)/
(SiO2+Al2O3), -
Węgiel
surowy
< 1,3
1,3-1,4
1,4-1,5
1,5-1,6
1,6-1,7
1,7-1,8
> 1,8
-
52,5
19,9
6,9
9,1
3,5
1,6
6,4
5,7
16,6
22443
21480
8,6
5,0
25710
24566
7,9
6,6
24854
23754
5,8
13,7
22938
21966
5,8
21,1
20675
19776
4,8
33,0
17119
16356
4,3
44,6
13305
12665
2,4
66,2
7918
7517
65,1
20,3
2,1
7,1
0,6
3,1
1,5
25,7
20,5
4,8
7,7
1,8
0,6
4,4
29,7
22,5
8,2
12,0
1,5
1,4
3,1
48,0
16,2
2,0
6,4
0,8
2,1
1,6
51,6
18,3
1,2
6,4
0,6
3,0
1,1
47,9
19,2
0,8
5,6
0,4
2,7
0,6
52,2
20,1
0,6
4,9
0,4
2,7
0,5
63,8
17,4
0,3
3,2
0,3
2,5
0,3
2,79
0,17
2,06
0,42
3,34
0,50
2,75
0,20
3,70
0,18
4,99
0,15
5,66
0,13
5,38
0,08
122
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Indeks alkaliczny rośnie z kolejną frakcją (za wyjątkiem frakcji najcięższej), co spowodowane jest wzrostem zawartości popiołu. Stosunek udziałów: związków
zawartych w popiele katalizujących reakcje zgazowania
(CaO+Fe2O3+MgO+K2O+Na2O) do związków inhibitujących
ten proces (SiO2+Al2O3) jest największy dla frakcji 1,3-1,4
a następnie maleje. Wejściowa zawartość popiołu w badanym
węglu z kopalni Janina wynosiła 16,6 %, a w efekcie rozdziału
zmieniła się od 5,0 % w przypadku frakcji najlżejszej <1,3 g/
cm3 aż do 66,2 % we frakcji najcięższej >1,8 g cm3. Zawartość
popiołu w dwóch najcięższych frakcjach: 1,7-1,8 i >1,8 g/
cm3 była już tak znacząca (odpowiednio 44,6 i 66,2 %), że
wykluczała te frakcje jako surowiec do zgazowania a ponadto
mogła w znacznym stopniu zaburzać ocenę stopnia konwersji
pierwiastka C zawartego w substancji organicznej w wyniku
biegnących równolegle ze zgazowaniem procesów rozkładu
termicznego związków zawartych w substancji mineralnej (np.
węglanów) dostarczających CO2. Stąd też badania zgazowania
wykonano dla węgla wejściowego i wydzielonych z niego
frakcji o gęstości poniżej 1,7 g/cm3. Wyniki analizy technicznej i elementarnej tych próbek zawiera tablica 2. Jak z niej
wynika w miarę wzrostu gęstości frakcji rośnie zawartość Cdaf
i Stdaf natomiast zawartość Hdaf nie ulega istotnym zmianom.
2.2. Aparatura, metodyka i wyniki badań
Proces zgazowania został przeprowadzony przy wykorzystaniu laboratoryjnego stanowiska pomiarowego, przedstawionego m.in. w pracy [18]. Zastosowana aparatura umożliwia poddanie procesowi zgazowaniu zarówno węgli, jak
i karbonizatów o zróżnicowanym uziarnieniu przy wysokim
ciśnieniu. Stanowisko pomiarowe składa się z trzech zasadniczych układów: ciśnieniowego reaktora wraz z systemem
grzewczym, układu zasilania reaktora parą wodną, gazem
inertnym (argonem) i węglem oraz układu odbioru i analizy
gazu poreakcyjnego. Układ zasilania strefy reakcyjnej parą
wodną i argonem składa się z mikropompy dozującej wodę,
wytwornicy pary, butli ciśnieniowych z argonem oraz zestawu
zaworów redukcyjnych, regulacyjnych i upustowych, filtrów,
manometrów i regulatora przepływu. Wewnątrz reaktora
umieszona jest retorta o średnicy 20 mm, ze specjalnie wykonanym rusztem. Po ustabilizowaniu parametrów pomiaru
za pomocą podajnika tłokowo następuje dozowanie próbki
węgla o masie 1 g na ruszt. Gaz poreakcyjny po wydzieleniu
kondensatu wodno-smołowego i osuszeniu ulega dekompresji
i jest analizowany w sposób ciągły na zawartość CO, CO2
oraz CH4. Ponadto gaz pobierany jest do pipet w celu jego
analizy na zawartość wodoru a do tego celu wykorzystano
chromatograf gazowy wyposażony w detektor cieplno-przewodnościowy (TCD).
2014
Proces zgazowania prowadzono przy ciśnieniu 1 MPa,
w temperaturze 900 °C. Parą wodną dozowano w ilości
0,3 g/min, a przepływ gazu inertnego wynosił 2,0 dm3/min.
Na podstawie pomiarów stężeń tlenku węgla, wodoru,
metanu i ditlenku węgla w gazie poreakcyjnym, obliczono
szybkości tworzenia się tych produktów podczas zgazowania
badanych próbek w funkcji czasu. Uzyskane rezultaty umożliwiły obliczenie wydajności badanych produktów oraz składu
gazu. Wartości te podano w przeliczeniu na 1 g suchej i bezpopiołowej substancji węgla. Stopień konwersji pierwiastka
C obliczono na podstawie wzoru
(2)
gdzie: VCO, VCO2, VCH4 – objętość wydzielonego składnika gazu,
dm3/g
Mc –masa molowa pierwiastka C, g/mol
m –masa próbki, g
Cdaf–zawartość węgla w próbce w stanie suchym i bezpopiołowym, Vmol –objętość jednego mola gazu w warunkach normalnych, dm3/mol
Stałą szybkości reakcji pierwszego rzędu konwersji pierwiastka C, podczas zgazowania parą wodną wyznaczono
ze wzoru (3), którego rozwiązaniem jest funkcja opisana
równaniem (4):
(3)
(4)
Gdzie:X – stopień konwersji pierwiastka C po czasie t,
t – czas, min
3. Analiza wyników badań
Zmiany szybkości wydzielania się głównych produktów
zgazowania tj. wodoru i tlenku dla badanego węgla i jego
frakcji w funkcji czasu przedstawiono na rysunkach 1, 2.
Uzyskane krzywe mają podobny przebieg i w związku z małymi różnicami pomiędzy poszczególnymi frakcjami trudno
na ich podstawie oceniać reaktywność. Pik obserwowany na
początku pomiarów związany jest z wydzielaniem dużej ilości
gazów podczas pirolizy. W przypadku szybkości wydzielania
tlenku węgla w pierwszych minutach pomiaru zaobserwowano największe wartości, a następnie ulegają one powolnemu
zmniejszaniu. Trochę odmienny przebieg mają krzywe wydzielania wodoru, gdzie w pierwszej połowie czasu trwania
pomiaru można zaobserwować wzrost, lub utrzymywanie się
szybkości wydzielania H2, a następnie jej spadek.
Tablica 2. Wyniki analizy technicznej i elementarnej węgla oraz uzyskanych z niego frakcji
Table 2. Proximate and ultimate analysis results of the examined coal and fractions derived from it
Frakcja
Węgiel
surowy
< 1,3
1,3-1,4
1,4-1,5
1,5-1,6
1,6-1,7
1,7-1,8
> 1,8
Analiza elementarna, % wag.
Cdaf
Hdaf
Stdaf
74,8
4,7
1,6
76,6
4,8
0,9
75,6
4,7
0,9
74,6
4,6
1,3
73,6
4,6
2,2
70,8
4,6
4,8
67,2
4,6
5,8
59,0
4,8
16,7
Analiza techniczna, % wag.
Vdaf
37,9
37,5
35,6
35,6
35,6
38,1
40,1
46,5
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 1. Zmiany szybkości wydzielania CO w procesie zgazowania badanych węgli i uzyskanych z niego frakcji
Fig. 1. Changes in CO formation rate during gasification of the tested coal and fractions derived from it
Rys. 2. Zmiany szybkości wydzielania H2 w procesie zgazowania badanego węgla i uzyskanych z niego frakcji
Fig. 2. Changes in H2 formation rate during gasification of the tested coal and fractions derived from it
123
124
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Wydajności badanych produktów, tj. CO, CO2, CH4 oraz H2
w przeliczeniu na 1 g suchej i bezpopiołowej substancji węgla
przedstawiono na rysunku 3. W przypadku CO i H2 można
zaobserwować podobne zależności uzysku tych gazów dla
analizowanych frakcji. Dla frakcji o gęstości poniżej 1,6 g/cm3
wydajności są zbliżone, choć obserwujemy lekki ich wzrost
wraz z gęstością. Maksymalne wartości wydajności uzyskano
w przypadku CO dla frakcji 1,5-1,6 a w przypadku H2 dla
frakcji 1,4-1,5. Dla najcięższej z badanych frakcji 1,6-1,7 g/
cm3 obserwujemy szybki spadek wydajności CO i H2. W przypadku metanu wydajność spada wraz ze wzrostem gęstości
frakcji. Uzyskane wyniki dla CO2 są niejednoznaczne i mogą
być wynikiem działań takich procesów, jak: powstawanie
CO2 z rozkładu węglanów i/lub blokadą dostępu czynnika
zgazowującego przy rosnącej zawartości popiołu.
2014
W tablicy 3 zaprezentowano średni skład gazu uzyskanego
w trakcie zgazowania parą wodną badanego węgla i jego frakcji. Można stwierdzić, że dla wydzielonych frakcji uzyskano
gaz o podobnym składzie.
Następnym krokiem było wyznaczenie krzywych stopnia
konwersji pierwiastka C na podstawie wzoru (2). Na rysunku
4 przedstawiono stopień konwersji badanego węgla i uzyskanych z niego frakcji przy temperaturze 900 °C. Analizując
przedstawione krzywe można zauważyć, że najwyższy stopień
konwersji uzyskano dla próbki o gęstości 1,5÷1,6. Dla frakcji
lżejszych (o gęstości poniżej 1,5) uzyskano podobne stopnie
konwersji, z tym że najlepszy rezultat uzyskano dla frakcji
1,3-1,4, która charakteryzuje się najkorzystniejszym stosunkiem udziału związków zawartych w popiele katalizujących
reakcje zgazowania do związków inhibitujących.
Rys. 3. Wydajności CO, CO2, CH4 oraz H2 [cm3/g] w procesie zgazowania badanego węgla i uzyskanych z niego frakcji
Fig. 3. Yields of CO, CO2, CH4 and H2 [cm3/g] in the gasification process of the tested coal and fractions derived from it
Tablica. 3. Skład gazu uzyskanego w procesie zgazowania badanego węgla i uzyskanych z niego frakcji
Table. 3. Gas composition in the gasification process of the tested coal and fractions derived from it
Próbka
CO, % obj.
CO2, % obj.
CH4, % obj.
H2, % obj.
Węgiel surowy
31,9
16,0
2,8
49,3
Frakcja, g/cm3
< 1,3
1,3-1,4
1,4-1,5
1,5-1,6
1,6-1,7
32,8
32,8
32,2
32,0
32,1
17,9
17,6
16,5
19,5
17,2
2,5
2,2
2,2
1,7
2,1
46,8
47,4
49,1
46,8
48,6
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
125
Rys. 4. Stopień konwersji pierwiastka C dla badanego węgla i uzyskanych z niego frakcji
Fig. 4. Carbon conversion during gasification of the examined coal and fractions derived from it
Końcowym elementem oceny zgazowania parą wodną badanego węgla i otrzymanych z niego frakcji było wyznaczenie
stałej szybkości konwersji pierwiastka C (tabl. 4). Uzyskano
podobne zależnościc jak w przypadku analizy krzywych
stopnia konwersji pierwiastka C. Węgiel wejściowy posiada
reaktywność zbliżoną do najlżejszej frakcji, której udział
wynosi ponad 50 %.
Tablica 4. Stałe szybkości reakcji konwersji pierwiastka
C podczas zgazowania badanego węgla i uzyskanych
z niego frakcji
Table 4. Reaction rate constants of carbon conversion degree
for the tested coal and fractions derived from it
Próbka
Węgiel surowy
Frakcja, g/cm3
< 1,3
1,3-1,4
1,4-1,5
1,5-1,6
1,6-1,7
k
min-1
0,0129
0,0123
0,0154
0,0139
0,0156
0,0118
4. Podsumowanie
Przeprowadzone badania umożliwiły ocenę wpływu operacji wzbogacania węgla na proces zgazowania parą wodną.
Uzyskano nieco odmienne przebiegi krzywych wydzielania
głównych produktów gazowych procesu zgazowania tj.
wodoru i tlenku węgla. Z kolei w przypadku wydajności CO
oraz H2 uzyskano podobne zależności dla analizowanych
frakcji, a maksymalne ich wartości uzyskano dla frakcji
o gęstości 1,4-1,6 g/cm3. Ponadto wraz ze wzrostem gęstości
frakcji spadała wydajność metanu. Dla analizowanych próbek
uzyskano gaz o podobnym składzie. Na podstawie analizy
krzywych konwersji pierwiastka C oraz wyznaczonych
stałych szybkości reakcji zgazowania trudno sformułować
jednoznaczne zależności odnośnie zależności reaktywności
od gęstości badanych próbek. Również analiza składu popiołu
nie wyjaśnia uzyskanych rezultatów.
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac
rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania
energii”.
Literatura
1.
2.
3.
4.
Węgiel J., Machowska H., Srzednicka E.: Badania wpływu niektórych
substancji mineralnych w węglu kamiennym na reaktywność otrzymanego koksu, Koks Smoła Gaz, 1991 (nr 5) 111
Takarada T., Tamai Y., Tomita A.: Reactivities of 34 coals under steam
gasification. Fuel 1984 (vol. 64), 1438÷1442
Kuznetsov P.N., Kolesnikova S.M., Kuznetsova L.I.: Steam gasification
of different brown coals catalysed by the naturally occurring calcium
species. International Journal of Clean Coal and Energy, 2013 (vol. 2)
1÷11
Kyotani T., Karasawa S., Tomita A.: A TPD study of coal char in relation
to the catalysis of mineral matter. Fuel 1986 (vol. 65), 1466÷1469
126
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Wu Z. et al.: Influence of coal rank and mineral matter on char gasification. Twentieth Annual International Pittsburgh Coal Conference,
Pittsburgh, 15-19.09.2003
6. Li C.-Z.: Some recent advances in the understanding of the pyrolysis
and gasification behavior of Victorian brown coal. Fuel 2007 (vol. 86 )
1664÷1683
7. Maritnez-Alonso A., Tascon J.M.D.: The determining role of mineral
matter on gasification reactivities of brown coal chars. Fundamental
Issues in Control of Carbon Gasification Reactivity. Springer
Science+Business Media, 1991
8. Wang J. et al.: Steam gasification of coal char catalyzed by K2CO3 for
enhanced production of hydrogen without formation of methane. Fuel
2009 (vol. 88) 1572÷1579.
9. Wang J. et al.: Enhanced catalysis of K2CO3 for steam gasification of
coal char by using Ca(OH)2 in char preparation. Fuel 2010 (vol. 89)
310÷317
10. Hu J., et al.: Calcium-promoted catalytic activity of potassium carbonate
for gasification of coal char: The synergistic effect unrelated to mineral
matter in coal. Fuel 2013, (vol. 111) 628÷635
11. Li X., Li C.-Z.: Volatilisation and catalytic effects of alkali and alkaline
earth metallic species during the pyrolysis and gasification of Victorian
brown coal. Part VIII. Catalysis and changes in char structure during
gasification in steam. Fuel 2006 (vol. 85) 1518÷1525
12. Ye D.P., Agnew, J.B., Zhang D.K.: Gasification of a Sought Australian
low-rank coal with carbon dioxide and steam – kinetics and reactivity
studies. Fuel 1998 (vol. 77) 1209÷1219
5.
2014
13. Quyn D.M., et al.: Volatilisation and catalytic effects of alkali and
alkaline earth metallic species during the pyrolysis and gasification
of Victorian brown coal. Part IV. Catalytic effects of NaCl and ionexchangeable Na in coal on char reactivity. Fuel 2003 (vol. 82) 587-593
14. Lee W.J., Kim S.D.: Catalytic activity of alkali and transition metal salt
mixtures for steam-char gasification. Fuel 1995(vol. 74) 1387-1393
15. Sharma A., Takanohashi T., Saito I.: Effect of catalyst addition on gasification reactivity of HyperCoal and coal with steam at 775–700°C.
Fuel 2008 (vol. 87) 2686÷2690
16. Yu J. et. al.: Effect of iron on the gasification of Victorian brown coal
with steam: enhancement of hydrogen production. Fuel 2006 (vol. 85)
127÷133
17. Porada S., Czerski G., Dziok T., Grzywacz P.: Badania kinetyki reakcji
węgla z parą wodną w aspekcie technologii jego podziemnego zgazowania, Przegląd Górniczy 2013 (t. 69) 91÷98
18. Porada S., Czerski G., Dziok T., Grzywacz P.: Ocena reakcyjności
polskich węgli względem pary wodnej, Przegląd Górniczy 2013 (t. 69)
184÷193
19. Porada S., Rozwadowski A.: Badania kinetyki zgazowania węgla
kamiennego w warunkach podwyższonego ciśnienia, Przemysł
Chemiczny 2014, t.93, nr 3 384÷387
20. Sakawa M., Sakurai Y., Hara Y.: Influence of coal characteristic on CO2
gasification, Fuel 1982 (vol. 73) 717
21. Sobolewski A., Chmielniak T., Topolnicka T., Giesa N.: Dobór węgli do
zgazowania w ciśnieniowym reaktorze fluidalnym, Karbo 2013 (nr 1)
28÷38
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
127
UKD 622.333: 662.1: 550.8
Porównanie reaktywności wybranych węgli kamiennych
względem pary wodnej
Comparison of the selected hard coals reactivity values in relation to water vapour
Dr Stanisław Porada*)
Mgr inż. Tadeusz Dziok*)
Dr inż. Grzegorz Czerski*)
Mgr inż. Przemysław Grzywacz*)
Treść: Dokonano porównania reaktywności wybranych węgli kamiennych względem pary wodnej. W tym celu przeprowadzono pomiary zgazowania parą wodną trzech węgli kamiennych pochodzących z polskich kopalń (KWK „Bogdanka”, KWK „Piast”,
KWK „Wieczorek”). Zgazowanie prowadzono w temp. 900 °C i przy ciśnieniu 1,5 MPa. Na podstawie pomiarów stężeń tlenku
i ditlenku węgla oraz metanu w gazie poreakcyjnym obliczono stopnie konwersji pierwiastka C w badanych węglach. Na ich
podstawie wykreślono krzywe zmian stopnia konwersji w czasie, wyznaczono czas połowicznej konwersji τ0,5, indeks reaktywności R0,5 oraz stałą szybkości reakcji konwersji pierwiastka C. W trakcie oceny reaktywności przeanalizowano również kinetyki
tworzenia się poszczególnych produktów gazowych. Obliczono stałą szybkości reakcji tworzenia tlenku węgla i wodoru. Na
podstawie uzyskanych wyników badane węgle uszeregowano w kolejności malejącej reaktywności: KWK „Piast” > KWK
„Bogdanka” ≥ KWK „Wieczorek”.
Abstract: This paper presents a comparison of reactivity of selected hard coals in the process of steam gasification carried out by a number
of methods. Steam gasification process of three Polish hard coals (KWK ”Bogdanka”, KWK ”Piast”, KWK ”Wieczorek”)
was performed at 900 °C and 1.5 MPa. Basing on the measurement of carbon monoxide, carbon dioxide and methane concentrations in gaseous products, the carbon conversion was calculated. Carbon conversion curves, half-conversion time τ0,5,
reactivity index R0,5 and carbon conversion rate were determined. The kinetics of formation of gaseous products was also
analyzed and formation rate constants of carbon monoxide and hydrogen were calculated. Consequently, the examined coals
were ranked in order of decreasing reactivity: KWK ”Piast” > KWK ”Bogdanka” ≥ KWK ”Wieczorek”.
Słowa kluczowe:
węgiel, zgazowanie parą wodną, ocena reaktywności
Keywords:
coal, steam gasification, reactivity assessment
*) AGH w Krakowie
128
PRZEGLĄD GÓRNICZY
1. Wprowadzenie
Proces zgazowania obok spalania i odgazowania należy
do podstawowych procesów użytkowania węgla. Obecnie
dostępne są liczne komercyjne technologie zgazowania węgla,
wykorzystujące różne rozwiązania konstrukcyjne reaktorów.
Ich charakterystykę przedstawiono w publikacjach [9÷13].
Wyróżnia się cztery główne typy reaktorów: ze złożem
ruchomym, fluidalnym, transportującym i dyspersyjnym
[14]. Reaktory ze złożem dyspersyjnym i złożem ruchomym
z ciekłym odprowadzaniem żużla przystosowane są do zgazowania praktycznie każdego rodzaju węgla ze względu na panującą w nich bardzo wysoką temperaturę, gdzie zgazowanie
ziarna węglowego przebiega z bardzo dużymi prędkościami.
Z kolei w reaktorach fluidalnych, transportujących i ze złożem
ruchomym z suchym odprowadzaniem popiołu stosowane są
niższe temperatury, poniżej temperatury topliwości popiołu.
Stwarza to konieczność stosowania w nich wysoko reaktywnych węgli [15]. Stąd też znajomość reaktywności węgli jest
pomocna przy wyborze konkretnej technologii zgazowania.
Standardową metodą oceny przebiegu zgazowania węgli jest
wyznaczanie parametrów kinetycznych reakcji węgla z parą
wodną [7]. Istnieje również cały szereg innych metod do
wyznaczania reaktywności węgla w procesie zgazowania [8].
Poprzez reaktywność należy rozumieć zdolność do reagowania z wybranym czynnikiem (np. z parą wodną), w ściśle
określonych, umownych warunkach. Reaktywność węgli jest
prostym i miarodajnym sposobem służącym do porównania
węgli miedzy sobą, ale również na podstawie zmian reaktywności określa się wpływ katalizatora lub substancji mineralnej
na przebieg procesu zgazowania [1, 11, 16, 17, 20].
W literaturze można znaleźć szereg sposobów na wyznaczenie reaktywności węgli. Do jednej z najczęściej stosowanych metod oznaczenia reaktywności należy porównanie
przebiegu krzywych stopnia konwersji pierwiastka C [1, 2,
5, 11, 16, 17, 20]. Stopień konwersji pierwiastka C można
obliczyć ze wzoru
(1)
gdzie:
X – stopień konwersji pierwiastka C, %.
VCO, VCO2, VCH4 – objętość wydzielonego składnika gazu,
dm3/g
Mc – masa molowa pierwiastka C, g/mol
m – masa próbki, g
Cdaf –zawartość węgla w próbce w stanie suchym i bezpopiołowym, Vmol –objętość jednego mola gazu w warunkach normalnych, dm3/mol
Na podstawie stopnia konwersji pierwiastka C określa
się czas połowicznej konwersji τ0,5, definiowany jako czas,
po którym zgazowaniu ulegnie 50 % pierwiastka C [12,
18]. Reaktywność można również wyznaczyć na podstawie
wskaźnika Rx definiowanego równaniem (2) [12]
(2)
2014
gdzie:
Rx – reaktywność po osiągnięciu X % stopnia konwersji
pierwiastka C, min-1
m0 – molowa zawartość pierwiastka C w próbce węgla,
mol
dm –molowa zawartość pierwiastka C w produktach
gazowych, mol
dτ – czas potrzeby do osiągnięcia X % konwersji pierwiastka C, min.
Dla 50 % stopnia konwersji pierwiastka C, równanie (2)
sprowadza się do postaci
gdzie:
τ0,5 – czas połowicznej konwersji pierwiastka C, min.
a jego rozwiązaniem jest indeks reaktywności R0,5, który jest
często stosowany do oceny reaktywność [17, 18, 20].
Innym sposobem oceny reaktywności węgli jest wyznaczenie stałej szybkości reakcji k dla reakcji zgazowania [3, 4,
19]. Stałą szybkości można wtedy wyliczyć z równania (4),
którego całką jest funkcja opisana równaniem (5)
(4)
(5)
gdzie:
k – stała szybkości reakcji, min-1,
X –stopień konwersji po czasie τ,
τ – czas zgazowania, min.
Oceny reaktywności można również dokonać na podstawie kinetyki tworzenia się głównych produktów gazowych
procesu zgazowania: tlenku i ditlenku węgla, metanu i wodoru oraz poprzez wyznaczenie stałych szybkości reakcji ich
powstawania.
W pracy dokonano oceny reaktywności węgli w procesie
zgazowania trzech polskich węgli kamiennych. W oparciu
o pomiary stężeń tlenku i ditlenku węgla oraz metanu w gazie
poreakcyjnym obliczono stopnie konwersji pierwiastka C. Na
ich podstawie wykreślono krzywe zmian stopnia konwersji
w czasie, wyznaczono czas połowicznej konwersji τ0,5, indeks
reaktywności R0,5 oraz stałą szybkości konwersji pierwiastka
C. W trakcie oceny reaktywności przeanalizowano również
krzywe szybkości tworzenia się produktów gazowych procesu
zgazowania. Obliczono stałą szybkości reakcji tworzenia
tlenku węgla i wodoru.
2. Materiały i metoda
Do badań wytypowano trzy polskie węgle użytkowane
w krajowych elektrowniach węglowych. Przebadano węgle pochodzące z trzech kopalń węgla kamiennego: KWK
„Bogdanka”, KWK „Piast” i KWK „Wieczorek”. Podstawową
charakterystykę badanych węgli przedstawiono w tablicy 1.
Tablica 1. Charakterystyka badanych węgli
Table 1. Characteristics of the examined coals.
Węgiel
Rodzaj
Kopalnia
Węgiel kamienny
Bogdanka
Piast
Wieczorek
Wilgoć,
Wa
3,4
4,1
3,6
(3)
Analiza techniczna, %
Popiół,
Części lotne,
Aa
Vdaf
5,7
38,5
5,8
39,9
2,7
33,3
Analiza elementarna, %
Cdaf
Hdaf
Sta
82,2
81,2
85,5
5,4
5,2
4,8
1,38
0,88
0,35
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
129
Proces zgazowania został przeprowadzony przy wykorzystaniu laboratoryjnego stanowiska pomiarowego omówionego
szczegółowo w pracach [6, 8, 10]. Pomiar polegał na wprowadzeniu próbki o masie 1 g na ruszt reaktora przy jednoczesnym
przepływie pary wodnej w strumieniu argonu. Proces prowadzono w warunkach izotermicznych w temperaturze 900 °C
i przy ciśnieniu 1,5 MPa. Parę wodną dozowano w ilości 0,3
g/min. W trakcie pomiaru w gazie poreakcyjnym oznaczano
w sposób ciągły zawartość tlenku i ditlenku węgla. Ponadto
gaz poreakcyjny pobierany był do pipet w celu jego analizy
na zawartość wodoru i metanu za pomocą chromatografów
gazowych.
W oparciu o pomiary stężeń tlenku i ditlenku węgla oraz
metanu w gazie poreakcyjnym obliczono na podstawie równania (1) stopnie konwersji pierwiastka C w czasie procesu
zgazowania. Korzystając z wzorów (2÷5) wyznaczono czas
połowicznej konwersji τ0,5, indeks reaktywności R0,5 oraz stałą
szybkości konwersji pierwiastka C. Przeanalizowano również szybkości tworzenia się produktów gazowych procesu
zgazowania parą wodną. Obliczono stałą szybkości reakcji
tworzenia tlenku węgla i wodoru.
Na podstawie przebiegu krzywych konwersji pierwiastka
C (rys. 1) wyznaczono czas połowicznej konwersji τ0,5 a uzyskane wyniki zaprezentowano na rysunku 2.
3. Wyniki badań
Kolejnym krokiem było wyznaczanie indeksu reaktywności R0,5, a uzyskane wyniki przedstawiono na rysunku 3. Dla
indeksu reaktywności R0,5 uzyskano podobne zależności jak
w przypadku czasu połowicznej konwersji τ0,5, z tym że w tym
przypadku im wyższa wartość R0,5 tym reaktywność większa.
Zmiany stopnia konwersji X pierwiastka C w funkcji
czasu zgazowania przedstawiono na rysunek 1. Charakter
wszystkich krzywych jest do siebie zbliżony. W pierwszych
20÷30 minutach obserwowany jest gwałtowny wzrost stopnia
konwersji, natomiast w dalszej części proces ten przebiega
wolniej. Przebieg krzywych umożliwia sformułowanie wniosków odnośnie reaktywności badanych węgli. Bardziej stromy
przebieg krzywych odpowiada wyższej reaktywności, a łagodniejszy ich przebieg niższej. Dlatego też węgiel kamienny
z KWK „Piast” należy uznać, za węgiel wysokoreaktywny,
a węgle z KWK „Bogdanka” i KWK „Wieczorek” za węgle
mniej reaktywne, co dokumentuje tabl. 2.
Rys. 2.Czas połowicznej konwersji τ0,5 dla przebadanych węgli
Fig. 2. Half-conversion time τ0,5 of examined coals
Rys. 3.Indeks reaktywności R0,5 dla przebadanych węgli.
Fig. 3. Reactivity index R0,5 of the examined coals.
Rys. 1.Stopień konwersji pierwiastka C dla badanych węgli
Fig. 1. Carbon conversion curves during gasification process of
examined coals
Tablica 2. Maksymalne stopnie konwersji X pierwiastka C
badanych węgli
Table 2. Maximum carbon conversions degree of examined
coals
Węgiel
Stopień
konwersji, %
KWK „Piast” KWK „Bogdanka” KWK „Wieczorek”
84,5
73,2
68,5
Kolejnym sposobem pozwalającym określić reaktywność
węgli było wyznaczenie stałej szybkości reakcji konwersji
pierwiastka C. Przy założeniu, że reakcja zgazowania jest
pierwszego rzędu, z równania (5) można obliczyć stałą
szybkości reakcji kc. Zestawienie uzyskanych wyników dla
wszystkich węgli zaprezentowano na rysunku 4.
Oceny reaktywności dokonano również analizując kinetykę
tworzenia się głównych produktów gazowych procesu zgazowania. Na podstawie składu gazu poreakcyjnego opracowano
krzywe zmian szybkości tworzenia się tlenku i ditlenku węgla,
metanu oraz wodoru, które przedstawiono na rysunku 5÷8.
Dla krzywych tworzenia CO, CO2, H2 oraz CH4 można
zauważyć pewne podobieństwa. W pierwszej fazie procesu,
utożsamianej z przebiegiem pirolizy, obserwowane są duże
szybkości wydzielania się gazowych produktów. Drugi etap to
przebieg właściwego zgazowania wytworzonego karbonizatu,
odznaczający się znacznie niższymi szybkościami tworzenia
się badanych gazów. Wyjątek stanowią krzywe kinetyczne
130
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 4.Stała szybkości konwersji pierwiastka C dla przebadanych węgli
Fig. 4. Reaction rate constant of carbon conversion of the examined coals
metanu, z których wynika, iż jest on głównie produktem pirolizy. Analizując przebieg krzywych zmian szybkości tworzenia
się tlenku i ditlenku węgla oraz wodoru, można stwierdzić, iż
ocena reaktywności węgli jest utrudniona. Najlepszą zgodność
z uprzednio prezentowanymi sposobami uzyskano dla krzywych tworzenia CO (rys. 5). Reaktywność badanych węgli
można wtedy opisać następująco KWK „Piast” > KWK
„Wieczorek” ≥ KWK „Bogdanka”. Dla wodoru i ditlenku
węgla uzyskano inną kolejność, co świadczy o złożonym przebiegu tworzenia się poszczególnych składników gazowych w
trakcie procesu zgazowania węgli parą wodną.
2014
Rys. 6.Zmiany szybkości wydzielania H2 w procesie zgazowania badanych węgli
Fig. 6. Changes in H2 formation rate during the gasification of
the examined coals
Rys. 7.Zmiany szybkości wydzielania CO2 w procesie zgazowania badanych węgli
Fig. 7. Changes in CO2 formation rate during the gasification
of the examined coals
Rys. 5.Zmiany szybkości wydzielania CO w procesie zgazowania badanych węgli
Fig. 5. Changes in CO formation rate during the gasification of
the examined coals
Ostatnim elementem oceny reaktywności badanych węgli
było wyznaczenie stałych szybkości reakcji tworzenia CO
i H2 w trakcie zgazowania parą wodną (kCO oraz kH2). Stałe
szybkości tworzenia się produktów gazowych, przy założeniu,
że mamy do czynienia z reakcją pierwszego rzędu można
wyznaczyć podobnie jak to zrobiono dla stałej szybkości
konwersji pierwiastka C . Wzór (4) ma postać
(6)
a równanie (5)
(7)
Rys. 8.Zmiany szybkości wydzielania CH4 w procesie zgazowania badanych węgli
Fig. 8. Changes in CH4 formation rate during the gasification
of the examined coals
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
gdzie:
V∞ – całkowita objętość danego składnika gazowego
wydzielona w trakcie pomiaru, cm3/g
V – objętość tego składnika po czasie t, cm3/g
Wyznaczone stałe szybkości tworzenia się tlenku węgla
oraz wodoru dla wszystkich badanych węgli zestawiono
w tablicy 3. Lepszą zgodność z uprzednio prezentowanymi
metodami oceny reaktywności uzyskano dla stałej szybkości
tworzenia się CO, a węgle według malejącej reaktywności
można uszeregować w następującej kolejności: KWK „Piast”
> KWK „Wieczorek” > KWK „Bogdanka”.
Tablica 3. Stałe szybkości reakcji tworzenia się tlenku węgla
oraz wodoru podczas zgazowania badanych węgli
Table 3. Reaction rate constants of CO and H2 formation
during the gasification of the tested coals
Węgiel
KWK „Piast”
KWK „Bogdanka”
KWK „Wieczorek”
kCO, min-1
0,063
0,051
0,059
kH2, min-1
0,054
0,052
0,062
4. Podsumowanie
Jednym z najistotniejszych kryteriów oceny przydatności
węgli do procesu zgazowania jest wyznaczanie ich reaktywności. Analizy przydatności węgla do procesu zgazowania
prowadzonym przy wysokim ciśnieniu można dokonać za
pomocą zaprezentowanej w artykule aparatury oraz metodyki.
Reaktywność węgli względem pary wodnej może być z powodzeniem określona na różne sposoby, tj. przez: porównanie
przebiegu krzywych konwersji pierwiastka C, wyznaczenie
czasu połowicznej konwersji τ0,5, indeksu reaktywności R0,5
czy stałej szybkości konwersji pierwiastka C. W przypadku oceny reaktywności na postawie kinetyki tworzenia się
produktów gazowych i obliczenia stałych szybkości reakcji
ich powstawania, można do tego celu stosować przebieg
krzywych wydzielania się tlenku węgla. Na podstawie uzyskanych wyników badane węgle uszeregowano w kolejności
malejącej reaktywności: KWK „Piast” > KWK „Bogdanka”
≥ KWK „Wieczorek”.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Praca została wykonana w ramach Projektu strategicznego numer SP/E/3/77008/10, finansowanego przez NCBiR.
18.
Literatura
19.
1.
Coetzee S., et al.: Improved reactivity of large coal particles by K2CO3
addition during steam gasification. Fuel Processing Technology 2013
(vol. 114) 75÷80.
20.
131
Everson R.C., et al., Reaction kinetics of pulverized coal-chars derived
from inertinite-rich coal discards: Gasification with carbon dioxide and
steam. Fuel 2006 (vol. 85) 1076÷1082.
Li C., Li C.-Z.: Volatilisation and catalytic effects of alkali and alkaline
earth metallic species during the pyrolysis and gasification of Victorian
brown coal. Part VIII. Catalysis and changes in char structure during
gasification in steam. Fuel 2006, (vol. 85) 1518÷1525.
Molina A., Mandragon F.: Reactivity of coal gasification with steam
and CO2. Fuel 1998 (vol. 77) 1831÷1839.
Peng F.F., et.al.: Reactivities of in situ and ex situ coal chars during
gasification in steam at 1000-1400°C. Fuel Processing Technology 1995
(vol. 41) 233÷251.
Porada S., Rozwadowski A.: Badania kinetyki zgazowania węgla kamiennego parą wodną w warunkach podwyższonego ciśnienia. Przemysł
Chemiczny, t.93, nr 3, 2014, 384÷387.
Porada S., Czerski G., Dziok T., Grzywacz P.: Badania kinetyki reakcji
węgla z parą wodną w aspekcie technologii jego podziemnego zgazowania, Przegląd Górniczy 2013 (t. 69) 91÷98.
Porada S., Czerski G., Dziok T., Grzywacz P.: Ocena reaktywności
polskich węgli względem pary wodnej, Przegląd Górniczy 2013 (t. 69)
184÷193.
Porada S., Czerski G., Dziok T., Grzywacz P.: Technologie zgazowania węgla i ich przydatność dla potrzeb energetyki i chemii. Przegląd
Górniczy 2013 (t. 69) 200÷208.
Porada S., Czerski G., Dziok T., Grzywacz P.: Kinetyka zgazowania węgla parą wodną w warunkach podwyższonego ciśnienia. Cz. 1, Wpływ
uziarnienia węgla na przebieg procesu zgazowania. Karbo, 2013 (R. 58)
nr 1, 59÷64.
Sharma A., et al.: Effect of catalyst addition on gasification reactivity
of HyperCoal and coal with steam at 775–700 °C. Fuel 2008 (vol. 87)
2686÷2690.
Smoliński A.: Coal char reactivity as a fuel selection criterion for coal-based hydrogen-rich gas production in the process of steam gasification.
Energy Conversion and Management 2011 (vol. 52) 37÷45.
Strugała A., Czerski G.: Stan obecny oraz perspektywy technologii
zgazowania węgla w Polsce, XX Szkoła Eksploatacji Podziemnej,
Kraków, 21-25.02.2011, s. 274÷283.
Tennant J.B.: Gasification system Overview. U.S. DOE-NETL - CURC
Workshop. NETL Pittsburgh, PA. April 2013.
Tennant J.B.: Gasification System Program – Slide Library. Gasification
Systems Overview v2.8. March 28, 2012.
Wang J. et al., Steam gasification of coal char catalyzed by K2CO3 for
enhanced production of hydrogen without formation of methane. Fuel
2009 (vol. 88) 1572÷1579.
Wang J. et al.:. Enhanced catalysis of K2CO3 for steam gasification of coal
char by using Ca(OH)2 in char preparation. Fuel 2010 (vol. 89) 310÷317.
Wu Z. et al.: Influence of coal rank and mineral matter on char gasification. Twentieth Annual International Pittsburgh Coal Conference,
Pittsburgh, 15-19.09.2003.
Yasushi S., et al.:, 2006. Reactivity and structural change of coal char
Turing steam gasification. Fuel 2006 (vol. 85) 122÷126.
Ye D.P., et al.: Gasification of a South Australian low-rank coal with
carbon dioxide and steam: kinetics and studies. Fuel 1998 (vol. 77)
1209÷1219.
132
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333(6-13): 622.1: 550.8(6-13)
Czarna Afryka, czarny węgiel i złote paliwo.
O zgazowaniu węgla w koncernie Sasol RPA - słów kilka
Black Africa – black coal and golden fuel. On coal gasification
in the Sasol company, the Republic of South Africa
“The energy of the mind is the essence of life.”1
„Energia umysłu jest istotą życia”
Arystoteles
Prof. Piotr Czaja *)
Treść: Każdy, kto zajmuje się górnictwem wie, że górnictwo w Republice Południowej Afryki w wielu przypadkach jest wzorem
ciekawych i bardzo odważnych decyzji technologicznych. RPA podawana jako przykład najgłębszych kopalń na świecie, jako
potentat w górnictwie złota, platyny i diamentów, jako jeden z światowych liderów w górnictwie węgla kamiennego, istotnie
w światowym górnictwie odgrywa bardzo ważną rolę. RPA zadziwia determinacją w dążeniu do niezależności energetycznej
w zaopatrzeniu w paliwa silnikowe (benzyny i olej napędowy) nawet w obliczu izolacji gospodarczej po wydarzeniach, jakie
miały miejsce w tym kraju po II wojnie światowej. RPA wdrożyła w roku 1955 technologie komercyjnego zgazowania węgla
i jego konwersji do postaci paliw płynnych bazując na niemieckiej technologii chemicznej i olbrzymiej podaży taniego węgla
w swoim kraju. Dzisiaj RPA zgazowując około 40 mln ton rodzimego węgla rocznie produkuje z niego około 120 produktów
chemicznych w tym paliwa silnikowe, paliwa lotnicze, olefiny, surfaktanty, solventy, woski i parafiny, kosmetyki oraz materiały wybuchowe i nawozy sztuczne. Dzisiaj fabryki w Secunda i Sasolburgu to największe kompleksy chemiczne na świecie
zatrudniające około 34 tys. pracowników, obecne w 35 krajach świata w tym w Polsce za pośrednictwem firmy Sasol Polska.
Choć większość tej pracy dotyczy procesów chemicznych, ale przy okazji prac nad zgazowaniem węgla w Polsce mówi się
o nich bardzo wiele – zatem wskazane jest, aby czytelnicy „Przeglądu Górniczego” mieli szersze wyobrażenie o przedsięwzięciu
technologicznym, jakim jest firma Sasol funkcjonująca z wielkim powodzeniem w RPA od 60 lat.
Abstract: Anyone who deals with mining industry is aware of the fact that mining industry in South Africa in many cases is the example of interesting and daring technological decisions. The Republic of South Africa has the deepest mines in the world, it
is an unquestionable leader in mining of gold, platinum and diamonds as well as one of the leaders in hard coal mining and
consequently it plays a significant role in the world’s mining industry. The determination of the country to achieve energy
independence as regards engine fuels (petrol and oil) is admirable considering its economic isolation after World War II. In
1955, with regard to the huge supplies of the cheap local coal, South Africa implemented the technologies of commercial
coal gasification and its conversion to liquids based on German chemical technology. At present, the country gasifies annually
approx. 40 million tons of its coal resources to manufacture about 120 chemical products such as engine and aviation fuels,
olefins, surfactants, solvents, waxes and paraffin, cosmetics, explosives and fertilizers. At present the plants in Secunda and
Sasolburg are the biggest companies in the world with approx. 34 thousand employees in 35 countries, including Poland (the
Sasol Polska company). Although most of their operation concern chemical processes, they are widely discussed in Poland
due to the Polish projects in the field of coal gasification. Thus, it is advisable that the readers of the “Przegląd Górniczy“
journal become aware of the technological project of the Sasol company, which has been successfully operating in South
Africa for 60 years.
Słowa kluczowe:
zgazowanie węgla, technologia Sasol, górnictwo w RPA.
Key words:
coal gasification, technology in the Sasol company, mining industry in South Africa
1. Wprowadzenie
Wracająca okresowo w nauce i gospodarce Polski dyskusja o możliwości zgazowania węgla kopalnego w celu
uzyskania gamy surowców i produktów, których podstawą
jest węgiel pierwiastkowy i wodór, sprawia, że Autorzy wielu
publikacji i wypowiedzi powołują się na przypadek Afryki
*) AGH w Krakowie
Słowa Arystotelesa przywołane przez Autora historii Firmy Sasol
J. Collinsa jako dewiza Firmy.
1
Południowej. Istotnie SASOL to jedyny koncern na świecie,
który zgazowanie węgla kamiennego potraktował bardzo
poważnie i strategicznie. Jako jedyny w świecie stosuje go
komercyjnie na taką skalę, opierając na tej technologii swój
przemysł chemiczny i w dużej mierzę swoje bezpieczeństwo
energetyczne. Jak do tego doszło – to fascynująca historia
i warto jej najważniejsze fragmenty udostępnić Czytelnikom.
Wiele naukowych odkryć jest dziełem przypadku. Pisał
o tym genialny fizyk Albert Einstein słowami …„Wiadomo,
że taki a taki pomysł jest nie do zrealizowania. Ale żyje sobie
jakiś nieuk, który o tym nie wie. I on właśnie dokonuje tego
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
wynalazku”. Tak było przy odkryciu tworzyw sztucznych
przewodzących prąd i tak było w przypadku Viliama Perkina
(1838÷1907), brytyjskiego chemika, który w roku 1856,
poszukując sposobu barwienia aniliny, pewnego wieczoru
wychodząc ze swojego laboratorium do próbki substancji
smolistej uzyskanej z węgla dodał kawałek jedwabiu. Jakimż
było jego zdziwienie, kiedy następnego ranka zobaczył
w pojemniku ową próbkę, nie czarną ani brązową, jak się
można było spodziewać, ale piękną purpurową tkaninę. Do tej
pory barwnik ten uzyskiwano jedynie z morskich ślimaków
i aby otrzymać gram barwnika trzeba było złowić i uśmiercić
10 tys. osobników. Dlatego kolor ten był unikatowy, bardzo
drogi i dostępny tylko dla cesarzy i dostojników kościelnych.
Pytanie zasadnicze: Jaki to ma związek ze zgazowaniem
węgla? Otóż początki produkcji syntetyków wywodzą się
z laboratoriów niemieckich i brytyjskich. Fundamentalne
prace badawcze i wdrożeniowe w zakresie przetwarzania
węgla na paliwa płynne wykonano w Niemczech w okresie
przed i w czasie II wojny światowej. Kierowały nimi takie
sławy naukowe i laureaci nagrody Nobla jak: F. Bergius,
C. Bosch, M. Pier, F. Haber, F. Fischer czy H. Tropsch.
W efekcie w końcowym okresie wojny w latach 1943÷1944
w Niemczech pracowało około dziesięciu dużych zakładów
(między innymi w Blachowni i Policach), w których z węgla
produkowano rocznie około 4,5 mln t paliw płynnych
Po wojnie wydawało się, że świat nauki pójdzie w kierunku
badań nad procesem zgazowania i produkcji paliw płynnych
z węgla kamiennego, bo zasoby ropy naftowej wydawały się
być bardzo ograniczone przy jednoczesnej bardzo wysokiej
podaży węgla kamiennego. Odkrycie wielkich złóż ropy –
między innymi w Stanach Zjednoczonych – spowodowało, że
Amerykanie przestali się zajmować procesem produkcji paliw
z węgla i nigdy nie wyszli poza sferę badań laboratoryjnych
i półtechnicznych.
Po drugiej wojnie światowej, w czasie której w Afryce
Południowej paliwa płynne były racjonowane i trudnodostępne,
powstały w roku 1948 nowy Afrykański Rząd, postawił na
własne surowce energetyczne i własne technologie paliwowe.
Obecna na afrykańskim rynku firma Anglovaal odkryła złoża
złota i nimi się zajęła. W kwestii paliw płynnych, w RPA
wiedziano, że w Niemczech produkowano z węgla benzynę
i oleje napędowe. Wiedziano też, że Afryka jest krajem zbyt
biednym, aby paliwo to importować. Zatem – mimo wielkich
trudności – postawiono na reaktory Lurgi oraz metodę
Fischera-Tropscha i już w roku 1955 otrzymano pierwsze
paliwo ciekłe z węgla.
Na czele Sasol-u stanął jeden z młodych absolwentów
Afrikaans University Stellenbosch ze stopniem magistra,
rodem z Afryki Etienne Rousseau. Uznano, że fabryka będzie bazować na niemieckiej metodzie Fischera-Tropscha,
wykorzystany będzie niemiecki reaktor produkujący olej
do silników Diesla, środki smarownicze, środki chemiczne
i parafinę. Fabrykę zaprojektowała firma Kellogg Corporation.
Dzisiaj, po wybudowaniu trzech fabryk w firmie Sasol:
Sasol-1 w Sasolburgu, Sasol-2 i Sasol 3 w miejscowości
Secunda, firma ta, oprócz paliw płynnych, produkuje łącznie
120 produktów chemicznych, ma swoje oddziały w 35 krajach
świata i zatrudnia około 34 tys. osób. Sasol wytwarza około
5 % PKB Republiki Południowej Afryki i dostarcza na jej
bardzo wysoko zmotoryzowany rynek 1/3 paliw płynnych,
jak również paliwa lotniczego dla całej floty powietrznej
RPA. W skład Koncernu Sasol wchodzą obecnie następujące
wydziały technologiczne:
– Sasol Mining (górnictwo),
– Sasol Gas (gaz),
– Sasol Synfuels (paliwa syntetyczne),
– Sasol Oil (oleje),
133
– Sasol Synfuels International (paliwa syntetyczne – spółka
międzynarodowa),
– Sasol Petroleum International (Rafineria ropy – spółka
międzynarodowa),
– Sasol Polymers (polimery),
– Sasol Solvents (solventy polimerowe),
– Sasol Olefins & Surfactants (olefiny i surfaktanty),
– Sasol Wax (woski i parafiny),
– Sasol Nitro (nawozy sztuczne i materiały wybuchowe),
– Sasol Technology (rozwój nowych technologii R&D),
– Sasol New Energy (nowe źródła energii).
Ponadto Sasol posiada liczne departamenty obsługujące
proces produkcyjny i badawczy oraz promujące nowe technologie chemiczne w innych małych i średnich firmach.
Imponującą jednostką firmy Sasol jest jej departament naukowo-badawczy, to jest: Sasol Technology
Research & Development – obecnie szacowany jako
największa w zakresie konwersji węgla do paliw płynnych
i surowców chemicznych jednostka badawcza na świecie.
Zatrudnia 640 wysoko wykwalifikowanych ekspertów przeważnie ze stopniem doktora nauk chemicznych. Rocznie
wydaje na badania około 600 mln Randów Afrykańskich, to
jest około 180 mln PLN.
Rozpoczęta w Sasol-u w 1955 roku i prowadzona nieprzerwanie do dzisiaj w skali komercyjnej konwersja FischeraTropscha pozwalająca produkować paliwa płynne z węgla,
czyni ten koncern nie tylko największym, ale też najbardziej
doświadczonym w świecie. Prawie 60-letnie doświadczenia
w produkcji surowców chemicznych z węgla wyznaczają program bardzo bogatych prac badawczych nad doskonaleniem
stosowanych metod. W ciągu ostatnich 8 lat Sasol przekazał
afrykańskim uniwersytetom około 25 mln USD na rozwój
i badania naukowe w zakresie górnictwa węgla i jego przetwórstwa chemicznego. W roku 2013 Sasol wspierał finansowo 64 pracowników nauki łączną kwota około 2,5 mln
USD [2].
2. Odkrycia naukowe poprzedzające produkcję paliw
płynnych z węgla kamiennego
Artykuł ten przeznaczony jest przede wszystkim dla inżynierów górników, których obecnie nęka problem nadprodukcji
węgla i kłopotów całej branży wynikającej z dekoniunktury.
Bardzo często pojawia się stwierdzenie – nadprodukcja węgla – to nic prostszego – zgazować węgiel i zamienić go na
paliwa płynne. Sam byłem gorącym orędownikiem takiej tezy.
Z 8 mln ton na zwałach można uzyskać około 1 mld m3 gazu
syntezowego. Niestety po mojej wizycie w koncernie Sasol
w Afryce Południowej i przeprowadzonych dyskusjach naukowych, sprawa trochę, a może nawet bardzo się skomplikowała.
Prawie każdy specjalista z branży paliwowej lub chemicznej słyszał wiele o firmie Sasol, a wielu specjalistów
ma szerszą wiedzę na jej temat. Tych czytelników gorąco
przepraszam. Uważam jednak, że aby prowadzić w Polsce
badania nad zgazowaniem węgla, naziemnym czy podziemnym i często powołując się na przykład południowoafrykański
wskazane jest choćby w największym skrócie poznać fascynującą historię tego przedsięwzięcia, jego obecny potencjał
i miejsce na naukowej mapie świata.
John Collings [1] opisując historię całego przedsięwzięcia
budowy i funkcjonowania koncernu Sasol łączy ją z innymi
wydarzeniami w chemii organicznej i procesach produkcji
tworzyw syntetycznych.
Jak uzasadniono podjęcie przez Afrykański rząd decyzji
o realizacji tej inwestycji? W uproszczeniu wszyscy tłumaczą
to izolacją ekonomiczną i powszechnym bojkotem RPA po
134
PRZEGLĄD GÓRNICZY
II wojnie światowej, wynikającymi głównie z wprowadzonej w tym kraju przez białych osadników (kolonizatorów)
polityki segregacji rasowej – apartheidu. W bogatej historii
koncernu Sasol trudno doszukać się tego rodzaju argumentów.
Natomiast rozwój własnej technologii paliwowej uzasadniano
głównie niestabilną sytuacją po II wojnie światowej, która wykazała między innymi mocny wpływ na handel morski jedyny
pozwalający RPA na znaczący import brakujących surowców.
Afryka Południowa cierpiąc na niedostatek węglowodorów
(ropy i gazu) zdążała do uniezależnienia swojego zaopatrzenia
w paliwa płynne od niestabilnej sytuacji politycznej świata
i wynikającymi stąd kłopotami z dostawami ropy naftowej
drogą morską. Ważniejsze daty i wydarzenia oraz kamienie
milowe w historii firmy Sasol przedstawiono w załączniku nr 1.
3. Koncern Sasol w XXI wieku
Praktycznie, do czasów zakończenia w RPA polityki
segregacji rasowej, uwolnienia Nelsona Mandeli i wybrania
go na Prezydenta Kraju w połowie lat dziewięćdziesiątych,
wszystkie okoliczności makroekonomiczne oraz odnoszone sukcesy w przetwórstwie węgla na surowce chemiczne
i paliwa wspierały nowe inwestycje i intensywne badania
z tego zakresu.
Koncern Sasol w roku 2014 to dwa olbrzymie zakłady
chemiczne zlokalizowane w Sasolburgu – około 80 km na
południe od Johannesburga i w miejscowości Secunda odległej
o około 120 km na południowy wschód od Johannesburga
(rys. 1).
2014
Zakład Secunda uważany jest obecnie za największa
fabrykę chemiczną na świcie. W bezpośrednim sąsiedztwie
funkcjonuje 5 kopalń wydobywających prawie 45 mln ton
węgla kamiennego rocznie. Słaba jakość tego węgla, niska
kaloryczność, wysokie zapopielenie i zasiarczenie sprawia,
że byłyby poważne trudności z jego sprzedażą na światowych
rynkach węgla. To w pewnym sensie analogia do obecnej polskiej sytuacji. Węgiel słabszej jakości zalega na zwałowiskach
bo nie jest paliwem konkurencyjnym.
Sasol został sprywatyzowany w roku 1979 i znalazł się
początkowo na giełdzie w Johannesburgu, a w roku 2003 zaczął być notowany na giełdzie w Nowym Jorku. Akcje Sasola
w Johannesburgu można było wtedy kupić za 2,0 Afrykańskie
Randy. Na koniec 2012 roku jedna akcja kosztowała już 342,40
Randów. Fakt ten świadczy o sukcesie tej gałęzi przemysłu.
Wraz z dynamicznym rozwojem technologii chemicznych
w Sasol-u firma stał się przedsiębiorstwem globalnym o zasięgu
ogólnoświatowym. Jej zakłady produkcyjne i biura handlowe rozproszone są po całym świecie. Sasol ma swój oddział
w Polsce: „Sasol Poland” z siedzibą w Warszawie. Rozmieszczenie
placówek zagranicznych Sasol-u prezentuje rysunek 2.
Całą działalność operacyjną koncernu da się sprowadzić do
6 podstawowych procesów pokazanych za [2, 4] na rysunku 3
i 4. Odzwierciedla to w pewnym stopniu strukturę Koncernu
oraz schemat procesu technologicznego.
Koncern Sasol zajmuje się obecnie przetwórstwem chemicznym trzech podstawowych surowców [4]:
– węgla kamiennego,
– gazu naturalnego (ziemnego),
– ropy naftowej.
Rys. 1.Lokalizacja zakładów Koncernu Sasol na terenie RPA
Fig. 1. Location of Sasol company plants in South Africa
Rys. 2.Placówki produkcyjne i handlowe firmy Sasol w świecie [4]
Fig. 2. Manufacturing and commercial units of Sasol company in the world [4]
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Podstawowe operacje technologiczne wg schematu na
rysunku 3 [2, 4] to:
– Zgazowanie węgla (CTL) (1)
– Wysokotemperaturowa konwersja gazu w reaktorach SAS
(Sasol Advanced SyntholTM), (2).
– Separacja termiczna gazu bogatego w C2 i konwersja na
etylen i etan (3).
– Prawnie zastrzeżona technologia Sasol-u do odzysku
i oczyszczania α-olefin ze strumienia oleju (4).
– Reforming parowy gazu do postaci gazu syntezowego,
który jest surowcem do katalitycznej niskotemperaturowej
syntezy Fischera-Tropscha w procesie Sasol Slurry Phase
Destilate (Sasol SPDTM process) (5).
– Rafinacja ropy naftowej w zakładzie Natref w Sasolburgu
w celu uzyskania klasycznych produktów, jak: benzyna,
olej napędowy, parafiny, surowce do produkcji etylenu
i polietylenu oraz smoły i siarki (6).
3.1. Zgazowanie węgla (CTL)
Firma Sasol prowadzi proces zgazowania węgla jednocześnie w kilkudziesięciu gazyfikatorach (spośród 85
posiadanych), pracujących obecnie wyłącznie w fabryce
Secunda. Jest to typowe zgazowanie ciśnieniowe parowo-tlenowe. Produktami zgazowania jest gaz syntezowy będący
mieszaniną głównie wodoru i tlenku węgla, ale gaz ten jest
w sposób naturalny zanieczyszczony produktami ubocznymi występującymi w postaci kondensatów zawierających,
między innymi: smoły, oleje, związki azotu (amoniak)
siarkę i fenole. Po ochłodzeniu następuje oczyszczanie gazu
z powyższych produktów ubocznych, a czysty gaz przekazywany jest do dalszej obróbki w procesie Sasol Advanced
SyntholTM (SASTM).
W przeciwieństwie do oleju napędowego wyprodukowanego z ropy naftowej, syntetyczny olej napędowy z firmy
Sasol nie zawiera siarki i węglowodorów aromatycznych,
przez co jego jakość jest szczególnie wysoka (wysoka liczba
cetanowa LC).
3.2. Wysokotemperaturowa konwersja gazu w reaktorach
SASTM (Sasol Advanced SyntholTM)
Proces ten jest autentycznym wynalazkiem firmy Sasol.
Oczyszczony gaz przetwarzany jest w bateriach zawierających
po 10 reaktorów typu SASTM w temperaturze około 350 °C
z udziałem katalizatorów żelazowych. Produktami tej operacji są węglowodory o łańcuchach C1 do C20, oraz woda
i węglowodory utlenione, które po oczyszczeniu mogą być surowcem handlowym. Produkty tej konwersji są ochładzane do
uzyskania fazy ciekłej. Poprzez wykorzystanie różnego punktu
wrzenia, poszczególne węglowodory są od siebie oddzielane
i przekazane do dalszego etapu obróbki chemicznej. Docelowo
zmierza się do uzyskania gazu handlowego (rurociągowego),
który można łatwo sprzedać każdemu odbiorcy.
3.3. Separacja termiczna gazu bogatego w C2
Strumień gazu bogatego w C2 jest kierowany do konwersji
na etylen i etan. W procesie termicznego rozkładu w klasycznych piecach produkowany jest etylen, który następnie po
oczyszczeniu jest polimeryzowany do postaci polietylenu,
będącego w Sasol-u surowcem przemysłu polimerowego.
Z lekkich węglowodorów oczyszcza się propylen, który jest
dalej surowcem do produkcji butanolu oraz akrylu w innej
fabryce Sasol-u w Sasoloburgu. Pewne partie etylenu i propylenu są sprzedawane poza grupę Sasol do innych zakładów
chemicznych.
135
3.4. Technologia odzysku i oczyszczania α-olefin ze strumienia oleju
W bardzo specyficznej i prawnie zastrzeżonej technologii
ze strumienia oleju Sasol odzyskuje i oczyszcza trzy podstawowe α-olefiny z węglowodorów grupy C4 do C20 otrzymywanych w reaktorach SASTM. Są to: 1-pentan, 1-heksan,
1-oktan. Niektóre zakłady chemiczne wykorzystują te związki
do produkcji specyficznych polimerów i niektórych środków
agrochemicznych. W procesie oczyszczenia utlenionych węglowodorów będących produktami reaktorów SASTM grupa
Sasol produkuje alkohole, ketony, kwas octowy, etyl i octany,
które są wykorzystywane jako solventy. Specjalny oddział
firmy – Sasol Olefiny i środki powierzchniowo czynne – Sasol
Solvetn niektóre α-olefiny z grupy C11 i C12 przetwarza na
detergenty i alkohole.
3.5. Niskotemperaturowa konwersja gazu syntezowego
W zakładzie chemicznym w Sasolburgu, gdzie dostarczany
jest rurociągiem gaz ziemny z Mozambiku przeprowadza się
wysokotemperaturowy reforming parowy gazu w dwóch
autotermicznych reformerach (ATRs) do postaci gazu syntezowego. Następnie gaz ten w procesie katalitycznej niskotemperaturowej syntezy Fischera-Tropscha w procesie Sasol
Slurry Phase Destilate (Sasol SPDTM process) konwertowany
jest do postaci węglowodorów liniowych, w których otrzymuje
się woski i parafiny. W procesie tym używa się katalizatorów żelazowych lub kobaltowych. Zbudowane w Sasol-u
reaktory SPDTM (Slurry phase Destilate) są najistotniejszym
elementem trójstopniowej konwersji gazu do paliw płynnych
(GTL). Technologia ta została wykorzystana w fabryce paliw
w Katarze (ORYX GTL Plant) i będzie również zastosowana
w podobnym zakładzie w Nigerii.
Zakłady Sasol Solvent część gazu syntezowego
z Sasolburga przetwarzają na metanol i butanol. Natomiast
zakłady Sasol Nitro produkują amoniak, który jest dalej wykorzystywany do produkcji kwasu azotowego, z którego produkuje się materiały wybuchowe i nawozy sztuczne azotowe.
3.6. Rafinacja ropy naftowej
Trzeci sektor przetwórstwa paliw w Sasol-u to klasyczna rafinacja ropy naftowej w oddzielnym zakładzie Natref
w Sasolburgu. Sasol współpracuje z Natrefem na zasadzie
wspólnych przedsięwzięć joint-venture. Produkty rafinacji,
takie jak: benzyna, olej napędowy, olej opałowy, woski
i parafiny, surowce do produkcji etylenu i polietylenu oraz
smoły i siarki uzupełniają paletę produktów koncernu Sasol.
4. Zgazowanie węgla w Koncernie Sasol
Jak pokazano na schematach – rysunek 3 oraz rysunek
4 – linia konwersji węgla kamiennego sprowadza się do jego
gazyfikacji i przetwórstwa uzyskanego gazu syntezowego.
Proces zgazowania początkowo odbywał się w zakładzie
w Sasolburgu w małych reaktorach Lurgi charakteryzujących
się stosunkowo małą wydajnością.
Obecne gazyfikatory cechują się przerobem około 45 t
węgla/godz. Obecnie zakład Secunda ma 85 gazyfikatorów,
z których nieprzerwanie pracuje stale od 45 do 60. Reaktory
okazały się być niezawodnymi i bardzo trwałymi. Większość
z nich pracuje przez 4 lata bez konieczności remontu kapitalnego.
136
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 3. Schemat technologiczno-operacyjny koncernu Sasol [2, 4]
1. – Zgazowanie węgla (CTL); 2 – Wysokotemperaturowa konwersja gazu w reaktorach SAS (Sasol Advanced SyntholTM); 3 – Separacja termiczna gazu bogatego w C2 na etylen i etan; 4 – Prawnie zastrzeżona technologia Sasol-u do odzysku i oczyszczania α
-olefin ze strumienia oleju; 5 – Reforming parowy gazu do postaci syngazu – jako surowca do katalitycznej niskotemperaturowej
syntezy Fischera-Tropscha w procesie Sasol Slurry Phase Destilate (Sasol SPDTM process). 6 – Rafinacja ropy naftowej w zakładzie Natref w Sasolburgu
Fig. 3. Technological and operational scheme of Sasol company [2, 4]
1 – Coal gasification (CTL), 2 – High-temperature gas conversion in SAS (Sasol Advanced SyntholTM) reactors, 3 – Thermal
separation of C2-rich gas on ethylene and ethane, 4 – Legally protected Sasol technology for recovery and purification of α-olefins
from oil stream, 5 – Steam reforming of gas to syngas as a resource for catalytic low-temperature Fischer-Tropsch synthesis in the
Sasol Slurry Phase Destilate process (Sasol SPDTM process), 6 – Petroleum refining in Natref plant in Sasolburg
Rys. 4. Sasol – schemat instalacji do zgazowania i upłynniania węgla oraz jego przetwórstwa chemicznego [1]
Fig. 4. Sasol – scheme of the system of gasification, liquefaction and chemical processing of coal
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
4.1. Sasol Mining - podmiot odpowiedzialny za surowiec
do zgazowania
Według raportu BP [3] Afryka Południowa wydobyła
w roku 2013 łącznie 260 mln ton węgla i zajmuje 7 miejsce na
światowej liście producentów tego surowca. Polska w tej statystyce jest na miejscu 9 z wydobyciem 144,1 mln ton (węgiel
kamienny i brunatny razem). Koncern Sasol posiada obecnie
6 czynnych kopalń węgla kamiennego wydobywających
łącznie prawie 45 mln ton węgla rocznie i zatrudnia tylko
około 8 tys. pracowników.
Podstawowe warunku geologiczno-górnicze są bardzo
korzystne:
– głębokość eksploatacji: – 70÷250 m,
– zagrożenia naturalne: – (znikome – brak metanu),
– zaleganie pokładów – prawie poziome.
Znakomitą większość węgla – około 40 mln ton Sasol
przerabia w zakładzie chemicznym Secunda na paliwa płynne
gaz oraz na podstawowe surowce dla chemii organicznej, jak
również produkuje nawozy sztuczne i ostatnio nawet materiały
wybuchowe.
Węgiel do zgazowania cechuje się następującymi parametrami:
– kaloryczność węgla: 18 ÷ 20 MJ/kg,
– zawartość popiołu: 20 ÷ 40 %,
– granulacja węgla:
5 ÷ 100 mm.
Węgiel o granulacji poniżej 5 mm jest wykorzystywany
w kotłach produkujących parę lub sprzedawany do producentów energii elektrycznej, w tym miedzy innymi firmie Eskom.
Podobnie węgiel o kaloryczności przekraczającej 25
MJ/kg w ilości około 2,8 mln ton rocznie kierowany jest do
sprzedaży eksportowej.
Przeciętny skład gazu syntezowego przy zgazowaniu
węgla tlenowo-parowym w ciśnieniu równym 29 barów jest
następujący:
– CO 50÷60 %,
– H2 – około 25 %
– CH4 do 10 %
Plany strategiczne firmy Sasol względem węgla są bardzo stabilne i sięgają kilkudziesięciu lat w przód. Z tego
też względu Sasol bardzo dużo inwestuje w nowe kopalnie.
W ostatnich latach zainwestowano 14 mld Randów (1,4 mld
USD). W maju 2012 roku zainaugurowano budowę nowego
szybu (ruchu) „Thubelisha shaft” wydając na ten cel około
3,4 mld Randów (około 340 mln USD). Szyb ten ma zagwarantować wydobycie 9÷10 mln ton węgla rocznie przez najbliższe 25 lat. Do roku 2020 Sasol planuje odtworzyć około
137
60 % zdolności wydobywczej niezbędnej do płynnej pracy
fabryki Secunda.
Cały sukces afrykańskiego projektu: paliwa płynne
i chemikalia z węgla ma swój początek i ekonomiczne podstawy w bardzo niskich kosztach wydobycia i transportu węgla
do zakładu zgazowania. Na potrzeby zakładu zgazowania
węgla Secunda, węgiel wydobywany jest w 4 kopalniach
podziemnych (por. tabl. 1) i jednym zakładzie odkrywkowym
(Syferfontein Colliery). W tablicy 1 zestawiono zdolności
wydobywcze kopalń koncernu Sasol oraz ich odległości od
fabryki zagazowania. Bezpośrednie sąsiedztwo kopalń (najdalsza oddalona jest o 27 km) pozwala na transport węgla
przenośnikami taśmowymi wprost do zakładu zgazowania.
Wydobywany węgiel zaliczany jest do gorszych klas. Jest silnie zapopielony, a wartość opałowa nie przekracza 20 MJ/kg.
Ma to bardzo duże znaczenie dla końcowego efektu ekonomicznego przetwórstwa węgla na paliwa i środki chemiczne.
Na pytanie o koszty węgla na wejściu do procesu zgazowania eksperci Sasola często odpowiadają żartobliwie:
Nas węgiel nic nie kosztuje – bo mamy własne kopalnie.
Stwierdzenie to potwierdza słuszność wydłużania łańcucha
zależności ekonomicznych poprzez łączenie wielu elementów
cyklu produkcyjnego w całość. Oczywiście, że węgiel nie jest
za darmo, bo we własnych kopalniach za wydobycie też trzeba
zapłacić. Historycznie węgiel w RPA był bardzo tani. Początki
zgazowania węgla święciły sukcesy ekonomicznie przy cenie
ropy nie przekraczającej 10 USD/baryłkę. Obecnie 5 kopalń
wydobywa 45 mln ton węgla, ale kończące się tzw. łatwe
i tanie zasoby między innymi w kopalni Brandspruit będą
szybko uzupełnione prze budowaną kopalnię Impumelelo
z rocznym wydobyciem do 10,5 mln ton.
Kopalnie koncernu Sasol Mining operują na małej głębokości w granicach 70÷250 m. Eksploatują prawie poziome
pokłady udostępnione upadowymi z powierzchni i z reguły
mają jeden szyb pionowy funkcjonujący jako szyb wentylacyjny. Węgiel transportowany jest przenośnikami taśmowymi wprost z miejsca eksploatacji do zakładu zgazowania.
Najdłuższy przenośnik taśmowy w koncernie będzie miał 27
km długości i będzie dostarczał węgiel z nowo budowanej
kopalni Impumelelo.
Południowoafrykańskie górnictwo węgla kamiennego ma
na swym koncie wiele cennych doświadczeń, które można
zaliczyć do ważnych osiągnięć innowacyjnych w górnictwie
światowym. Należą do nich:
– Na dzień dzisiejszy Sasol uważany jest za największy
w świecie podziemny kompleks wydobywający węgiel
kamienny (około 45 mln ton).
Tablica 1. Kopalnie węgla kamiennego grupy Sasol należące do dywizji Sasol Mining
Table 1. Sasol Mining division-owned hard coal mines of the Sasol group
Kopalnia
Rodzaj kopalni
Bosjesspruit – Coal Mine
Brandspruit – Coal Mine
Impumelelo mine* (zastąpi kopalnie Brandspruit od 2014)
Middelbult – Coal Mine
Syferfontein Colliery
Twistdraai – Coal Mine
Thubelisha (budowana od 2012 r)
Sigma Colliery – Coal Mine (Sasolburg)
Suma
podziemna
podziemna
podziemna
podziemna
odkrywkowa
podziemna
podziemna
podziemna
Wydobycie roczne,
mln ton
7,0
9,0
10,5*
8,0
9,0
7,0
10,0*
5,0
45,0
Odległość kopalni od
zakładu zgazowania
Secunda
10,,0
9,0
27,0
17,9
12,5
17,0
17,0
*) Dwie nowo budowane kopalnie po uzyskaniu pełnej zdolności produkcyjnej wydobywać będą łącznie około 20 mln ton węgla rocznie.
*) Once obtaining full production capacity, exploitation of the two newly built mines will total ca. 20 mln tons of coal yearly.
138
PRZEGLĄD GÓRNICZY
– Sasol jako pierwszy na świecie zastosował wiercenia
kierunkowe, w tym wiercenia poziome, dzięki którym
może wydatnie zwiększyć stopień rozpoznania złoża.
Z jednego miejsca na powierzchni wierceniami można
przebadać 1000 hektarowy obszar w ciągu 6 miesięcy,
– Sasol wprowadził do górnictwa ciężkie kombajny chodnikowe continuous miner, które w połączeniu z obudową
kotwową stropu pozwalają osiągnąć olbrzymie postępy
w drążeniu wyrobisk korytarzowych w pokładach węgla
i dać bardzo duże ilości węgla.
– Kombajny te oraz obudowa kotwowa stropu pozwoliły na
powszechne wdrożenie systemu komorowo-filarowego,
wszędzie tam, gdzie wymagane było utrzymanie stropu
i zabezpieczenie powierzchni przed osiadaniem. System
komorowo-filarowy z kombajnami continuous miner
w wielu przypadkach wyparł system eksploatacji ścianowej.
– Sasol jako pierwszy na świecie wprowadził do górnictwa
przenośniki taśmowe o zakrzywionej trajektorii ruchu
taśmy.
– Sasol jako pierwszy na świecie w roku 1996 zbudował
wirtualne laboratorium do treningu operatorów ciężkiego
sprzętu górniczego, a zwłaszcza do szkolenia operatorów
kombajnów continuous miner.
– Sasol współuczestniczył w projekcie budowy dużego centrum edukacyjno-badawczego: Mining Industry Study
Centre w prestiżowym w RPA Uniwersytecie Pretoria
(rys. 5b).
Wymienione powyżej fakty to tylko przykładowe sukcesy, które sprawiają, że węgiel jako surowiec trafiający do
przetwórstwa chemicznego jest bardzo tani. Sasol bardzo
szczelnie chroni wielu swoich tajemnic. Chociaż powszechnie dostępne są coroczne raporty finansowe Koncernu, jako
spółki giełdowej, jednocześnie w żadnej publikacji nie można
dotrzeć do konkretnych danych finansowych. Z wypowiedzi
kompetentnych ekspertów Sasol-u wynika, że koszt węgla na
wejściu do procesu zgazowania nie może i nie przekracza
obecnie kwoty 20 USD/tonę. Cały proces produkcji paliw
płynnych oraz surowców chemicznych produkowanych
przez Sasol jest opłacalny do momentu, do kiedy cena ropy
naftowej jest wyższa od 80 USD/baryłkę.
Niska cena węgla to jest źródło sukcesu jego zgazowania
RPA od 60 lat i ostatnio także w Chinach. Tutaj trudno sobie
wyobrazić podobne ceny węgla kamiennego w Polsce, a przez
to bardzo trudno będzie mówić o sukcesie ekonomicznym
w procesie zgazowania węgla, tak w technologii naziemnej,
a tym bardziej podziemnej.
4.2. Sasol Technology Research and Development
Depaartment – 60 lat badań i innowacji w technologii
zgazowania
Sasol jest absolutnym liderem w skali światowej w technologii zgazowania węgla (CTL) oraz upłynniania gazu
w technologii GTL. Sasol zatrudnia najlepszych specjalistów od
technologii chemicznych z całego świata. Po sześćdziesięciu latach doświadczeń i fenomenalnym udoskonaleniu wielu ogniw
technologicznych, zwłaszcza opanowaniu zagadnienia katalizy
w procesie Fischera –Tropscha i zwiększeniu wydajności reaktorów nawet do 20 tys. baryłek/dobę wydawać by się mogło, że
proces jest w pełni opanowany. To jest tylko częściowo prawdą.
Wiodąca rola Sasol-u w tych technologiach polega na wiedzy
i programie dalszych badań. Zakład Badawczo-Rozwojowy
w Sasolburgu (Sasol Technology R&D) to gigantyczne i najnowocześniejsze centrum badawcze, współpracujące ze wszystkimi
liczącymi się Uniwersytetami Afryki Południowej oraz licznymi
ośrodkami naukowymi w przodujących krajach świata.
2014
Centrum badawcze zajmuje się głównie:
a) Badaniem paliw (Fuels Research) w obszarach:
– technologii chemicznych,
– inżynierii mechanicznej i procesów inżynierii produkcji,
– problemem mieszania i logistyki paliw,
b) Międzynarodowym serwisowaniem zaplecza technicznego energetyki (International Energy Technical Services);
c) Servisowaniem zaplecza technicznego energetyki
w Afryce Południowej (South Africa & Africa Energy
Technical Services); oraz
d) Zapewnieniem jakości produktów (Product Quality
Governance).
W odniesieniu do węgla zauważyć należy, że obecne
badania dotyczą głównie pełnej wiedzy o wydobywanym
węglu oraz o sposobie jego przygotowania i uśredniania jego
właściwości na potrzeby procesu konwersji na paliwa gazowe
i płynne. Konwersja Fischera-Tropscha wymaga idealnie stałych warunków procesu. Choć ogólnie znane są właściwości
wydobywanego węgla, to sukces zależy od bardzo wielu bardzo
szczegółowych właściwości. Węgiel z każdego pokładu jest
nieco inny. Do zakładu zagazowania trafia prosto z kopalni
i poza uśrednianiem i odsianiem frakcji poniżej 5 mm nie
prowadzi się na nim większych operacji przygotowawczych.
Każdy węgiel wsadowy ma nieco inny skład chemiczny i petrograficzny popiołu, inne temperatury topnienia substancji
niewęglowych i chcąc proces konwersji prowadzić z dużą
precyzją i dużą intensywnością oraz gwarancją stałości składu
gazu syntezowego, a potem dalszych produktów – wiedza na
jego temat musi być doskonała. Dlatego znaczna część centrum
badawczego w Sasolburgu przeznaczona jest do bardzo szczegółowego badania węgla jako wsadu do procesu zgazowania.
W tej części Centrum badawczo-rozwojowe posiada bardzo
dobrze wyposażone laboratoria do:
– przygotowania węgla do badań chemicznych i analitycznych (przeróbka mechaniczna kruszenie mielenie,
klasyfikacja),
– analizy mineralogicznej i petrograficznej składu węgla
kamiennego przeznaczonego do zgazowania,
– analizy termo-grawimetrycznej procesu konwersji węgla
ma paliwa płynne (CTL),
– analizy jakościowej i ilościowej związków chemicznych
i minerałów niewęglowych zawartych w węglu surowym,
– precyzyjnego badania i analizy temperatur topnienia popiołów zawartych w węglu,
– możliwości przetwórstwa i pełnego wykorzystania odpadów powstałych w procesie zgazowania węgla.
W laboratoriach chemicznych najważniejszym zadaniem
badawczym jest problem katalizy. Ogólnie wiadomo, że katalizator zmniejsza ilość energii potrzebnej do reakcji określonych
reagentów. W procesie Fischera-Tropscha powszechnie stosuje się katalizatory żelazowe. Znacznie wydajniejsze i lepsze
są katalizatory kobaltowe, ale te są tysiąc razy droższe [1],
stąd problem poszukiwania innych katalizatorów jest ciągle
aktualny. W Sasol-u pracuje nad tym problemem bardzo wielu
najwybitniejszych specjalistów z całego świata.
W pracach badawczych poza Centrum badawczym
w Sasolburgu należy zwrócić szczególną uwagę na dwa ściśle
współpracujące ośrodki:
– The Sasol Fuels Application Centre (Sasol FAC) w Cape
Town (Kapsztad), gdzie prowadzi się badania wzorcowe
w odniesieniu do jakości paliw oraz emisji w ciśnieniu
atmosferycznym na poziomie morza.
– The Sasol Advanced Fuels Laboratory (Sasol AFL), którego celem jest współpraca między innymi z Uniwersytetem
w Cape Town zogniskowana nad konstrukcją silników
spalinowych.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Dużym osiągnięciem Sasol-u jest pierwszy w świecie certyfikat zezwalający na produkcję i stosowanie w pasażerskim
ruchu lotniczym syntetycznego paliwa lotniczego. W roku
2010 Sasol otrzymał międzynarodową akceptacje na używanie paliw syntetycznych zwanych „Jet fuel” we wszystkich
typach turbinowych silników lotniczych. Podobnie paliwa
silnikowe zostały przetestowane i są stosowane do napędu
samochodów wyścigowych.
4.3. Akademickie szkolnictwo górnicze w RPA
Wizyta techniczna autora tej publikacji w Sasol-u zbiegła się z dorocznym zjazdem Society of Mining Professors
w Johannesburgu. Na zjeździe między innymi został zaprezentowany system uniwersyteckiego szkolnictwa górniczego
RPA. Trzeba przyznać, że w odróżnieniu od Europy i również
pozostałych kontynentów, jak Ameryka, Australia czy Azja
Afryka Południowa nie wstydzi się swojej potęgi górniczej,
tak w odniesieniu do wydobycia większości surowców mineralnych włączając złoto, platynę i diamenty, jak również
w odniesieniu do systemu edukacji górniczej.
W rejonie Johannesburga działają trzy uczelnie kształcące
inżynierów górniczych. Do najważniejszych należą: Wydział
Inżynieryjny Uniwersytetu Witwatersrand w Johannesburgu
oraz Wydział Inżynieryjny Uniwersytetu w Pretorii.
Kształcenie inżynierów dla górnictwa stoi na dobrym
poziomie. Powszechnie studenci zdobywają dobrą praktyczną
wiedzę w zakresie projektowania i prowadzenia eksploatacji
złóż surowców mineralnych z wykorzystaniem współczesnych narzędzi wspomagających w postaci programów
komputerowych do modelowania złóż oraz modelowania
numerycznego zjawisk geomechanicznych, czy projektowania wentylacji kopalń podziemnych. Przykładowo większość
zajęć kierunkowych z technologii górniczych w Uniwersytecie
Witwatersrand odbywa się w olbrzymim laboratorium komputerowym na 100 stanowiskach (rysunek 5a). Każdy student
posiada do dyspozycji stację graficzną wbudowaną w stole
swojego stanowiska z pełnym oprogramowaniem i możliwością prezentacji swojej pracy na czterech multimedialnych
ekranach widocznych w każdej części sali.
Imponującą infrastrukturę edukacyjną i badawczą posiada
Uniwersytet w Pretorii, który wielkim nakładem środków
w dużej części pochodzących z przemysłu górniczego,
139
wybudował Mining Industry Study Centre, (rysunek 5.b)
z imponującym wyposażeniem między innymi w laboratorium
„wirtualna kopalnia”, gdzie można zdobywać praktyczne
umiejętności pracując wyłącznie na symulatorach określonych
górniczych operacji technologicznych [4].
Sam przemysł górniczy nie narzeka na brak inżynierów
górniczych, a wręcz przeciwnie zatrudnia ich bardzo oszczędnie i racjonalnie. Przykładowo kopalnia złota Mponeng Mine
(głębokości 3,7 km) w koncernie Anglogold Ashanti zatrudniając około 7000 pracowników, ma w swojej kadrze tylko
10 inżynierów górników.
5. Podsumowanie
Bez względu na to, jaki był powód prac nad zgazowaniem
węgla w RPA, stwierdzić należy, że kraj ten dzięki determinacji oraz sprzyjających okoliczności osiągnął w tym zakresie
światowy sukces. Świadczy o tym rosnące zainteresowanie
tą technologią innych krajów, jak USA, Kanada, Chiny,
Katar, Nigeria itp. Komercyjne przetwórstwo około 40 mln
ton węgla rocznie i produkcja około 360 000 baryłek paliwa
dziennie oraz większości surowców dla chemii organicznej
RPA, potwierdzają najwyższy poziom opanowania tej bardzo
trudnej technologii.
W tym kontekście prace nad innymi, własnymi technologiami zgazowania węgla są wskazane, ale w procesie tym
należy zachować dużą cierpliwość i przygotować się na długą
drogę.
Nie należy zapominać o podstawowych barierach rozwoju
technologii zgazowania węgla, którymi są:
– dostępność odpowiedniej węglowej bazy surowcowej,
– niskie koszty pozyskania i transportu węgla do miejsca
zgazowania szacowane obecnie w RPA na poziomie poniżej 20 USD/tonę przy względnie dobrej kaloryczności
węgla oscylującej wokół 20 MJ/kg.
– względnie wysokie ceny ropy naftowej na światowych
rynkach przekraczające 80 USD/baryłkę oraz ich dostępność w miejscu planowanego przetwórstwa.
– Łatwość odbioru i zagospodarowania wszystkich
produktów zgazowania węgla.
Podsumowując wiadomości zdobyte w czasie tej podróży
studialnej do firmy Sasol stwierdzić należy, że firma ta może
Rys. 5.Przykładowe obiekty akademickiej edukacji górniczej w RPA (fotografie P. Czaja).
a) Studio komputerowe w Uniwersytecie Witwatersrand w Johannessburgu, b) Wzniesiony w ostatnich latach budynek
Mining Industry Study Centre na Wydziale Inżynieryjnym Uniwersytetu w Pretorii
Fig. 5. Examples of objects of academic mining education in South Africa (photos P. Czaja).
a) Computer studio in the Witwatersrand University in Johannesburg, b) Mining Industry Study Centre, within the Engineering Faculty of the University of Pretoria, erected in recent years
140
PRZEGLĄD GÓRNICZY
być i jest wizytówką RPA. Sasol jest laureatem wszystkich
prestiżowych nagród gospodarczych RPA i nie tylko. Jest
właścicielem dziesiątków patentów i tysięcy naukowych
publikacji.
Poza opanowaniem technologii zgazowania węgla, Sasol
obecnie bardzo aktywnie wchodzi w problematykę badawczą podejmowaną przez świat, dotyczącą prac nad nowymi
systemami pozyskania i zabezpieczenia energii potrzebnej
ludzkości. Dobrymi przykładami są tu miedzy innymi poniższe wydarzenia:
– W roku 2012 Sasol uruchomił w Sasolburgu własną
elektrownię o mocy 140 MW wykorzystującej jako napęd
– największe w Afryce silniki gazowe na gaz naturalny.
Rozwiązanie to zapewnia lepszy dostęp do energii, zmniejsza znacząco emisje CO2 i jednocześnie odciąża krajowy
system dystrybucji energii elektrycznej.
– Sasol we współpracy z Firmą OXIS Energy z Wielkiej
Brytanii uczestniczy w pracach nad nowymi bateriami akumulatorowymi. Baterie litowe z powodzeniem
zastąpiono bateriami polimerowo-litowo-siarkowymi
o znacznie większej gęstości i pojemności.
– Sasol z norweską firmą CO2 Technology Centre Mongstad
(TCM) podjął wspólne badania nad zagadnieniem sekwestracji dwutlenku węgla (Carbon Capture and Storage
– CCS) [4].
– Sasol we współpracy z ośrodkami naukowymi z Australii
prowadzi prace w zakresie wykorzystania metanu ze złóż
węgla kamiennego (Coal Bed Methane) między innymi
w Botswanie [4].
– Sasol współuczestniczy w programie badawczym nad systemami „Concentrated Solar Power” (CSP), rozwijanymi
dynamicznie na świecie.
– Sasol sponsorował budowę afrykańskiego pojazdu w pełni
napędzanego energią solarną, który przejechał 5400 km
w ciągu 11 dni nie korzystając z innych źródeł energii,
– Sasol we współpracy z kanadyjską firmą Ergo Exergy
Technologies Inc. prowadzi też wstępne prace z zakresu
podziemnego zgazowania węgla (UCG) [4].
– Produkując znaczne ilości gazu LPG, Sasol uczestniczy
w budowie sieci zaopatrzenia w to paliwo budynków
mieszkalnych i obiektów użyteczności publicznej
w znanym programie „Sasol Homegas”. W ostatnim
czasie zbudowano ponad 2200 takich instalacji w rejonie
Johannesburga.
Na podkreślenie zasługuje także dobra współpraca badawcza Sasol-u z uczelniami RPA i innych krajów świata, w tym
także z AGH w Polsce. Sasol wspiera finansowo bardzo wiele
działań edukacyjnych. W ostatnich latach Sasol przekazał
uczelniom RPA ponad 25 mln USD jednocześnie wydając
rocznie na badania naukowe prowadzone we własnych laboratoriach we współpracy z uczelniami, gdzie powstają innowacyjne rozwiązania oraz liczne patenty i prace doktorskie,
ponad 60 mln USD.
Sasol to firma, którą warto poznać bliżej, zwłaszcza gdy
planuje się badania z zakresu zgazowania węgla na potrzeby
energetyki, a także w celu jego konwersji na inne surowce
chemiczne.
Praca została wykonana w ramach Zadania Badawczego
nr 3 pt. „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla
wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac
rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania
energii”.
2014
Literatura:
1. Collings J.: Umysł nad materią. The Sasol Story: A half-century of
technological innovation. Wydawnictwo Sasol. www.sasol.com.
2. Sasol Technology R&D 2013. Better together .. we deliver. Broszura
informacyjna Kncernu dostępna również na stronie internetowej:www.
sasol.com.
3. Strona internetowa: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_
coal_production.
4. Strona internetowa: http://www.sasol.com/extras/sasol-facts-pres-2/
5. Technology in motion. Fuels technology. Broszura informacyjna Sasol
Technology R&D. www.sasol.com.
Załącznik 1.
Najważniejsze wydarzenia w historii Firmy Sasol
We wrześniu 1950 roku rząd Republiki Południowej
Afryki powołał do życia Firmę SASOL (the South African
Coal, Oil and Gas Corporation) jako spółkę skarbu państwa.
1948 Powstanie nowego Rządu Afryki Południowej zdeterminowanego do uniezależnienia energetycznego kraju
od światowych konfliktów i gier politycznyczno-gospodarczych.
1950 Utworzenie spółki SAASOL w celu uruchomienia
komercyjnej konwersji węgla kamiennego do paliw
płynnych.
1955 Pierwsza w świecie instalacja produkująca paliwa
płynne z węgla (CTL) oddana do użytku w Sasolburgu
znana pod nazwą „Sasol-1”
1967: Zakończono budowę Zakładu Katalizy w Sasolburgu.
1974: podjęto decyzję o budowie fabryki „Sasol 2” w miejscowości Secunda
1979: podjęto decyzję o budowie fabryki „Sasol 3” w miejscowości Secunda
1980: zakończono budowę fabryki „Sasol 2”
1982: Fabryka „Sasol 3” rozpoczęła produkcję.
1980: W Afryce Południowej rozpoczęto poraz pierwszy na
świecie produkcję niskosiarkowego oleju napędowego.
1990: Po serii intensywnych badań Sasol uruchamia unikatową w skali świata linie do produkcji górniczych
materiałów wybuchowych
1990 W Sasolburgu otwarto linie produkcyjną etanolu
wysokojakościowego.
1992: Linia produkująca 2500 baryłek paliwa dziennie została wyposażona w linię przetwarzającą frakcje smołowe
na parafinę
1992 ÷ 1995: W technologii paliw silnikowych podjęto się
produkcji paliwa I środków smarowniczych dla zespołu wyścigowego formuły 1 „Jordan Formula 1 racing
team”, demonstrując jakość paliw pochodzących ze
zgazowania. Fakt ten był przełomowy w torowaniu
drogi do międzynarodowych rynków dla paliw pochodzących ze zgazowania węgla.
1994: Otwarto linie produkcyjną hexanu i pentanu
1995: Uruchomiomnno pierwszy reactor typu Sasol AS
(Sasol Synthol Ulepszony)
1996: W fabryce Secunda uruchomiono pierwszą wyspecyfikowana linię produktów npropanolowych
1997 Zaprezentowano paliwa ze zgazowania jako paliwa
dla transport samochodowego.
1998 W Sasol-u uruchomiono produkcję koksu anodowego
1999: –Zastąpiono reaktor Syntholu reaktorem Sasol AS
(Sasol Synthol Zaawansowany)
–Uruchomiono linie produkcyjna etanolu wysokojakościowego w fabryce Secunda
Nr 11
2000:
2000
2003
2004 2006
2007
PRZEGLĄD GÓRNICZY
–uruchomiono ciąg technologiczny nr 1 do produkcji
oktenu
–Na lotnisku ORTIA w Johannesburgu zatankowano
pierwsze samoloty paliwem pochodzącym ze zgazowania węgla.
Uruchomiono ciąg technologiczny nr 3 do produkcji
hexenu
–Sasol rozpoczyna działalność inwestycyjna za poza granicami RPA (Malezja – fabryka etylenu i polietylenu).
–podpisanie umowy z Mozambikiem na dostawy gazu
ziemnego.
–Sasol wchodzi na Nowojorską giełdę papierów wartościowych,
–Rozpoczęcie budowy nowoczesnego kompleksu
przetwórczego GTL (gas to liquid) w Katarze.
Pierwsza dostawa gazu ziemnego z Mozambiku do fabryki w Secunda, przesyłanego zbudowanym rurociągiem.
Zakończona budowa fabryki paliw płynnych w Katarze
(instalacja ORYX GTL, która produkuje dziennie 32
400 baryłek paliw płynnych osiągając bardzo dobry
efekt ekonomiczny oraz bardzo wysokie standardy
bezpieczeństwa.
Sasol rozpoczyna współpracę z Chinami otwierając
swoje biuro handlowe w Shanghaju i promując głównie
swoje produkty chemiczne.
141
2008 Sasol tworzy nowy holding produkcji energii Sasol
New Energy Holdings.
Sasol wchodzi na rynek Indyjski we współpracy z firmą
Tata.
2009 Podpisanie umowy joint -venture z Uzbekneftegaz
i Petronas of Malaysia w celu budowy instalacji do
produkcji paliw płynnych z gazu w Uzbekistanie.
2009 Podpisanie umowy z European Technology Centre
Mongstad w Norwegii w celu prowadzenia wspólnych
badń nad CCS (carbon capture and storage)
2010 Rozszerzenie produkcji o nowe produkty jak pierwszy w pełni syntetyczne paliwo lotnicze, oraz olefiny
i surfaktanty.
2011 Wejście Sasol-u na rynek amerykański (British
Columbia i Kanada)
2011 Wykonanie feasibility study na budowę pierwszej
instalacji GTL w USA (projekt Lake Charles in
Louisiana).
2011 Rozpoczęcie współpracy z Australią w celu rozpoznania możliwości eksploatacji metanu z pokładów węgla
w Botswanie.
2012 Budowa nowej własnej elektrowni o mocy 140 MW
w Sasolburgu (opalanej gazem).
2012 Rozpoczęcie w fabryce w Secunda produkcji granulatów amonowych i wapniowych.
142
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Wskazówki dla Autorów współpracujących z „Przeglądem Górniczym”
Przegląd Górniczy (The Polish Mining Review) jest czasopismem naukowo-technicznym, merytorycznie obejmującym całokształt zagadnień związanych
z górnictwem kopalin stałych i jest organem Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Górnictwa.
Przegląd Górniczy w zakresie problematyki górniczej, jest bezpośrednim kontynuatorem Przeglądu Górniczo-Hutniczego założonego w dniu 1.10.1903 r.
Miesięcznik Przegląd Górniczy znajduje się w wykazie, Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, wybranych czasopism punktowanych. Zgodnie
z najnowszymi zmianami MNiSzW (załącznik do komunikatu MNiSzW z dnia 17 grudnia 2013 r.) za umieszczone w PG publikacje naukowe uzyskuje się
6 punktów.
Przegląd Górniczy podlega ocenie przez Zespół ekspertów afiliowanych przy Komitecie Ewaluacji Jednostek Naukowych, w tym celu Redakcja wypełnia, w terminach ustalonych przez MNiSzW, generator ankiety aplikacyjnej czasopisma naukowego. Nowa ankieta – kreator czasopisma Przegląd Górniczy,
w systemie PBN/New journal guestion-naire submitted to the Polish Scholarly Bibliography, została złożona 12 lipca 2013 r.
Redakcja – Komitet Redakcyjny i Rada Naukowa – przestrzega zasad opracowanych przez MNiSzW przyjmowania i przygotowania do druku zgłaszanych do publikacji artykułów – szczegółowa procedura pokazana jest w niniejszej informacji dla Autorów.
I. Schemat cyklu wydawniczego w Przeglądzie Górniczym
Wydawca Przeglądu Górniczego (ZG SITG) opracował instrukcję wydawniczą obowiązującą od roku 2011 do 2015. Obowiązuje ona Redakcję PG
i jest także informacją dla Autorów.
II. Zgłaszanie artykułów do druku
Redakcja prosi Autorów zgłaszających artykuły do druku w Przeglądzie Górniczym o przestrzeganie poniższych zaleceń. Przyspieszy to istotnie datę
opublikowania artykułu.
1. Treść artykułów i sposób ich ujęcia powinny odpowiadać poziomowi i profilowi tematycznemu publikacji w „PG”.
2. Nadsyłane artykuły powinny stanowić zamkniętą tematycznie całość i ujmować w zasadzie tylko jedno zagadnienie czy też przegląd stanu i perspektyw
jakiegoś działu nauki, techniki, czy (lub) technologii górniczej.
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
143
3. Każdy artykuł należy rozpocząć krótkim wprowadzeniem i zakończyć wnioskami lub podsumowaniem. Podać należy obowiązkowo słowa kluczowe.
4. Na końcu artykułu na oddzielnej karcie zatytułowanej Literatura, należy obowiązkowo podać ponumerowany wykaz literatury. Należy zamieścić tytuły
artykułów związanych z prezentowaną tematyką publikowanych w Przeglądzie Górniczym. Wykaz artykułów, wraz ze streszczeniami, znajduje się na
stronie internetowej PG pod adresem www.sitg.pl/strona-przeglad_info.html
5. Objętość artykułów powinna mieścić się w granicach 12÷14 stron maszynopisu; jedynie wyjątkowo objętość ta może być większa, jeżeli redaktor
działowy uzna to za konieczne ze względu na celowość ujęcia w jednorazowej publikacji tematycznej całości zagadnienia, a naczelny redaktor wyrazi
na to zgodę.
6. Do każdego artykułu należy obowiązkowo dołączyć streszczenie o objętości około 20 wierszy. Streszczenia tłumaczone są na języki: angielski, rosyjski,
niemiecki i francuski. Należy je tak przygotować, aby obcojęzyczni czytelnicy abstraktów mieli jasną informację co do treści artykułu. W streszczeniu
można powołać się na wykresy, tabele, wzory. Zaleca się dołączenie tłumaczenia w języku angielskim. Mile widziane będą tłumaczenia streszczeń na
inne ww. języki.
7. Tytuły artykułów, tytuły tablic, podpisy pod rysunkami, fotografiami i innymi ilustracjami oraz słowa kluczowe obowiązkowo należy podać w językach
polskim i angielskim.
8. Do artykułów należy dołączyć fotografię Autora (Autorów) formatu 4 × 5 cm barwną lub czarno-białą (ze względu na naukowy charakter Wydawnictwa
wymaga się zdjęcia w odpowiednim ubiorze). Nie będą publikowane artykuły gdy nie będzie kompletu zdjęć autorów. Zdjęcia należy podpisać tytułami,
imionami i nazwiskami. Przy każdym nazwisku gwiazdkami należy podać afiliację autorów, której pełny tekst zamieszczony zostanie u dołu pierwszej
kolumny tekstu. Zaleca się podawanie adresów e-mailowych, które ułatwią kontakt czytelników z autorem (autorami). Adresy te umieszczane będą pod
nazwiskami autorów.
9. Tekst należy przygotować w edycji komputerowej, stosując jeden z edytorów tekstu:(Word 97, Word XP) z oznaczeniem wersji edytora tekstu i rysunków.
Do maszynopisu należy dołączyć płytę CD z plikiem tekstowym i rysunkami. Kompletny artykuł należy także przesłać pocztą elektroniczną na adres
[email protected] . Wersję poprawioną jeżeli będzie taki wymóg recenzentów, wraz z płytą CD należy przesłać pocztą na adres: Redakcja Przegląd
Górniczy, ul. Powstańców 25, 40-952 Katowice lub dostarczyć osobiście.
10. Warunkiem opublikowania artykułu jest uzyskanie dwóch pozytywnych recenzji. Recenzentów wyznacza Komitet Redakcyjny.
11. Autorzy obowiązkowo składają oświadczenie, że praca nie była i nie będzie w tej samej postaci publikowana w innym czasopiśmie, a także oświadczenia o przenoszeniu autorskich praw majątkowych i niewystępowania przypadków „ghostwriting” i „guest authorship”. Formularze oświadczeń są
w niniejszej informacji oraz do pobrania na stronie internetowej PG.
12. W przypadku konieczności wykorzystania w innych czasopismach wykresów, tablic, rysunków, fotografii, schematów itp., zamieszczonych w artykule
opublikowanym w Przeglądzie Górniczym, autorzy zobowiązują się zwrócić do Redakcji PG o wyrażenie na to zgody. Cytowane w innych czasopismach
materiały opublikowane w PG należy zaopatrzyć w informację (Przegląd Górniczy, rok, nr zeszytu, strona, nr np. fot.).
13. W artykułach nadsyłanych do PG należy stosować jednostki systemu SI (System International).
14. Autor wydrukowanego artykułu otrzymuje bezpłatnie jeden egzemplarz czasopisma. Nie dotyczy to recenzentów (opiniodawców). Redakcja nie przewiduje honorariów autorskich.
15. W związku z bardzo dużą ilością artykułów zgłaszanych do druku w PG Redakcja zastrzega sobie prawo publikowania w pierwszej kolejności prac
autorów, których afiliowana przez nich jednostka prenumeruje Przegląd Górniczy.
III. Zasady recenzowania artykułów
Procedura recenzowania artykułów do druku w Przeglądzie Górniczym jest zgodna z kryteriami i trybem czasopism naukowych podanymi w załączniku Komunikatu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 4 września 2012 r. Podstawowe zasady recenzowania publikacji podano poniżej oraz
udostępniono na stronie internetowej Przeglądu Górniczego.
1. Do oceny każdej publikacji powołuje się co najmniej dwóch Recenzentów spoza jednostki naukowej afiliowanej przez Autora (Autorów) publikacji.
2. W przypadku publikacji w języku obcym, co najmniej jeden z Recenzentów jest afiliowany w instytucji zagranicznej mającej siedzibę w innym państwie
niż państwo pochodzenia Autora publikacji.
3. Autor lub Autorzy publikacji i Recenzenci nie znają swoich tożsamości (tzw. „double-blind review proces”); w innych rozwiązaniach Recenzent musi
podpisać deklarację o niewystępowaniu konfliktu interesów, przy czym za konflikt interesów uznaje się zachodzące między Recenzentem a Autorem
bezpośrednie relacje osobiste (pokrewieństwo do drugiego stopnia, związki prawne, związek małżeński), relacje podległości zawodowej lub bezpośrednią
współpracę naukową w ciągu ostatnich dwóch lat poprzedzających rok przygotowania recenzji.
4. Większość (co najmniej 75 %) Recenzentów zgłoszonych publikacji stanowią Recenzenci zewnętrzni, czyli osoby nie będące członkami Rady Naukowej
Przeglądu Górniczego, niezatrudnione w redakcji Przeglądu Górniczego lub w podmiocie, w którym afiliowany jest redaktor naczelny Przeglądu Górniczego.
5. Nazwiska Recenzentów poszczególnych publikacji lub numerów wydań Przeglądu Górniczego nie są ujawniane; raz w roku Przegląd Górniczy podaje
do publicznej wiadomości listę współpracujących Recenzentów; lista publikowana jest w zeszycie 12/danego roku i na stronie internetowej PG.
6. Kryteria kwalifikowania lub odrzucenia publikacji i formularz recenzji są podane do publicznej wiadomości na stronie internetowej Przeglądu Górniczego
oraz zamieszczone poniżej.
7. Recenzja ma formę pisemną i zawiera jednoznaczny wniosek Recenzenta dotyczący dopuszczenia artykułu do publikacji lub jego odrzucenia.
8. Artykuły informacyjne, reklamowe, teksty polemik i dyskusji nie wymagają recenzji.
IV. Formularz recenzji
Redakcja Przeglądu Górniczego przygotowała formularz recenzji maszynopisu przesłanego do opublikowania w Przeglądzie Górniczym. Formularz ten
wypełniają powołani przez kolegium redakcyjne Recenzenci. Formularz zawiera odpowiedzi na podane następujące pytania.
1. Kategoria rękopisu/artykuł naukowy/ przeglądowy/ opis doświadczeń/................................................................................................................................
2. Zakres / uniwersalny/ lokalny/ ściśle lokalny/.......................................................................................................................................................................
3. Czy tytuł jest zwięzły i właściwy w stosunku do treści – (tak, nie).......................................................................................................................................
4. Czy tekst jest uporządkowany i napisany w sposób jasny – (tak, nie)...................................................................................................................................
5. Czy jasno określone są główne argumenty – (tak, nie)..........................................................................................................................................................
6. Czy wyniki są oryginalne – (tak, nie).....................................................................................................................................................................................
7. Czy wnioski są logiczne i uzasadnione – (tak, nie)................................................................................................................................................................
8. Czy dane są dokumentowane – (tabelarycznie lub graficznie) – (tak, nie).............................................................................................................................
9. Czy rysunki i tablice są właściwe i czytelne – (tak, nie)........................................................................................................................................................
10. Czy rysunki i tablice zawierają podpisy również w języku angielskim – (tak, nie)..............................................................................................................
11. Czy streszczenie wystarczająco informuje o treści artykułu – (tak, nie)...............................................................................................................................
12. Czy objętość artykułu jest właściwa – czy wymaga drobnych / znacznych zmian...............................................................................................................
13. Czy literatura jest – (optymalna/ częściowo niepotrzebna/ występują pewne braki).............................................................................................................
14. Czy artykuł można opublikować – (w obecnej formie/z poprawkami/po całkowitym przeredagowaniu)................................................................................
15. Czy artykuł należy odrzucić – (tak, nie)..................................................................................................................................................................................
144
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Recenzent przekazuje sporządzoną na formularzu recenzję do redakcji Przeglądu Górniczego. Każda odpowiedź „nie” (za wyjątkiem pkt. 10, 11) wymaga
uzasadnienia lub zalecenia dołączonego do recenzji (na odwrocie formularza). Sekretarz redakcji kieruje recenzję zawierającą uwagi krytyczne do Autora
(zgłaszającego artykuł do druku).
Autor powinien w ciągu jednego miesiąca dokonać wymaganych poprawek. Autor może nie zgodzić się z uwagami Recenzenta – w takim przypadku
przygotowuje pisemną odpowiedź na recenzję. Jeżeli Recenzent stwierdzi konieczność, po wprowadzeniu poprawek przez autora lub nie zgodzeniu się
z uwagami powtórnej recenzji, sekretarz redakcji kieruje ponownie artykuł do Recenzenta. Nie ustosunkowanie się do propozycji Recenzenta lub brak odpowiedzi na uwagi przez Autora po miesiącu uważane będzie automatycznie – bez powiadomienia Autora za rezygnację z publikacji.
W przypadku recenzji negatywnej (odrzucenie artykułu) Kolegium Redakcyjne podejmuje decyzję o odrzuceniu pracy lub może skierować artykuł do
kolejnego Recenzenta.
Uwaga. Formularz recenzji jest do pobrania na stronie internetowej www.sitg.pl/strona-przeglad_info.html
V. Procedura zabezpieczająca przed zjawiskiem ghostwriting i guest authorship
Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego żąda wdrożenia procedury ujawniania wkładu poszczególnych Autorów w powstanie publikacji.
W Komunikacie z dnia 4.10.2012 roku podano, że ocena czasopisma zależeć będzie od wprowadzenia tzw. zapory ghostwriting.
„Rzetelność w nauce stanowi jeden z jej jakościowych fundamentów. Czytelnicy powinni mieć pewność, iż Autorzy publikacji w sposób przejrzysty,
rzetelny i uczciwy prezentują rezultaty swojej pracy , niezależnie od tego czy są jej bezpośrednimi autorami, czy też korzystali z pomocy wyspecjalizowanego
podmiotu (osoby fizycznej lub prawnej).
Dowodem etycznej postawy pracownika naukowego oraz najwyższych standardów redakcyjnych powinna być jawność informacji o podmiotach przyczyniających się do powstania publikacji (wkład merytoryczny, rzeczowy, finansowy ect.), co jest przejawem nie tylko dobrych obyczajów, ale także społecznej
odpowiedzialności”.
Redakcja Przeglądu Górniczego wprowadza więc odpowiednie procedury aby przeciwdziałać przypadkom:
– ghostwriting – z przypadkiem tym mamy do czynienia wówczas, gdy ktoś wniósł istotny wkład w powstanie publikacji, bez ujawnienia swojego
udziału jako jeden z Autorów lub bez jego roli w podziękowaniach zamieszczonych w publikacji,
– guest authorship (honorary autorship) – z przypadkiem takim mamy do czynienia wówczas, gdy udział Autora jest znikomy lub wogóle nie miał
miejsca, a pomimo to jest autorem/współautorem publikacji.
Redakcja Przeglądu Górniczego wymagać będzie od Autorów publikacji ujawnienia wkładu poszczególnych Autorów w powstanie publikacji (z podaniem ich afiliacji oraz kontrybucji tj. kto jest autorem koncepcji, założeń, metod, protokołu itp. wykorzystywanych przy przygotowaniu publikacji); przy czym
główną odpowiedzialność ponosi Autor zgłaszający manuskrypt i podpisujący stosowne oświadczenie.
Osoba wnosząca istotny wkład w powstanie publikacji, a nie będąca współautorem, powinna być wymieniona w podziękowaniach zamieszczonych w publikacji.
Redakcja powinna uzyskać informację o źródłach finansowania publikacji, wkładzie instytucji naukowo-badawczych, stowarzyszeń i innych podmiotów
(„financial disclosure”). Informacje te są jawne i powinny się znaleźć w tekście artykułu, przed spisem literatury, w „Podziękowaniach”.
Zgodnie z tekstem Komunikatu MNiSzW redakcja będzie dokumentować wszelkie przejawy nierzetelności naukowej, zwłaszcza łamania i naruszania
zasad etyki obowiązującej w nauce. Wszelkie wykryte przypadki „ghostwriting” lub „guest authorship” będą demaskowane, włącznie z powiadomieniem
odpowiednich podmiotów (instytucje zatrudniające autorów, towarzystwa naukowe, stowarzyszenia edytorów naukowych itp.).
Uwaga. Formularz oświadczenia jest do pobrania na stronie internetowej www.sitg.pl/strona-przeglad_info.html.
VI. Instrukcja sposobu przygotowania maszynopisu artykułu
• Praca powinna być napisana jednostronnie pismem maszynowym, na ponumerowanych arkuszach A-4, na stronie około 30 wierszy pisma z około 60
znakami w wierszu; margines z lewej strony powinien mieć szerokość 3÷3,5 cm, natomiast z prawej strony około 1 cm.
• W miejscu tekstu, gdzie ma być umieszczony rysunek lub tablica, należy podać na marginesie z lewej strony: Rys. 1, Rys. 2, Tabl. 1, Tabl. 2 itd.
• Wszelkie rysunki, wykresy, schematy, fotografie należy nazywać w tekście rysunkami i numerować kolejnymi cyframi arabskimi; tablice i tabele także
numerować kolejnymi cyframi arabskimi. Pod nimi należy podać źródło pochodzenia (np. opracowanie własne lub nazwisko i pozycja literatury z której
zostało zacytowane).
• Na zacytowanie (w formie ich przedrukowania) rysunków, wykresów, schematów, tabel itp. z publikacji innych Autorów należy uzyskać zgodę redakcji
czasopisma, w którym były zamieszczone i opatrzyć podpisem „Za zgodą Redakcji czasopisma ............”.
• Nazwy użytych liter greckich należy podawać na lewym marginesie w brzmieniu fonetycznym np. α – alfa; γ – gamma.
• Do każdej pracy powinien być dołączony na oddzielnych arkuszach spis podpisów pod rysunkami i spis tablic.
• Rysunki należy wykonać w edycji komputerowej, przestrzegając obowiązujących zasad rysunkowych. Opis rysunków powinien być wykonany pismem
prostym Times o wysokości 10p. (przy założeniu, że rysunek zostanie wydrukowany w skali 1:1; maksymalna szerokość z opisem rysunku jednoszpaltowego wynosi 8,5 cm, a dwuszpaltowego 17,5 cm).
• Tablice powinny być wykonane na oddzielnych arkuszach formatu A4.
• Przy cytowaniu wzorów należy stosować podany schemat np.:
(1)
gdzie: Rm – wytrzymałość na rozciąganie, MPa
P – siła MN
F – pole przekroju próbki, m2 .
Indeksy górne, dolne i wykładniki potęgowe należy pisać szczególnie dokładnie i wyraźnie.
Wzory numerować kolejno cyframi arabskimi w nawiasach okrągłych.
• Fotografie powinny być wykonane kontrastowo na papierze gładkim, błyszczącym z delikatnym, wykonanym ołówkiem, opisem zawierającym numer
rysunku, nazwisko Autora (Autorów) i pierwsze tytuły opracowania, umieszczonym na odwrocie zdjęcia. Gdy zachodzi obawa odwrócenia fotografii lub
rysunku, należy strzałkami zaznaczyć prawidłowe jego usytuowanie (G –góra, D – dół). Minimalne wymiary fotografii (z wyjątkiem mikroskopowych)
9×12 cm. Na fotografii mikroskopowej pożądane jest umieszczenie odcinka z określeniem jego rzeczywistej długości.
• Literaturę, której wykaz podaje Autor artykułu cytuje się następujący sposób:
Książki: Nazwisko i inicjały imion autora; dwukropek; tytuł pracy (pełny); kropka; Oznaczenie wydania (np. Wyd. 3); Miejsce wydania; nazwa wydawcy
(np. Wydawn. Geologiczne) rok wydania; przecinek; liczba stronic; jeżeli cytujemy fragment tekstu (np. s. 170-173).
Przykład: Broen A.: Kombajny chodnikowe. Wyd. 2. Katowice Śl. Wydawn. Techn. 1992
Czasopisma: Nazwisko i inicjały imion autora; dwukropek; tytuł artykułu; kropka; nazwa czasopisma (ew. obowiązujący skrót) rok wydania (ew. tom
lub wolumin; t., vol); numer zeszytu ew. numer stronicy lub stronic (pierwszej i ostatniej).
Przykład: Winter K.: Desorbierbarer Methan gehalt und ausgasungs verhalten von Kohle. Glűckauf-Forschungshefte 1975, Nr 3.
Uwaga: Wszystkie elementy opisu podajemy w języku oryginału (poza oznaczeniem stronic). W przypadku alfabetów cyrylickich np. jęz. rosyjski,
ukraiński, bułgarski) stosuje się transliterację – zgodnie z normą PN-70/N-01201.
Powołania się w tekście na literaturę dokonuje się wyłącznie przez podanie w nawiasie kwadratowym numeru zgodnego ze spisem literatury, np. [3]. Nie
będą przyjmowane artykuły, w których cytowanie literatury odbywa się poprzez wymienianie w tekście nazwisk autorów i roku publikacji (sposób
stosowany w niektórych czasopismach).
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
145
Oświadczenie Autorów w sprawie przeniesienia
praw autorskich i majątkowych
1. Podpisani poniżej Autor/Autorzy oświadcza(ją), że napisali zgłoszony do druku w Przeglądzie Górniczym artykuł zwany
dalej „utworem” pt:
.................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................
2. Autorzy/Autor przenosi(szą) na Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa Wydawcę Przeglądu Górniczego w Katowicach autorskie prawa majątkowe do utworu bez honorarium autorskiego
w zakresie opublikowania w wersji papierowej i elektronicznej utworu, w miesięczniku Przegląd Górniczy. Prawa obejmują
następujące pola eksploatacyjne:
• utrwalanie i zwielokrotnianie utworu za pomocą techniki drukowanej, reprograficznej, zapisu cyfrowego, zapisu magnetycznego,
• obrót oryginałem wydrukowanego w Przeglądzie Górniczym utworu, egzemplarzami jego kopii, ich wynajmowanie,
użyczanie, udostępnianie,
• udostępnianie utworu w taki sposób, że każdy zainteresowany może mieć do niego dostęp w czasie i miejscu przez
siebie wybranym,
3. Autor/ Autorzy zapewnia(ją), że utwór jest całkowicie oryginalny i nie był do tej pory publikowany i nie zawiera żadnych
zapożyczeń z innego dzieła, które mogłyby spowodować odpowiedzialność Wydawcy, oraz że prawa autorskie Autora/
Współautorów do tego utworu nie są ograniczone w zakresie objętym niniejszym oświadczeniem.
4. W przypadku gdy Autor/Autorzy włączył(li) do utworu ilustracje lub inne materiały chronione prawem autorskim, to obowiązany(ni) jest (są) do uzyskania pisemnego zezwolenia, od osoby uprawnionej, do ich wykorzystania przez Wydawcę
oraz zobowiązuje(ją) się do uregulowania w własnym zakresie związanych z tym kosztów.
5. Wydawca ma prawo dokonania koniecznych zmian utworu wynikających z opracowania redakcyjnego. Nie narusza ono
praw autora w zakresie autorskich praw osobistych.
6. Współautorzy oświadczają, że Autorem głównym (do korespondencji) jest:
.............................................................................tel. kontaktowy ...................................
Imię i Nazwisko
Adres zamieszkania
(z kodem)
Afiliacja
Podpis
Katowice, dnia ............................................
146
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Oświadczenie Autorów w sprawie zapór
„GOSTHWRITING” i „GUEST AUTHORSHIP”
1. Tytuł artykułu do opublikowania w Przeglądzie Górniczym
.................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................
2. Autor/Autorzy artykułu (podać imię i nazwisko, tytuły naukowe, email)
.................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................................
Na podstawie Komunikatu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 4 września 2012 r. wyjaśniającego pojęcia
„gosthwriting” i „guest authorship” opublikowane w Informacji dla Autorów Przeglądu Górniczego Autorzy składają
poniższe oświadczenia.
3. Oświadczenie w związku z zaporą „ghostwriting”
Autor(autorzy) oświadcza(ją), że nie zachodzi przypadek pominięcia osoby, wnoszącej istotny wkład w powstanie publikacji, w składzie autorów. Osoby pomagające w badaniach będących podstawą publikacji są wymienione
w „Podziękowaniach”.
[Uwaga: jeżeli taki przypadek nie zachodzi, proszę przekreślić ostatnie zdanie i parafować przez głównego Autora].
4. Oświadczenie w związku z zaporą „guest authorship”
Autor (autorzy) oświadcza(ją), że wśród współautorów nie ma osoby, której udział w przygotowaniu publikacji nie miał
miejsca lub jej udział był znikomy.
5. Oświadczenie o źródłach finansowania publikacji
Autor (autorzy) oświadcza(ją), że jednostki będące źródłem finansowania publikacji „financial disclosure” oraz podmioty
mające istotny wkład w przygotowanie publikacji są wymienione w „Podziękowaniach” [Uwaga: jeżeli takie przypadki nie występują, proszę przekreślić to oświadczenie i parafować przez głównego Autora].
6. Oświadczenie ujawniające wkład poszczególnych Autorów w powstanie publikacji
Autor (autorzy) oświadcza(ją) zgodnie, że ich udział procentowy w powstaniu publikacji wynosi:
– Autor główny ................................................................... udział .....................%
Imię i Nazwisko
– Współautorzy:
..............................................................................................udział ......................%
Imię i Nazwisko
..............................................................................................udział ......................%
Imię i Nazwisko
..............................................................................................udział ......................%
Imię i Nazwisko
..............................................................................................udział ......................%
Imię i Nazwisko
7. Autor (autorzy) oświadcza(ją), że powyższe informacje są zgodne z rzeczywistością oraz zdają sobie sprawę, że nieprawdziwe oświadczenia będą, zgodnie z tekstem Komunikatu MNiSzW, „demaskowane włącznie z powiadomieniem
odpowiednich podmiotów”.
Podpisy
Autor główny
Współautorzy
...............................................
.......................................
...............................................
........................................
.................................................
Nr 11
INHALT
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Nr 11
DK 622.333: 622.1: 550.8
Strugała A.: Die Untersuchungen der Vergasung von Kohle im Rahmen des
Projekts NCBiR. Przegląd Górniczy 2014 Bd. 70 , Nr. 11., S. 1÷4, 4 Abb.
Kohle. Vergasung. Pilotanlagen. Projekt R&D.
In dem Artikel wurden die wichtigsten Aufgaben eines vom wissenschaftlichindustriellen Konsortium „Vergasung von Kohle“ realisierten strategischen Projekts NCBiR mit dem Titel „Erarbeitung einer Kohlevergasungstechnologie zur
hocheffektiven Herstellung von Brennstoffen und Strom“ dargestellt. Es wurde
unter anderen die Konzeption der Vergasung mit Sauerstoff in Pilotausmaß präsentiert; die Konzeption basiert auf Vergasung in einem Druckreaktor (CFB) unter
Ausnutzung von Kohlenstoffdioxid als Rohstoff. Es wurde auch die im Rahmen
des NCBiR-Projekts entwickelte Untertagevergasung von Steinkohle dargestellt.
DK 622.333: 622.1: 550.8
Dubiński J., Koteras A.: Der heutige Zustand und die Entwicklungsrichtungen der
Technologie von Untertagevergasung von Kohle in der Welt. Przegląd Górniczy
2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 5÷12, 8 Abb., 1 Tab.
Untertagevergasung von Kohle. Vergasung von Kohle in situ. Saubere Energie.
Kohleaufbereitungstechnologien.
Die Untertagevergasung von Kohle ist eine in situ Vergasungstechnologie, d.h. die
Kohleflöze werden direkt dort wo sie lagern vergast. Die Konzeption der Untertagevergasung ähnelt sehr der Vergasung an der Oberfläche, wo das Synthesegas
in den gleichen chemischen Reaktionen entsteht. Die in der Welt sowie im Lande
durchgeführten Untersuchungen der Untertagevergasung von Kohle haben gezeigt,
dass volle Kontrolle des Vergasungsprozesses schwer zu realisieren ist. In dem
Artikel wurden der aktuelle Wissenstand, die Realisierung der Projekte und die
Entwicklungsrichtungen der Untertagevergasung von Kohle in der Welt dargestellt. Es wurden auch die Herausforderungen für die kommerzielle Anwendung
der Untertagevergasung von Kohle in Anlehnung an bisherige Errungenschaften
charakterisiert.
DK 622.332: 622.1: 550.8
Hajdo S., Kasztelewicz Z., Polak K., Galiniak G., Różkowski K.: Umwelt,
Technologie, Wirtschaft – die Faktoren die für die Perspektive der Bewirtschaftung der polnischen Braunkohlelagerstätten mit zur Hilfenahme von Vergasung
entscheidend sind. Przegląd Górniczy 2014 Bd. 70 Nr. 11., S. 13÷19, 2 Tab., 18 Lit.
Braunkohle. Untertagevergasung von Kohle.
In dem Artikel wurden die wichtigsten technologischen Bedingungen, sowie
Umwelt- und Lagerstättenbedingungen dargestellt, die für die Qualifizierung
der Braunkohlelagerstätten zur Vergasung entscheidend sind. Die Bedingungen
wurden bestimmt mit der Annahme, dass ihre Erfüllung die Untertagevergasung
erlauben würde, in folge derer ein Brenngas gewonnen wird, das in weiteren
Prozessen der Energiegewinnung oder chemischer Synthese verwendet werden
könnte. Die bestimmten Bedingungen (Kriterien) sind erste Kriterien, weil die
bisherigen in der Welt durchgeführten Versuche, die Kohle dieser Art unter Tage
zu vergasen, erfolglos geblieben sind.
DK 622.333: 622.1: 550.8
Chećko J., Głogowska M., Warzecha R., Urych T.: Die Beurteilung der Steinkohlevorräte für den Zweck der untertägigen Festbettvergasung von Kohle in
den Lagerstätten der tätigen Bergwerken von Kompania Węglowa S.A. in dem
Oberschlesischen Steinkohlenrevier. Przegląd Górniczy 2014 Bd. 70 Nr. 11., S.
20÷27, 11 Abb., 14 Lit.
Kohlevergasung. Kohlevorräte. Festbettvergasung von Kohle.
Der Artikel enthält die Ergebnisse der durchgeführten Beurteilung der Kohlevorräte
des Oberschlesischen Kohlenreviers, die zum Zweck der Untertagevergasung von
Kohle bestimmt sein sollten. Die Beurteilung wurde im Rahmen des Projekts mit
dem Titel „Erarbeitung einer Kohlevergasungstechnologie zur hocheffektiven
Herstellung von Brennstoffen und Strom“ durchgeführt, das vom NCBR finanziert
wurde. Die Arbeit ist eine Beurteilung der Bergwerke, die der Firma Kompania
Węglowa S.A. gehören. Die Analyse der Steinkohlevorräte für den Zweck der
Vergasung mit einem Schacht umfasste folgende Kriterien: Kohletyp 31, 32 und
33; Kohleflözmächtigkeit >1,5m; Abbaufläche >2,0 km2. In Anlehnung an die
angenommenen Kriterien wurden Flöze gewählt, die sich in fünf Bergwerken
befinden: „Sośnica-Makoszowy“ – Abbaustandorte: „Sośnica“, „Piast“, „Ziemowit“, „Chwałowice“ und „Jankowice“. Die potentiell für die Untertagevergasung
interessanten bis zur Teufe von 1000m lagernden Vorräte betragen in Kompania
Węglowa S.A. bei der Anwendung der Methode mit Schacht über 700 Mio. Mg.
DK 622.333: 622.1: 550.8: 622.553.96: 622.553.94
Nieć M., Chećko J., Górecki J., Sermet E.: Der Zustand von Kohlevorräten in
Polen und die Lagerstätten- und Umweltprobleme im Hinblick auf die Gewinnung
mit der Untertagevergasung. Przegląd Górniczy 2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 28÷37.
PRZEGLĄD GÓRNICZY
147
2014
Steinkohlelagerstätten, Braunkohlelagerstätten, Untertagevergasung von Kohle,
Lagerstätte- und Umweltanforderungen zur Anwendung der Untertagevergasung.
Die in Polen registrierten Braun- und Steinkohlevorräte sind sehr groß. Es bestehen jedoch zahlreiche Einschränkungen, die die Verwendung der Vorräte zur
Untertagevergasung von Kohle begrenzen. Es sind: die Mächtigkeit des Flözes/
der Lagerstätte; die hydrogeologische Verhältnisse der Lagerstätte und ihrer
Umgebung; Art, Bau und Mächtigkeit vom Abraum; Tektonik; der innere Bau
der Lagerstätte (Stetigkeit, taubes Gestein etc). Der Effekt der Vergasung sind
unter anderem toxische Flüssigkeiten und Gase. Ihre Emission in die Umwelt
kann die Vergiftung z.B. des unterirdischen Wassers verursachen, kann auch eine
ernsthafte Gefahr für die öffentliche Sicherheit darstellen (z.B. Migration von CO
und CH4). Andere negative Phänomene können Deformationen und Senkungen
der Oberfläche sein.
DK 622.332: 622.1:550.8: 622.332.552: 66.014
Matl K., Kasztelewicz Z., Kasiński J., Bielowicz B., Galiniak G.: Die Diversifizierung der Braunkohlevorräte in Polen zum Zweck der Herstellung vom Gas
durch Vergasung von Kohle an der Oberfläche sowie unter Tage. Przegląd Górniczy
2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 38÷46, 5 Abb., 7 Tab., 20 Lit.
Tertiär. Weichbraunkohle (Ortho-Lignit-C). Verteilung der Lagerstätten. Petrographie der Kohle. Vergasung. Chemische Erzeugnisse.
Es wurde die Charakteristik der kohleführenden Formationen von Tertiär analysiert
(Paläogen und Neogen), die eine kohleführende Formation von Weichbraunkohle
in dem Tiefland von Polen und Deutschland bilden. Die Analyse umfasst die lithologische Beurteilung der Gesteine, Qualität von Kohle (petrographischer Bau,
technologische Parameter, Lagerstätten und Vorräte), Änderungen der Qualität von
Kohle, die sich westlich von Posen bis an die deutsch-polnische Grenze verbessert.
Die Lagerstätten konzentrieren sich in manchen Regionen was durch Folgendes
bedingt wird: tektonischer Bau des Grundes und Tendenz zur Setzung, manchmal
durch die Salzstrukturen im Grund, die Morphologie des Grundes, die oft durch
Tektonik verursacht ist, Verlauf der paläologischen Flusstäler, Anwesenheit der
Glazialtektonik. Die oben erwähnten Tatsachen verursachen oft einen extrem hohen Wachstum der Vorräte in einer Lagerstätte sowie beeinflussen die Verteilung
der industriellen Lagerstätten. Die Weichbraunkohle (Ortho-Lignit C) kann zur
Energiegewinnung verwendet werden, bildet aber auch einen hervorragenden
chemischen Rohstoff, der in den chemischen Betrieben verwendet werden kann
unter Anderem zur Gewinnung vom Synthesegas und von zahlreichen Nebenprodukten. Es wird auch die Vergasung von Weichbraunkohle vorgesehen (durch
Bohrungen), nachdem die übermäßige Feuchtigkeit von der Lagerstätte entfernt
wird. In solchem Fall muss die Kohle zahlreiche Anforderungen erfüllen, die über
seine Aufbereitungstauglichkeit entscheiden.
DK 622.333: 622.1: 550.8
Krzemień A., Duda A., Koteras A.: Die Identifizierung der Szenarien von Ausfällen im Prozess der untertägigen Festbettvergasung von Kohle. Przegląd Górniczy
2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 47÷53, 7 Abb., 1 Tab., 22 Lit.
Untertagevergasung von Kohle. Risikoanalyse einer Industrieanlage. Identifizierung der Gefährdungen.
In dem Artikel wurden die wichtigsten Szenarien der Entstehung von Ausfällen
im Prozess der untertägigen Festbettvergasung von Kohle dargestellt. Vor der
Erarbeitung der Szenarien wurde die Identifizierung der Gefährdungen durchgeführt, die während einer üblichen Arbeit des Reaktors, sowie während der Arbeit
im Ausnahmenzustand vorkommen. Zu diesem Zweck wurde die Weltliteratur
in diesem Bereich recherchiert. Es wurden auch die Erfahrungen berücksichtigt,
die im Rahmen der Projekte HUGE und HUGE 2 gesammelt wurden, die der
Hauptinstitut für Bergbau in dem Untersuchungsbergwerk „Barbara“ durchgeführt
hatte. Es wurden auch die Erfahrungen aus dem Projekt NCBiR berücksichtigt
mit dem Titel „Erarbeitung einer Kohlevergasungstechnologie zur hocheffektiven
Herstellung von Brennstoffen und Strom“. Die Identifizierung der Gefährdungen,
d.h. gefährlichen und schädlichen Faktoren, die potenziell einen gefährlichen
Ereignis hervorrufen können, erlaubte die Bildung von Szenarien der möglichen
Ereignissen, die während der untertägigen Festbettvergasung von Kohle entstehen
könnten. Solche Szenarien sind für ein sicheres Funktionieren der Untertagevergasungsanlage sehr relevant.
DK 622.333: 622.1: 550.8
Burchart-Korol D., Czaplicka-Kolarz K., Krawczyk P.: Die Analyse der
Empfindlichkeit der Ökoeffektivität der Technologien von Untertagevergasung
von Kohle. Przegląd Górniczy 2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 54÷59.
Ökoeffektivität. Beurteilung vom Lebenszyklus. Kosten vom Lebenszyklus. Untertagevergasung von Kohle. Analyse der Empfindlichkeit.
In dem Artikel wurden die Ergebnisse der Analyse von Empfindlichkeit der Ökoeffektivität der Stromerzeugungstechnologien im Wege der Untertagevergasung
von Kohle dargestellt. Die Analyse der Ökoeffektivität verbindet die Ergebnisse
der Kosteneffektivitätsbeurteilung mit Hilfe von der Methode der Lebenszy-
148
INHALT
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Nr 11
kluskosten (LCC- Life Cycle Coasting) und die Ergebnisse der Beurteilung vom
Umwelteinfluss mit der Methode der Lebenszyklusanalyse (LCA- Life Cycle
Assessment). Die Ökoeffektivitätsanalyse wurde für die Untertagevergasung
von Kohle ohne Schacht durchgeführt. Die Analyse umfasste folgenden Bereich:
Vorrichtungsarbeiten im Flöz, Gewinnung vom Prozessgas, Reinigung vom Prozessgas, Stromerzeugung und evtl. CO2-Sequestrierung (CCS- Carbon Capture
and Storage). Die durchgeführte Empfindlichkeitsanalyse hat erwiesen, dass den
größten Einfluss auf die Ökoeffektivität der Untertagevergasung von Kohle ohne
Schacht (sowohl mit als auch ohne CCS) vor allem die Bereitschaft der Stromerzeugungsanlage und an zweiter Stelle die Mächtigkeit des Kohleflözes ausüben.
Die weiteren Faktoren sind: länge der horizontalen Kanäle (in der Technologie
der Untertagevergasung mit CCS) und Preis von dem CO2-Emissionsrecht (bei
der Untertagevergasung ohne CCS).
DK 622.333: 622.1: 550.8
Kapusta K., Wiatowski M., Stańczyk K.: Die Simulation von dem Prozess der
Untertagevergasung von Kohle in den ex-situ Experimenten. Przegląd Górniczy
2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 60÷69.
Untertagevergasung von Kohle. ex-situ Simulationen. saubere Kohletechnologien.
Synthesegas.
Es wurde eine Serie von sechs Simulationen der Untertagevergasung von Kohle
durchgeführt in den Verhältnissen, die an der Oberfläche herrschen (ex-situ).
Das Ziel der Simulationen war den Typ der Geometrie der Bohrungen und die
Bedingungen zur Durchführung des Prozesses zu bestimmen, die die Gewinnung
von Gas mit möglichst hohem Heizwert erlauben würden. Fünf Versuche sind
mit der Steinkohle und eine mit der Braunkohle durchgeführt worden. Es wurden
verschiedene Vergasungsmittel verwendet: Sauerstoff, Luft und deren Gemische.
Die Untersuchungen haben erwiesen, dass die Konfiguration der Bohrungen relevant den Verlauf von Vergasung sowie den Gasheizwert beeinflusst. Dies resultiert
vor allem aus verschiedenen Kohlenstoffmonoxidgehalten in den Gasen, die bei
unterschiedlichen Konfigurationen gewonnen wurden. Für die angenommenen
Geometrien der Kohlelagerstätten wurden die günstigsten Bedingungen für den
Verlauf der Vergasung bei der Anwendung von reinem Sauerstoff beobachtet.
Die mittleren Heizwerte der Gase, die im Wege der Vergasung der Steinkohle
mit Sauerstoff hergestellt wurden, lagen im Bereich von 7,6 bis 9,7 MJ/Nm3. Die
erzielten Energieausbeuten des Prozesses betrugen zwischen 46,8% und 79%.
Der Austausch von Sauerstoff gegen Luft hat die Herabsetzung der Temperatur
in dem reagierenden System verursacht. Dies führte zur relevanten Senkung der
brennbaren Bestandteile des Gases (H2, CO). Bei erhöhtem Druck bei der Vergasung mit Luft wurde höherer Heizwert erzielt, vor allem da der Methangehalt
im Gas gestiegen ist.
DK 622.333: 622.1: 550.8: 622.519.61/.64
Wachowicz J., Łączny M.J., Iwaszenko S., Janoszek T., Cempa-Balewicz
M.: Die Untersuchung des Prozesses von Ex-Situ-Vergasung von Steinkohle mit
Hilfe von Simulationen unter Ausnutzung der numerischen Strömungsmechanik.
Przegląd Górniczy 2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 70÷75, 7 Abb., 2 Tab., 18 Lit.
Kohlevergasung. Numerische Strömungsmechanik. Modellierung. Experiment.
Es wurden die Ergebnisse einer numerischen Simulation des Prozesses der
Kohlevergasung unter Anwendung der numerischen Strömungsmechanik CFD
dargestellt. Dabei wurde ein Informatik-Werkzeug Ansys-Fluent verwendet.
Die Modelluntersuchungen haben angenommen, dass der Prozess mit dem
Sauerstoff als Vergasungsmittel durchgeführt wird, zwischen 30. und 48. Stunde
des Experiments. Die numerischen Simulationen wurden durchgeführt um die
Verteilung der Änderungen der gesuchten Bestandteile des Prozessgases zu identifizieren. Die erzielten Ergebnisse der numerischen Simulation wurden mit den
Ergebnissen von Untersuchungen verglichen, die in einem realen Reaktor ex-situ
durchgeführt wurden.
DK 622.333: 622.544.3: 622.1: 550.8: 519.61/.64
Cała M., Stopkowicz A., Kowalski M., Blajer M.: Die Modellierung der thermischen Phänomene in dem Gebirge im Bereich des Reaktors. Przegląd Górniczy
2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 76÷85, 11 Abb., 3 Tab., 24 Lit.
Untertagevergasung von Kohle. Thermische Prozesse. Numerische Modellierung.
Die Untertagevergasung von Kohle wird detailliert im Hinblick auf die Nutzung
der Kohleflöze erforscht, in denen klassischer Abbau wirtschaftlich nicht begründet
oder technologisch schwierig ist. Da der Prozess der Vergasung von Kohle komplex
ist und da die praktischen Erfahrungen fehlen, ist es sehr schwierig den Einfluss
des Prozesses auf die Geo-Umwelt vorauszuberechnen. In dem Artikel wurden die
Möglichkeiten von Modellierung der thermischen Prozessen und ihres Einflusses
auf die Nebengesteine analysiert. Zu diesem Zwecke wurde ein Programm der
Finite-Differenzen-Methode verwendet – FLAC 3D. In dem Programm wurden
die Untersuchungsbedingungen ex situ abgebildet für verschiedene Systeme der
Bohrungen. Die in den numerischen Simulationen erzielten Ergebnisse wurden mit
den realen Messdaten verglichen. Dies erlaubte die Möglichkeit der Anwendung
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
der numerischen Werkzeuge zur Beurteilung und Vorausberechnung vom Einfluss
der thermischen Prozesse auf die Geo-Umwelt einzuschätzen.
DK 622.333: 622.1: 550.8
Bigda J., Burchart-Korol D., Porada S.: Eine Karte der technologischen Lösungen der Prozesse von Kohlevergasung. Przegląd Górniczy 2014 Bd. 70, Nr.
11., S. 86÷96.
Kohlevergasung. Untertagevergasung. Synthesegas. Gasreinigung.
In dem Artikel wurden die am meisten erfahrenen und vielversprechenden Reaktoren verglichen, die zur Vergasung der Kohle unter den in Polen herrschenden Verhältnissen verwendet werden können. Es wurden die Dispersionsreaktoren gewählt:
Shell, GE/Texaco, Prenflo, Siemens und E-Gas, sowie Wirbelschichtreaktor U-Gas
und befördernder Reaktor KBR Transport. Diese Reaktoren präsentieren unterschiedliche technische Lösungen. Die in den Reaktoren angewandten Technologien
werden weltweit verwendet und können sowohl in der Stromerzeugungsindustrie
als auch in der Chemie oder Brennstoffherstellung verwendet werden. Es wurden
auch verschiedene technologische Lösungen der Untertagevergasung von Kohle
analysiert. Die wichtigsten technologischen Konfigurationen der Gasreinigung
abhängig von der Gasbestimmung wurden auch einer Analyse unterzogen.
DK 622.333: 622.1: 550.8: 622.657.92
Kwaśniewski K., Kopacz M., Grzesiak P., Kapłan R.: Eine wirtschaftliche
Beurteilung der Technologien von Vergasung der Kohle mit besonderer Berücksichtigung der aus Warteoption und Skala-Wachstums-Option zusammengesetzten
Sequenz. Przegląd Górniczy 2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 97÷106.
Kohlevergasung. Bewertung. Realoptionsanalyse. Bewertungsmodell. Strategischer
Wert ROV (XNPV). Zusammengesetzte Sequenzoptionen.
Der Artikel stellt eine ganzheitliche Konzeption der Bewertung von Kohlevergasungstechnologien in der Realoptionsmethode. Die Idee des Modells nimmt die
Bewertung von 6 verschiedenen Optionssequenzen an. Der Artikel begrenzt sich
jedoch auf die Beurteilung der Kombination von der Warteoption mit der SkalaWachstums-Option. Der aktualisierte Nettowert (NPV) der Methanolherstellungstechnologie unter Ausnutzung der Vergasung bei einer Basisskala, die mit dem
Verbrauch von Kohle in Größe von 100Mg/h ausgedrückt wurde, war negativ und
betrug -1 091,8 Mio. PLN. Dagegen hat die Bewertung einer zusammengesetzten
Sequenzoption von Warteoption und Skala-Wachstums-Option die Bestimmung
von einem strategischen Wert XNPV (ROV) der analisierten Technologie in Größe
von 3 508,49 Mio. PLN ermöglicht. Der Wert der Skala-Wachstums-Option selbst
beträgt in dem Fall 2 911,63 Mio. PLN.
DK 622.333: 622.1:550.8: 622.62-1/-8
Gawenda T., Krawczykowski D., Marciniak-Kowalska J.: Die Möglichkeiten
der Mineralingenieurwesen in den Untersuchungen über der Vorbereitung von
Kohle zur Vergasung an der Oberfläche in einem Wirbelschichtreaktor. Przegląd
Górniczy 2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 107÷119, 11 Abb., 5 Tab., 21 Lit.
Brecher. Zerkleinerung. Vergasung. Aufbereitung. Trockene Kohleabscheidung.
In dem Artikel wurden die Ergebnisse der Untersuchungen dargestellt, die sich mit
der Vorbereitung von Kohle zum Prozess der Vergasung in einem Wirbelschichtreaktor beschäftigten. In Anlehnung an die Körnungszusammensetzung und an die
chemische Zusammensetzung der untersuchten Kohlearten, wurde die Effektivität
der Zerkleinerung in unterschiedlichen Anlagen analysiert. Die Zerkleinerungsanlagen wurden auch im Hinblick auf die Verteilung der Qualitätsparameter von
Kohlearten beurteilt. Dies ermöglichte eine entsprechende Wahl von Anlagen und
Zerkleinerungs- und Klassifizierungsverhältnissen. Es wurden die Prozeduren
zur Optimierung der Brennstoffherstellung erarbeitet, d.h. zur Herstellung der
Kohle, die in einem Wirbelschichtreaktor vergast werden sollte. Es wurden die
innovativen Lösungen für die technologischen Systeme zur Vorbereitung der Kohle
(Zerkleinerung und Aufbereitung) im Wege der mechanischen Bearbeitung für den
Prozess der Vergasung in einem Wirbelschichtreaktor dargestellt.
DK 622.333: 622.1: 550.8: 622.544.3
Czerski G., Porada S., Dziok T., Makowska D., Grzywacz P., Surowiak A.: Die
Untersuchungen von Vergasung der aufbereiteten Kohle mit Wasserdampf.Przegląd
Górniczy 2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 120÷126, 4 Abb., 4 Tab., 21 Lit.
Kohle. Vergasung mit Wasserdampf. Aufbereitung von Kohle.
Die Steinkohle aus dem Bergwerk „Janina“ wurde nach Körnung von unterschiedlicher Dichte eingeteilt. Demnächst wurde die Vergasung der oben erwähnten
Kohleskörnungen, sowie der Kohle vor der Einteilung unterm hohen Druck
durchgeführt und gemessen. Die Messungen erfolgten bei der Temperatur von
900 °C und dem Druck von 1 MPa. Der Vergasungsprozess wurde in Anlehnung
an die Kurven der Ausscheidungsgeschwindigkeit von Kohlenstoffmono- und
Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Methan beurteilt, sowie in Anlehnung an die
Gaszusammensetzung und die erzielten Leistungen einzelner Produkte. Es wurden
Nr 11
INHALT
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Nr 11
die Kurven der Kohlenstoffumsetzungsgrad in der Zeit erstellt. Es wurden auch die
konstanten Geschwindigkeiten der Reaktion von Kohlenstoffumsetzung ermittelt.
DK 622.333: 662.1: 550.8
Porada S., Dziok T., Czerski G., Grzywacz P.: Der Vergleich der Reaktionsfähigkeit gewählter Steinkohlesorten mit dem Wasserdampf. Przegląd Górniczy
2014 Bd. 70, Nr. 11., S. ÷131.
Kohle. Vergasung mit dem Wasserdampf. Einschätzung der Reaktionsfähigkeit.
In dem Artikel wurde die Rektionsfähigkeit gewählter Steinkohlesorten mit dem
Wasserdampf verglichen. Zu diesem Zweck wurde die Vergasung mit dem Wasserdampf von drei Steinkohlesorten aus polnischen Bergwerken („Bogdanka“,
„Piast“ und „Wieczorek“) gemessen. Die Vergasung erfolgte in der Temperatur
von 900 °C unter dem Druck von 1,5 MPa. Auf der Basis der Messung von
Konzentration des Kohlenstoffmono- und Kohlenstoffdioxids sowie des Methans
in dem entstehenden Gas wurde der Konversionsgrad des Kohlenstoffes in den
untersuchten Kohlesorten berechnet. Auf dieser Grundlage wurden die Kurven
der Änderungen des Konversionsgrades in der Zeit erstellt, es wurden auch: die
Zeit der halben Konversion τ0,5, der Reaktionsfähigkeitindex R0,5 und die konstante Geschwindigkeit der Konversion des Kohlenstoffes ermittelt. Während
der Einschätzung der Reaktionsfähigkeit wurde auch die Kinetik der Entstehung
einzelner Gasprodukten analysiert. Eine konstante Geschwindigkeit der Entstehung
des Kohlenstoffmonoxids und Wasserstoffs wurde berechnet. Auf der Grundlage
der erzielten Ergebnissen wurden die untersuchten Kohlesorten nach der kleiner
werdenden Reaktionsfähigkeit geordnet: „Piast“ > „Bogdanka“ > „Wieczorek“.
DK 622.333(6-13): 622.1: 550.8(6-13
Czaja P.: Die schwarze Afrika, die schwarze Kohle und der goldene Brennstoff
– über Vergasung der Kohle in dem Konzern Sasol in der Republik Südafrika.
Przegląd Górniczy 2014 Bd. 70, Nr. 11., S. 132÷141, 5 Abb., 1 Tab., 5 Lit.
Vergasung von Kohle. Technologie von Sasol. Bergbau in der Republik Südafrika.
Jeder, der sich mit Bergbau beschäftigt, weiß, dass der Bergbau in der Republik
Südafrika oft ein Vorbild für interessante und mutige technologische Entscheidungen ist. Die Republik Südafrika mit den tiefsten Bergwerken in der Welt, als
Potentat in dem Gold-, Platin- und Diamantenbergbau, sowie als einer der führenden Staaten in dem Steinkohlebergbau, spielt tatsächlich eine wichtige Rolle in
dem Weltbergbau. Die Determination der Republik Südafrika in dem Streben nach
energetische Unabhängigkeit im Bereich Motorkraftstoffe (Benzin und Diesel)
ist überraschend, sogar wenn die wirtschaftliche Isolierung nach den Ereignissen
nach dem zweiten Weltkrieg berücksichtigt wird. Im Jahr 1955 hat die Republik
Südafrika eine Technologie von kommerziellen Kohlevergasung und -konversion
zu flüssigen Brennstoffen eingeführt. Dabei basierte der Staat auf einer deutschen
Chemietechnik und an einem enormen Angebot von billiger Kohle im Lande.
Heutzutage vergast die Republik Südafrika etwa 40 Mio. Tonnen einheimischer
Kohle jährlich und stellt daraus etwa 120 chemischer Produkte her, darunter:
Motorkraftstoffe, Flugkraftstoffe, Olefine, Tenside, Lösungsbenzol, Wachs und
Paraffine, Kosmetika sowie Sprengstoffe und Mineraldünger. Heutzutage sind die
Fabriken in Secunda und Sasolburg die wichtigsten chemischen Komplexe in der
Welt, die etwa 34 Tausend Menschen beschäftigen und in 35 Ländern anwesend
sind, darunter auch in Polen als Sasol Polska. Die Firma beschäftigt sich vor allem
mit chemischen Prozessen, weil jedoch in Polen an Vergasung von Kohle gearbeitet
wird, werden die chemischen Prozesse diskutiert. Deswegen ist es empfehlenswert,
dass die Leser von Przegląd Górniczy sich eine detaillierte Vorstellung über diese
technologische Unternehmung verschaffen können, das die Firma Sasol darstellt,
die mit Erfolg seit 60 Jahren in der Republik Südafrika tätig ist.
PRZEGLĄD GÓRNICZY
149
2014
150
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Nr 11
SOMMAIRE
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Strugała A.: Etudes sur le processus de la gazéification du charbon dans les cadres
du Projet de Centre National des Etudes et de Développement (NCBiR). Przegląd
Górniczy 2014, Vol. 70, No. 11, pp. 1÷4, fig. 4.
Charbon. gazéification. Installations pilotes. projet R&D.
Sont présentées dans l'article les tâches principales du projet réalisé par le Consortium Scientifique et Industriel «Gazéification du charbon» du Projet Stratégique de
NCBiR sous le titre: «Elaboration de la technologie de gazéification du charbon
pour la production effective des combustibles et d' énergie électrique". Parmi
d'autres est présentée la notion du processus d’oxygène de la gazéification de
charbon à l’échelle pilote fondée sur la réalisation du processus dans le réacteur
à pression (CFB) et l’utilisation dans ce processus de dioxyde de carbone comme
matière première, ainsi que de processus de la gazéification souterraine du charbon
développé également dans les cadres du Projet de NCBiR.
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Dubiński J., Koteras A.: L’état actuel et les directions du développement de la
technologie de la gazéification souterraine du charbon dans le monde. Przegląd
Górniczy 2014, Vol. 70, No. 11, pp. 5÷12, fig. 8, tab. 1.
gazéification souterraine du charbon. gazéification du charbon in-situ. énergie
propre. Technologies de la valorisation du charbon.
La gazéification souterraine du charbon (PZW) c’est la technologie de la gazéification des gisement du charbon in-situ, alors directement dans le lieu de leur
allure. Le concept de PZW est très similaire à la technologie de la gazéification
du charbon sur la surface où le gaz de synthèse, qui est produit de la gazéification,
est produit à la suite des mêmes réactions chimiques. Effectuées dans le monde
et en Pologne les études sur la PZW ont montré que le contrôle total est difficile
à mettre en œuvre. Sont présentées dans l'article les informations sur l'état actuel,
la réalisation de projets et les directions du développement des technologies de
la gazéification souterraine du charbon globalement. Sont également décrits les
défis pour l'application commerciale de la technologie de PZW sur la base de
réalisations actuelles.
UKD 622.332: 622.1: 550.8
Hajdo S., Kasztelewicz Z., Polak K., Galiniak G., Różkowski K.: Evironnement,
technologie, économie – paramètres determinant la perspective d’améngement
des gisements polonais du lignite avec la mise en oeuvre du processus de la
gazéification. Przegląd Górniczy 2014, Vol. 70, No. 11, pp. 13÷19, tab. 2, rèf. 18.
Lignite. Gazéification souterraine du charbon.
Sont présentés dans l'article les principaux déterminants de gisement, technologiques et d’environnement de la qualification des gisements de lignite en Pologne
utiles pour la gazéification souterraine. Ces conditions sont déterminées avec
l'hypothèse que leur réalisation permettra la gazéification souterraine du charbon,
dont le résultat sera le gaz combustible possible pour une utilisation ultérieure dans
les processus d'énergie ou de la synthèse chimique. Les conditions particulières
(critères) ont le caractère des critères préliminaires, parce que dans l'histoire de la
gazéification souterraine dans le monde, il n'y a aucune tentative réussie connue
de la gazéification souterraine de ce type de lignite.
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Chećko J., Głogowska M., Warzecha R., Urych T.: Évaluation des ressources en
charbon pour les buts de la gazéification souterraine du charbon utilisant la méthode
de puits dans les gisements des mines actives de la Compagnie Charbonnière S.A.
du Bassin des Houillères de la Haute Silésie. Przegląd Górniczy 2014, Vol. 70,
No. 11, pp. 20÷27, fig. 11 rèf. 14.
Gazéification du charbon. Réserves de charbon. Méthode de puits.
Sont présentés dans l'article les résultats de l'évaluation effectuée des ressources en
charbon pour le Bassin des Houillères de la Haute Silésie (GZW) pour les besoins
de la gazéification souterraine du charbon. Elle a été réalisée dans les cadres du
projet en cours intitulé: «Evaluation de la technologie de gazéification du charbon
pour la production effective de combustibles et d’énergie électrique», financé par
le Centre National des Etudes et de Développement (NCBiR). Est présentée dans
l'ouvrage une évaluation des mines qui appartiennent à la Compagnie Charbonnière
S.A. L’analyse des ressources du charbon pour les besoins de gazéification par la
méthode de puits comprenait les paramètres de critère suivants: type de charbon
31, 32 et 33, l'épaisseur de la couche du charbon > 1,5 m, surface de la parcelle
du charbon > 2,0 km2. Sur la base des critères adoptés les gisements situés dans
cinq mines ont été sélectionnés, c'est-à-dire: "Sośnica-Makoszowy"- divisions
"Sośnica", "Piast", "Ziemowit", "Chwałowice" et "Jankowice". Les ressources
potentiellement attractifs pour le processus de la gazéification souterraine (PZW)
jusqu'à la profondeur de 1000 m dans la Compagnie Charbonnière S.A. pour la
méthode de puits représentent plus que 700 millions Mg.
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
2014
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.553.96: 622.553.94
Nieć M., Chećko J., Górecki J., Sermet E.: L’état de la base de ressources des
charbons en Pologne et ses problèmes géologiques et environmentales par rapport
à l’ exploitation par la méthode de gazéification souterraine. Przegląd Górniczy
2014, Vol. 70, No. 11, pp. 28÷37,
gisements du charbon. Gisements du lignite. Gazéification souterraine du charbon (PZW), Conditions géologiques et environmentales de la mise en oeuvre de la
Gazéification Souterraine du Charbon (PZW).
Enregistrés en Pologne les ressources des dépôts géologiques de la houille et de
lignite sont très importantes. Cependant, il y a un certain nombre de restrictions
pour l'utilisation des gisements de charbon dans la mise en oeuvre de la gazéification souterraine du charbon (PZW). Ce sont l’ouverture du panneau/gisement,
conditions hydrogéologiques du dépôt et de son entourage, le type, la structure
et la puissance des morts terrains, tectonique, la structure interne du gisement
(continuité, l’intercalation des gangues etc.). L’effet de la gazéification sont entre
autres les produits toxiques liquides et de gaz. Leur émission dans l'environnement peut entraîner la contamination par exemple des eaux souterraines mais
aussi le danger pour la sécurité publique (par exemple la migration du CO, CH4).
D’autres phénomènes négatifs peuvent être les déformations et l’affaissement de
la surface du terrain.
UKD 622.332: 622.1:550.8: 622.332.552: 66.014
Matl K., Kasztelewicz Z., Kasiński J., Bielowicz B., Galiniak G.: La diversité
des ressources disponibles de lignite en Pologne pour la production de gaz par la
méthode de gazéification au jour et souterraine. Przegląd Górniczy 2014, Vol. 70,
No. 11, pp. 38÷46, fig. 5, tab. 7, rèf. 20.
Tertiaire. Lignite mou. (ortholignite). Distribution de dépôts. Pétrographie du
charbon. Gazéification du charbon. Produits chimiques.
Est présentée l’analyse de la caractéristique des structures carbonifères du Tertiaire
(paleogen et neogen) qui composent la formation carbonifère du lignite mou sur
la Dépression Polonaise et Allemande. L'analyse comprend une évaluation lithologique des roches dans le profil, la qualité du charbon (structure pétrographique,
paramètres technologiques, gisements et ressources), la variabilité dans la qualité
du charbon, qui s'améliore vers l'ouest dans les zones à l'ouest de Poznań jusqu'à
la frontière polonaise-allemande. Les gisements sont concentrés dans certaines
régions, ce qui est conditionné par : la structure tectonique du sol et la susceptibilité aux mouvements, – la morphologie du sol, souvent induite par la tectonique,
– l’allure des paleovallées de rivières, – la présence de la tectonique glaciaire.
Cela influence parfois l’augmentation extrême des ressources dans les dépôts et
la distribution des dépôts industriels. Le lignite mou (ortolignit C) est utile pour
l’industrie de la production et de distribution de l'énergie, mais fournit également
les excellentes matières premières chimiques pour le traitement dans l'analyse
chimique, entre autres pour obtenir le gaz de synthèse et de nombreux sous-produits. On prévoit également la possibilité de son gazéification souterraine (forages)
après le retrait du dépôt d’ humidité excessive. Le charbon doit répondre ensuite
aux certain nombre de critères qui déterminent ses qualités pour le traitement.
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Krzemień A., Duda A., Koteras A.: Identification des scénarios de défaillance
dans le processus de la PZW (Gazéification Souterraine du Charbon) par la méthode
de puits. Przegląd Górniczy 2014, Vol. 70, No. 11, pp. 47÷53, fig. 7, tab. 1, rèf. 22.
Gazéification souterraine du charbon. évaluation du risque de l’installation industrielle. Identification des risques.
Sont présentés dans l’article les scénarios les plus importants de la défaillance
dans le processus de gazéification souterraine du charbon (processus PZW) par
la méthode de puits. L'élaboration de scénarios a été précédée par l'identification
des risques présents lors de fonctionnement normal du géoréacteur ainsi que dans
l’état de défaillance de son fonctionnement. À cette fin, la littérature mondiale de
ce domaine a été examinée et mis en oeuvre le savoir acquis lors de la réalisation
à la Mine Expérimentale « Barbara » par l’Institut Central des Mines de deux
projets HUGE et HUGE2 ainsi que du Projet Stratégique financé par le Centre
National des Etudes et de Développement (NCBiR) intitulé «Evaluation de la
technologie de gazéification du charbon pour la production effective de combustibles et d’énergie électrique». L’ identification des dangers, c'est-à-dire des agents
nocifs et dangereux, qui sont susceptibles de générer les événements dangereux,
a permis de créer des scénarios des événements possibles lors de la réalisation de
la gazéification souterraine par la méthode de puits, essentiels pour l'exploitation
sûre de l'installation de PZW.
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Burchart-Korol D., Czaplicka-Kolarz K., Krawczyk P.: Analyse de sensibilité
d’éco-efficacité de la technologie de gazéification souterraine du charbon. Przegląd
Górniczy 2014, Vol. 70, No. 11, pp. 54÷59.
éco-efficacité. estimation du cycle de vie, coûts du cycle de vie, gazéification souterraine du charbon, analyse de sensibilité
Nr 11
SOMMAIRE
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Nr 11
Sont présentés dans l'article les résultats d'une analyse de sensibilité de l'écoefficacité de la technologie de génération d'électricité dans le processus de gazéification souterraine du charbon. L’analyse de l'éco-efficacité intègre les résultats
d'évaluation d’efficacité de coûts en utilisant la méthode de coûts du cycle de
vie (LCC-Life Cycle Costing) et les résultats d'évaluation environnementale en
utilisant la méthode d’analyse du cycle de vie LCA (Life Cycle Assessment).
L’analyse d'éco-efficacité a été réalisée pour la technologie de gazéification du
charbon par la méthode sans puits dans l’étendue de préparation de gisement,
l’obtention de gaz de procédé et son traitement pour recevoir l'électricité et en
option la séquestration du dioxyde de carbone (CCS-Carbon Capture and Storage).
Effectuée l’analyse de sensibilité a montré que l’impact le plus important sur l'écoefficacité de la technologie de gazéification souterraine du charbon par la méthode
sans puits, tant avec que sans CCS, est joué par la disponibilité de l’installation de
production d'électricité et ensuite l’épaisseur du gisement de charbon. D’autres
facteurs importants qui influencent le résultat sont les suivants: la longueur des
canaux horizontaux (dans les technologies de gazéification souterraine avec CCS)
et les prix de droit aux émissions de CO2 (dans les technologies de gazéification
souterraine sans CCS).
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Kapusta K., Wiatowski M., Stańczyk K.: Simulation du processus de gazéification souterraine du charbon dans les expériences ex-situ. Przegląd Górniczy
2014, Vol. 70, No. 11, pp. 60÷69.
Gazéification souterraine du charbon. Simulations ex-situ. Technologies propres
de charbon. Gaz de synthèse.
A été effectuée une série de six simulations expérimentales du processus de la
gazéification souterraine du charbon (PZW) dans des conditions au jour (ex-situ),
dont le but était de spécifier le type de la géométrie d’évent et des conditions de
la réalisation du processus pour obtenir le gaz avec le pouvoir calorifique le plus
important possible. Cinq essais de la gazéification étaient réalisés avec l’utilisation
de charbon et un essai avec l’utilisation de lignite, utilisant pour la gazéification
de divers facteurs gazéifiants, c'est-à-dire oxygène, air et leurs mélanges. Des
études ont montré que la configuration d’évent joue l’influence significative sur le
développement du processus de gazéification et sur le pouvoir calorifique du gaz,
principalement en raison des différents contenus de monoxyde de carbone dans
les gaz obtenus par suite de différentes configurations. Pour les géométries des
gisements de charbon adaptées, les conditions les plus favorables du processus de
la gazéification étaient observées dans le cas de l'utilisation de l'oxygène pur. Les
valeurs moyennes calorifiques du gaz produit lors de la gazéification du charbon par
l’oxygène variaient dans l’intervalle de 7,6 jusqu’à 9,7 MJ/Nm3 et les efficacités
énergétiques obtenues du processus étaient comprises dans l’intervalle de 46,8 %
jusqu’à 79 %. La conversion du facteur gazéifiant en l’air avait entrainé une chute
significative de températures dans la configuration réactive, ce qui a entraîné des
chutes visibles de concentration des composants principales combustibles de gaz
(H2, CO). Dans des conditions de la pression augmentée de la gazéification avec
de l’air la valeur calorifique plus importante du gaz était obtenue, principalement
en raison de l'augmentation de la teneur en méthane dans le gaz.
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.519.61/.64
Wachowicz J., Łączny M.J., Iwaszenko S., Janoszek T., Cempa-Balewicz
M.: Une étude de simulation du processus ex-situ de la gazéification du charbon
assistée de méthodes CFD. Przegląd Górniczy 2014, Vol. 70, No. 11, pp. 70÷75,
fig. 7, tab. 2, rèf. 18.
Sont présentés dans l’article les résultats de la simulation numérique de la gazéification du charbon à l'aide de méthodes numériques de la mécanique des fluides
CFD (de la version anglaise Computational Fluid Dynamics) avec l’utilisation de
l'outil informatique Ansys-Fluent. Essais de modèle prévoyaient le processus de
la gazéification de masse du charbon avec la participation de l'oxygène, comme un
facteur gaséifiant en état déterminé c'est-à-dire entre 30 et 48 heures de la durée de
l'expérience. Les simulations numériques étaient réalisées en vue d'identification
de la distribution des modifications des éléments choisis du gaz de procédé. Les
résultats obtenus de la solution numérique ont été composés avec les résultats des
études expérimentales effectuées dans un véritable réacteur ex situ.
UKD 622.333: 622.544.3: 622.1: 550.8: 519.61/.64
Cała M., Stopkowicz A., Kowalski M., Blajer M.: Simulation des phénomènes
thermiques dans le massif rocheux dans l’entourage de géoréacteur. Przegląd
Górniczy 2014, Vol. 70, No. 11, pp. 76÷85, fig. 11, tab. 3, rèf. 24.
gaséification souterraine de charbon. Processus thermiques. Sumulation numérique.
Gazéification souterraine du charbon représente le phénomène largement étudié
dans le contexte de l'utilisation du charbon, dont l' exploitation classique n’est
pas justifiée du point de vue économique ou difficile du point de vue technique.
En raison de la complexité du processus de gazéification du charbon, un manque
PRZEGLĄD GÓRNICZY
151
2014
d'expérience pratique, la prévision de son impact sur le géoenvironnement est une
tâche difficile. Sont soumises à l’analyse dans l’ouvrage présent les possibilités
de simulation des processus thermiques et de la prévision de leur influence sur le
massif rocheux entourant. À cette fin, le programme de méthodes des différences
finies FLAC 3D a été mis en oeuvre, qui a cartographié les conditions des expériences ex situ menées pour les différents systèmes des canals du feu. Résultats
obtenus des simulations numériques ont été comparés avec des mesures réelles.
Cela a permis d'évaluer la possibilité d'utiliser des outils numériques pour l’évaluation et la prévision de l'impact des procédés thermiques qui accompagnent la
gazéification souterraine du charbon sur le géoenvironnement.
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Bigda J., Burchart-Korol D., Porada S.: Carte de solutions technologiques des
processus de la gazéification du charbon. Przegląd Górniczy 2014, Vol. 70, No.
11, pp. 86÷96, fig. 9, tab. 3, rèf. 3.
gazéification du charbon. Gazéification souterraine. Gaz de synthèse. épuration
du gaz.
Est présentée dans l'article une comparaison des réacteurs les plus matures et les
plus tournés vers l'avenir, qui peuvent être utilisés pour la gazéification du charbon
dans les conditions polonaises. Ont été sélectionnés les réacteurs de dispersion:
Shell, GE/Texaco, Prenflo, Siemens et E-Gas, le réacteur fluidisé U-Gas et le
réacteur transportant KBR Transport. Ces réacteurs représentent de différentes
solutions technologiques. Les technologies pour ces réacteurs sont largement
utilisées partoût dans le monde et peuvent être utilisées pour les besoins du secteur
de l'énergie ainsi que pour la chimie ou bien pour la production de carburants.
A été également effectuée l'analyse de différentes solutions technologiques des
processus de la gazéification souterraine du charbon et des configurations les plus
importantes d’épuration du gaz selon son application.
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.657.92
Kwaśniewski K., Kopacz M., Grzesiak P., Kapłan R.: Évaluation économique
de la technologie de gazéification du charbon en mettant l'accent sur la sequence
d’ option a phases multiples d’attente et d’augmentation de l'échelle. Przegląd
Górniczy 2014, Vol. 70, No. 11, pp. 97÷106, fig. 9, tab. 3, rèf. 3.
Gazéification du charbon. Estimation. Analyse des options en nature. Modèle
d’estimation. Valeur stratégique ROV (XNPV). Options séquentielles à phases
multiples.
Est présentée dans l’ouvrage présent l’approche globale d'évaluation des technologies de la gazéification du charbon dans la méthode des options en nature. L'idée
du modèle suppose l'estimation de 6 séquences différentes des options. Toutefois,
dans l'article, on se limite à l'estimation des combinaisons d'option d’attente
avec l'option d' augmentation de l'échelle. La valeur de la mise à jour net (NPV)
des technologies de production de méthanol sur la voie de la gazéification avec
l'échelle de base exprimée par la consomation du charbon au niveau de 100 Mg/h
a été négative et s'élèvait à 1 091,8 mln zł. Tandis que l’estimation de l’option
d’attente séquentielle à phases multiples et de la croissance de l'échelle a permis
de déterminer la valeur stratégique XNPV (ROV) de la technologie analysée de 3
508,49 millions de zlotys. La valeur de l’option elle-même de croissance d'échelle
a entraîné dans ce cas le niveau de 2 911,63 millions de zlotys.
UKD 622.333: 622.1:550.8: 622.62-1/-8
Gawenda T., Krawczykowski D., Marciniak-Kowalska J.: Possibilités du génie
minéral dans les recherches sur la préparation de charbons pour la gazéification
au sol dans le générateur de gaz fluidisé. Przegląd Górniczy 2014, Vol. 70, No.
11, pp. 107÷119, fig. 11, tab. 5, rèf. 21.
Concasseurs. broyage. gazéification. Valorisation. séparation à sec de charbon.
Sont présentés dans l'article les résultats des études sur la préparation des charbons
pour le processus de gazéification dans le générateur fluidisé de gaz. Sur la base des
analyses de la composition granulométrique et chimique des charbons sélectionnés
pour les études, l’analyse de l'efficacité des processus de broyage dans différents
appareils et l'évaluation du fonctionnement de différents appareils de broyage a été
effectuée du point de vue de distribution et de classification des charbons. Ont été
élaborées les procédures d'optimisation de la production de combustible - charbon
destiné pour le processus de la gazéification fluidisée. Sont présentées les solutions
innovantes des systèmes technologiques de la préparation des charbons (broyage
et enrichissement des charbons) par traitement mécanique pour le processus de
gazéification du charbon en lit fluidisé.
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.544.3
Czerski G., Porada S., Dziok T., Makowska D., Grzywacz P., Surowiak A.:
Études de la gazéification par la vapeur d’eau du charbon soumis à l’enrichissement. Przegląd Górniczy 2014, Vol. 70, No. 11, pp. 120÷126, fig. 4, tab. 4, rèf. 21.
Charbon. Gazéification par la vapeur d’eau. Enrichissement du charbon.
Charbon de l’UE Janina a éte séparé en fractions à la densité différente pour
152
SOMMAIRE
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Nr 11
effectuer ensuite des mesures de la gazéification par la vapeur d'eau sous haute
pression des fractions mentionnées ci-dessus ainsi que du charbon initial. Les
mesures ont été effectuées en temp. 900 ° C et une pression de 1 MPa. A été
réalisé le processus de la gazéification sur la base des courbes de la vitesse de
dégagement de: monoxyde et dioxyde de carbone, hydrogène et du méthane
ainsi que les performances individuelles obtenues des produits respectifs et de la
composition du gaz. Ont été tracées les courbes du degré de conversion d'élément
(C) en fonction du temps, ont également été déterminées les vitesses fixes de la
réaction de conversion d’élément C.
UKD 622.333: 662.1: 550.8
Porada S., Dziok T., Czerski G., Grzywacz P.: Comparaison de la réactivité des
charbons sélectionnés par rapport à la vapeur d’eau. Przegląd Górniczy 2014, Vol.
70, No. 11, pp. 127÷131.
Charbon. Gazéification avec de la vapeur d’eau. évaluation de la réactivité.
Est présentée dans l’article la comparaison de la réactivité des charbons sélectionnés en ce qui concerne la vapeur d’eau. Ont été réalisées dans ce but les mesures
de la gazéification avec de la vapeur d’eau de trois types de charbon provenant
des mines polonaises (l’EU «Bogdanka », l’UE « Piast », l’UE «Wieczorek»).
La gazéification était effectuée à la temp. 900o C et à une pression de 1,5 MPa.
Fondés sur des mesures des concentrations de monoxyde de carbone et de dioxyde
de carbone et de méthane dans le gaz issus après la réaction, ont été calculés les
degrés de convertion d'élément C dans les charbons examinés. Sur leur base les
courbes de changement de degré de conversion en fonction du temps ont été tracées,
a également été déterminé le temps de la mi-conversion τ0,5, index de réactivité
R0,5 et le constant de la vitesse de conversion d’élément C. Lors de l’évaluation de
la réactivité ont également été analysées les cinétiques de la formation de produits
gazeux respectifs. A été calculée la vitesse constante de la réaction de formation
de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Sur la base des résultats obtenus, les
charbons examinés ont été classés dans l’ordre de réactivité décroissante: l’UE
Piast > l’UEK Bogdanka ≥ l’UE Wieczorek.
UKD 622.333(6-13): 622.1: 550.8(6-13)
Czaja P.: L'Afrique Noire, houille noire et carburant d’or Quelques mots sur la
gazéification du charbon dans le concortium Sasol – RPA (République d’Afrique
du Sud). Przegląd Górniczy 2014, Vol. 70, No. 11, pp. 132÷141, fig. 5, tab. 1, rèf. 5.
Gazéification du charbon. Technologie Sasol. Industrie minière en République
d’Afrique du Sud (RPA).
Chaque personne qui s'occupe de l'exploitation minière sait que l’industrie minière
en République d’Afrique du Sud représente dans de nombreux cas un exemple de
décisions technologique intéressantes et très courageuses. Servie à titre d'exemple
des mines les plus profondes au monde, un magnat de l'exploitation minière d'or,
platine et diamants, comme l'un des leaders mondiaux dans les mines de charbon,
République d'Afrique du Sud, en effet, joue un rôle très important dans l'industrie
minière mondiale. L’Afrique du Sud surprend de détermination dans la quête vers
l'indépendance énergétique dans l'approvisionnement en carburants aute (essence
et l’huile à gaz), même face à l'isolement économique après les événements qui
ont eu lieu dans ce pays après la seconde guerre mondiale, l’Afrique du Sud a mis
en place en 1955, les technologies de la gazéification commerciale du charbon et
de son conversion en combustibles liquides basées sur la technologie chimique
allemande et l’offre importante du charbon bon marché dans son pays. Gazéifiant
dans nos jours environ 40 millions de tonnes de charbon natif, l'Afrique du Sud
en produit par an d’environ 120 produits chimiques y compris les carburants,
carburants aviation, olefines, tensioactifs, solvents, cires et paraffines, cosmétiques, les explosifs et engrais chimiques. Les usines de Secunda et Sasolburg
sont aujourd'hui les plus grands complexes chimiques dans le monde avec environ
34 000 d’employés, présents dans 35 pays dans le monde entier, y compris la
Pologne par l’intermédiaire de la société Sasol Polska. Bien que la la plus grande
partie de cet ouvrage porte sur les processus chimiques, mais à l’occasion de
travaux sur la gazéification du charbon en Pologne, on en parle beaucoup - donc
il est conseillé que le lecteurs de la Revue Minière aient une connaissance plus
large sur l’entreprise technologique qui est la société Sasol qui depuis 60 ans existe
avec beaucoup de succès en République d’Afrique du Sud.
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
2014
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Nr 11
СОДЕРЖАНИЕ
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Стругала А.: Испытания в области процесса газификации угля в рамках
Проекта NCBiR. Przegląd Górniczy 2014, T. 70, No. 11, c. 1÷4, рис. 4.
уголь. газификация. пилотажные установки. проект R&D.
В статье представлено основные задачи проводимого Научно – промышленным консорциумом «Газификация угля» Стратегического проекта NCBiR (Национального центра по испытаниям и развитию) под заглавием «Разработка
технологии газификации угля для высокоэффективного производства топлив
и электрической энергии». Между прочим представлено концепцию кислородного процесса газификации угля в пилотажном масштабе опирающуюся
на проведение процесса в автоклаве (CFB) и использовании в этом процессе
двуокиси углерода в характере сырья, а также развиваемого в рамках Проекта
процесса подземной газификации каменного угля.
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Дубиньски Ю., Котерас.: Актуальное состояние и направления развития
технологии подземной газификации угля в мире. Przegląd Górniczy 2014, T.
70, No. 11, c. 5÷12, рис. 8, табл. 1.
подземная газификация угля. газификация угля in-situ. чистая энергия.
технологии переработки угля.
Подземная газификация угля (PZW) это технология газификации угольных
пластов in-situ, то есть прямо на месте их залегания. Концепция PZW очень
похожа на технологию газификации угля на поверхности, где синтез – газ
являющийся продуктом газификации производится в результате таких
же самых химических реакций. Проводимые в мире и стране испытания
в области PZW показали однако, что полный контроль за пробегом процесса газификации очень трудный для реализации. В статье представлено
информации касающиеся актуального состояния, реализации проектов и
направлений развития технологии PZW в мировом подходе. Описано также
вызовы для коммерческого применения технологии PZW опираясь на полученные до сих пор достижения.
UKD 622.332: 622.1: 550.8
Хайдо С., Каштелевич З., поляк К., галиняк г., Ружковски К.: Естественная среда, технология, экономия – факторы определяющие перспективу
освоения польских буроугольных месторождений с использованием процесса
газификации. Przegląd Górniczy 2014, T. 70, No. 11, c. 13÷19, табл. 2, лит. 18.
бурый уголь. подземная газификация угля.
PRZEGLĄD GÓRNICZY
153
2014
ношению к разработке методом подземной газификации. Przegląd Górniczy
2014, T. 70, No. 11, c. 28÷37.
Месторождения каменного угля. Месторождения бурого угля. подземная
газификация угля (PZW). Cвязанные с месторождением и экологические
условия применения PZW
Учитываемые в Польше геологические запасы месторождений каменного и
бурого углей очень большие. Существует однако ряд ограничений для использования угольных месторождений при применении подземной газификации угля (PZW). Это мощность пласта/месторождения, гидрогеологические
условия месторождения и его окружения, тип, структура и мощность кровли,
тектоника, внутренняя структура месторождения (непрерывность, прослойки
пустой породы итд.). Результатом газификации являются м.пр. токсические
жидкие и газообразные продукты. Их эмиссия в естественную среду может
вызвать загрязнения, а также серьезные опасности для публичной безопасности (напр. миграция CO, CH4). Другими негативными явлениями могут
быть деформации и оседания поверхности территории.
UKD 622.332: 622.1:550.8: 622.332.552: 66.014
Матль К., Каштелевич З., Касиньски Я., белëвич б., галиняк г.: Дифференцирование запасной базы бурого угля в Польше для производства газа
методом наземной и подземной газификации. Przegląd Górniczy 2014, T. 70,
No. 11, c. 38÷46, рис. 5, табл. 7, лит. 20.
третичная система. Мягкий бурый уголь (ортолигнит). Размещение
месторождений. петрография угля. газификация. Химические продукты.
Представлено анализ характеристики угольных отложений третичной системы (палеогеновый период и неоген) образующих угленосную формацию
мягкого бурого угля на Польско – немецкой низменности. Анализ охватывает
литологическую оценку пород в профиле, качества угля ( петрографическое
строение, технологические параметры, месторождения и запасы), изменчивости качества угля, которая улучшается в сторону запада в районах на
запад от Познани по польско – немецкую границу. Месторождения сосредоточиваются в некоторых районах, что обусловено влиянием: – тектонической структуры основания и тенденцией к субсиденционным движениям,
- морфологии основания, вызванной часто тектоникой, – иногда наличия
соляных структур в основании, – пробега речных палеодолин, – присутствия
гляциальной тектоники. Это влияет на экстремальный иногда рост размеров
запасов в месторождениях и размещение месторождений промышленного
характера. Мягкий бурый уголь (ортолигнит С) является пригодным для
энергетики, но также представляет собой превосходное химическое сырье
для переработки в химических предприятиях м.пр. для получения синтез
– газа и многих побочных пробуктов. Предвидится также возможность его
подземной газификации после удаления избыточной влажности месторождения. Уголь должен иногда выполнять ряд критериев решающих о его
пригодности для переработки.
В статье представлено основные технологические обусловленности и обусловленности залегания в месторождении, а также экологические классификации месторождений бурого угля в Польше пригодных для подземной
газификации. Эти обусловленности определено принимая положение, что их
выполнение позволит проводить подземную газификацию угля, в результате
которой получится горючий газ возможный для дальнейшего использования
в энергетических процессах или химического синтеза. Определенные обусловленности (критерии) обладают характером предварительных критериев,
так как в известной до сих пор истории подземной газификации угля в мире
неизвестны попытки подземной газификации такого типа бурых углей.
Кжемень А., Дуда А., Котерас А.: Идентификация сценариев возникновения
аварий в процессе PZW шахтным методом. Przegląd Górniczy 2014, T. 70, No.
11, c. 47÷53, рис. 7, табл. 1, лит. 22.
UKD 622.333: 622.1: 550.8
подземная газификация угля. Оценка риска промышленной установки.
Идентификация опасностей.
В статье представлено результаты проведенной оценки запасов каменного
угля в ВУБ (Верхнесилезский угольный бассейн) для целей подземной
газификации угля. Ее проводили в рамках проекта « Разработка технологии
газификации угля для высокоэффективного производства топлив и электрической энергии» финансируемого NCBR (Национальный центр по испытаниям
и развитию). Работа представляет оценку шахт принадлежащих Угольной
компании А.О. Анализ запасов каменного угля для нужд газификации шахтным методом охватывал следующие критериальные параметры: тип угля 31,
32 и 33, мощность угольного пласта >1,5 м, поверхность угольной парцеллы
> 2,0км2. Опираясь на принятые критерии выделено пласты находящиеся
в пяти шахтах т.е. «Сосьница – Макошовы» - отделы «Сосьница», «Пяст»,
«Земовит», «Хваловице» и «Янковице». Потенциально интересные запасы
для PZW до глубины 1000 м в Угольной компании А.О. для шахтного ствола
составляют свыше 700 млн Мг.
бурхарт-Король Д., чаплика-Коляж К., Кравчик п.: Анализ чувствительности экоэффективности технологии подземной газификации угля. Przegląd
Górniczy 2014, T. 70, No. 11, c. 54÷59.
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.553.96: 622.553.94
Экоэффективность. Оценка цикла жизни. Издержки цикла жизни. подземная
газификация угля. Анализ чувствительности.
Хецько Я., глоговска М., Важеха Р., урых т.: Оценка запасов каменного
угля для целей подземной газификации угля шахтным методом в месторождениях действующих шахт Угольной компании А.О. Верхнесилезского угольного бассейна. Przegląd Górniczy 2014, T. 70, No. 11, c. 20÷27, рис. 11, лит. 14.
Gазификация угля. Запасы угля. шахтный метод.
Нець М., Хецько Я., гурецки Й., Сермет Э.: Состояние запасной базы углей
в Польше и ее проблемы относящиеся к месторождению и экологии по от-
UKD 622.333: 622.1: 550.8
В статье представлено важнейшие сценарии возникновения аварий в процессе
подземной газификации угля (процесс PZW) шахтным методом. Разработке
сценариев предшествует идентификация опасностей существующих во
время нормальной работы геореактора, а также в аварийном состоянии его
работы. Для этой цели проведено просмотр мировой литературы из этой
области, а также использовано знания полученные в рамках проектов HUGE
и HUGE 2, которые Главный институт горного дела проводил в Опытной
шахте «Барбара», а также в рамках Стратегического проекта NCBiR «Разработка технологии газификации угля для высокоэффективного производства
топлив и электрической энергии». Идентификация опасностей то есть опасных и вредных факторов, которые обладают потенциалом для генерирования
опасных явлений, позволила образовать сценарии явлений возможных для
появления во время проведения подземной газификации шахтным методом,
существенных для безопасного функционирования установки PZW.
UKD 622.333: 622.1: 550.8
В статье представлено результаты анализа чувствительности экоэффективности технологии производства электрической энергии в процессе подземной
154
СОДЕРЖАНИЕ
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Nr 11
газификации угля. Анализ экоэффективности интегрирует результаты оценки
издержковой экоэффективности методом издержек цикла жизни (LCC – Life
Cycle Costing), а также результаты экологической оценки методом анализа
цикла жизни LCA (Life Cycle Assessment). Анализ экоэффективности проведено для технологии подземной газификации угля бесшахтным методом
в области от подготовки месторождения, получения процессового газа и его
очистки до получения электрической энергии и опционально секвестрация
двуокиси углерода (CCS – Carbon Capture and Storage). Проведенный анализ
чувствительности показал, что самое большое влияние на экоэффективность
технологии подземной газификации угля бесшахтным методом как с так
и без CCS, принадлежит диспозиции установки производства электрической
энергии, а дальше мощности угольного пласта. Очередные существенные
факторы влияющие на результат это: длина горизонтальных каналов
(в технологии подземной газификации с CCS) и цены прав для эмиссии CO2
(в технологии подземной газификации без CCS).
UKD 622.333: 622.1: 550.8
Капуста К., Вятовски М., Станьчик К.: Моделирование процесса подземной газификации угля в экспериментах ex-situ. Przegląd Górniczy 2014,
T. 70, No. 11, c. 60÷69.
подземная газификация угля. Моделирование ex-situ. чистые угольные
технологии. Синтез - газ.
Проведено серию шести экспериментальных моделирований процесса подземной газификации угля (PZW) в поверхностных условиях (ex-situ), целью
которых было определение типа геометрии огневого канала, а также условий
проведения процесса позволяющих получить газ с возможно высокой теплотворностью. 5 проб газификации проведено с использованием каменных
углей и одну на буром угле, применяя разные газифицирующие факторы, т.е.
кислород, воздух и их смеси. Испытания показали, что конфигурация огневого канала существенным способом влияет на пробег процесса газификации,
а также на теплотворность газа, особенно по поводу разного содержания
окиси углерода в газах получаемиых для разных конфигураций. Для принятых геометрий угольных месторождений, самые полезные условия пробега
процесса газификации наблюдали в случае применения чистого кислорода.
Средние теплотворности газа производимого во время газификации каменных углей кислородом помещались в пределах с 7,6 по 9,7 MДж/Нм3,
a получаемые энергетические коэффициенты полезного действия процесса
помещались в пределах с 46,8% по 79%. Замена газифицирующего фактора
воздухом вызвала значительное понижение температур в системе подвергнутой реакции, результатом которой были выразительные понижения
концентраций основных горючих компонентов газа (H2, CO). В условиях
повышенного давления газификации воздухом получено высшую теплотворную способность газа, в основном по поводу повышения доли метана в газе.
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.519.61/.64
Вахович Я., Лончны М.Я., Ивашенко С., Яношек т., Цемпа - балевич
М.: Модельное испытание процесса ex-situ газификации каменного угля
вспомогаемое методами CFD. Przegląd Górniczy 2014, T. 70, No. 11, c. 70÷75,
рис. 7, табл. 2, лит. 18.
газификация угля. Цифровая аэрогидромеханика. Моделирование.
Эксперимент.
Представлено результаты цифрового моделирования процесса газификации угля с применением методов цифровой аэрогидромеханики CFD (из
английского Computational Fluid Dynamics) с использованием информатического инструмента Ansys-Fluent. Модельные испытания предполагали
проведение процесса газификации угольной массы с участием кислорода,
как газифицирующего фактора, в установившимся режиме т.е. между 30
и 48 часами продолжения эксперимента. Цифровые моделирования проведено с намерением идентификации распределения изменений искаемых
компонентов процессового газа. Полученные результаты цифрового решения
сопоставлено с результатами экспериментальных испытаний проводимых в
действительном реакторе ex-situ.
UKD 622.333: 622.544.3: 622.1: 550.8: 519.61/.64
Цала М., Стопкович А., Ковальски М., бляер М.: Моделирование термических явлений в породном массиве в окружении геореактора. Przegląd
Górniczy 2014, T. 70, No. 11, c. 76÷85, рис. 11, табл. 3, лит. 24.
подземная газификация угля. термические процессы. Цифровое
моделирование.
Подземная газификация угля является вопросом широко исследуемым в
контексте возможности использования угольных пластов, классическая
разработка которых экономически необоснована или технологически трудна.
По поводу сложности процесса газификации угля, отсутствия практических
опытов, прогнозирование его влияния на окружающую геосреду является
трудным вопросом. В статье анализу подвергнуто возможности моделирова-
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
2014
ния термических процессов и прогнозирования их влияния на окружающий
породный массив. Для этой цели использовано программу метода конечных
разностей FLAC 3D, в которой отобразили условия опытов ex situ проводимых для разных систем огневых каналов. Полученные результаты из
цифровых моделирований сравнивали с действительными измерениями. Это
позволило оценить возможности использования цифровых инструментов для
оценки и прогнозирования влияния термических процессов сопутствующих
подземной газификации угля на окружающую геосреду.
UKD 622.333: 622.1: 550.8
бигда Й., бурхарт-Король Д.: порада С.: Карта технологических решений
процессов газификации угля . Przegląd Górniczy 2014, T. 70, No. 11, c. 86÷96.
газификация угля. подземная газификация. Синтез – газ. Очистка газа.
В статье представлено сравнение самых зрелых и перспективных реакторов,
которые можно использовать для газификации угля в польских условиях.
Выбрали дисперсионные реакторы: Shell, GE/Texaco, Prenflo, Siemens
и E-Gas, флюидный реактор U-Gas, а также транспортирующий KBR
Transport. Эти реакторы представляют собой разные технологические
решения. Технологии использующие эти реакторы широко применяются
во всем мире и могут использоваться как для энергетического сектора,
так и химии или производства топлив. Проанализировали также разные
технологические решения процессов подземной газификации угля, а также
важнейших технологических конфигураций очистки газа из газификации,
в зависимости от его применения.
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.657.92
Квасьневски К., Копач М., гжесяк п., Каплан Р.: Экономическая оценка
технологии газификации угля с особым учетом последовательности складываемого опциона ожидания и увеличения масштаба. Przegląd Górniczy
2014, T. 70, No. 11, c. 97÷106.
газификация угля. таксировка. Анализ предметных опционов. Модель
таксировки. Стратегическая стоимость ROV (XNPV). последовательные
складываемые опционы.
Настоящая публикация представляет полную концепцию оценки технологии
газификации угля в методе предметных опционов. Идея модели предполагает
таксировку 6 разных последовательностей опционов. В статье ограничились
однако к таксировке комбинации опциона ожидания вместе с опционом
увеличения масштаба. Стоимость чистой приведенной стоимости (NPV)
технологии производства метанола путем газификации при базовом масштабе
выраженном потреблением каменного угля на уровне 100 Мг/ч была негативной и составила 1 091,8 млн. зл. Тем временем таксировка складываемого
последовательного опциона ожидания и увеличения масштаба позволила
определить стратегическую стоимость XNPV (ROV) анализируемой технологии ряда 3 508,49 млн. зл. Стоимость самого опциона увеличения масштаба
в таком случае сформировалась на уровне 2 911,63 млн. зл.
UKD 622.333: 622.1:550.8: 622.62-1/-8
гавенда т., Кравчиковски Д., Марциняк–Ковальска Й.: Возможности
минерального инженерного дела в испытаниях в области подготовки углей
к наземной газификации во флюидном газогенераторе. Przegląd Górniczy
2014, T. 70, No. 11, c. 107÷119, рис. 11, табл. 5, лит. 21.
Дробильные установки. газификация. Обогащение. Сухая сепарация угля.
В статье представлено результаты испытаний в области подготовки углей для
процесса газификации во флюидном газогенераторе. Опираясь на анализ гранулометрического и химического состава углей выбранных для испытаний,
проведено анализ эффективности процессов дробления в разных устройствах
и оценки работы разных дробильных установок с точки зрения распределения качественных параметров углей, что позволило подобрать устройства,
а также условия дробления и классификации углей. Разработано процедуры
оптимизации производства топлива – угля предназначенного для процесса
флюидной газификации. Представлено инновационные решения технологических систем подготовки углей (дробления и обогащения углей) путем
механической переработки для процесса газификации угля в кипящем слое.
UKD 622.333: 622.1: 550.8: 622.544.3
черски г., порада С., Дзиок T., Маковска Д., гживач п., Суровяк A.:
Испытания газификации водяным паром угля подвергнутого операции обогащения. Przegląd Górniczy 2014, T. 70, No. 11, c. 120÷126, рис. 4, табл. 4, лит. 21.
уголь. газификация водяным паром. Обогащение угля
Каменный уголь из шахты Янина разделено по фракциям разной плотности
и проведено измерения газификации водяным паром под высоким давлением
в/у фракций, а также исходного угля. Измерения проведено в темп. 900 °C
и под давлением 1 MПa. Проведено оценку процесса газификации опираясь на
Nr 11
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Nr 11
СОДЕРЖАНИЕ
кривые скорости выделения: окиси и двуокиси углерода, водорода и метана,
а также полученные производительности отдельных продуктов и состав газа.
Составлено кривые степени конверсии элемента С во времени, определно
также постоянные скорости реакции конверсии элемента С.
UKD 622.333: 662.1: 550.8
порада С., Дзиок т., черски г., гживач п.: Сравнение реактивности избранных каменных углей по отношению к водяному пару. Przegląd Górniczy
2014, T. 70, No. 11, c. 127÷131.
уголь. газификация водяным паром. Оценка реактивности.
Сравнено реактивность избранных каменных углей по отношению к водяному пару. Для этой цели проведено измерения газификации водяным паром
трех каменных углей происходящих из польских шахт («Каменноугольная
шахта Богданка», Каменноугольная шахта Пяст», «Каменноугольная шахта
Вечерек»). Газификацию проводили в темп. 900 °C и давлении 1,5 MПa.
Опираясь на результаты измерений концентраций окиси и двуокиси углерода,
а также метана в газе получающимся в результате реакции вычислено степени
конверсии элемента С в исследуемых углях. На их основании определено
кривые изменений степени конверсии во времени, определено время полуконверсии τ0,5, индекс реактивности R0,5 и постянную скорости реакции
конверсии элемента С. Во время оценки реактивности проанализировано
также кинетики образования отдельных газовых продуктов. Определено
постоянную скорости реакции образования окиси углерода и водорода. На
основании полученных результатов исследуемые угли систематизировали в
следующем порядке понижающейся реактивности: Каменноугольная шахта
Пяст > Каменноугольная шахта Богданка ≥ Каменноугольная шахта Вечерек.
UKD 622.333(6-13): 622.1: 550.8(6-13)
чaя п.: Черная Африка, черный уголь и золотое топливо О газификации угля
в концерне Sasol - ЮАР – несколько слов. Przegląd Górniczy 2014, T. 70, No.
11, c. 132÷141, рис. 5, табл. 1, лит. 1.
газификация угля. технология Sasol. горное дело в ЮАР.
Каждый, кто занимается горным делом знает, что горное дело в Южно – Африканской Республике во многих случаях является образцом интересных и
очень смелых технологических решений. ЮАР представляемая как пример
самых глубоких шахт в мире, как туз в горной промышленности золта, платины и алмазов, как один из мировых лидеров в каменноугольной промышленности, в самом деле в мировой горной промышленности выполняет очень
важную роль. ЮАР поражает решимостью в стремлении к энергетической
независимости в снабжении моторными топливами (бензин и газойль) даже
ввиду экономической изоляции после событий случившихся в этой стране
после II мировой войны. ЮАР внедрила в 1955 году технологии коммерческой газификации угля и его конверсии в форму жидких топлив опираясь
на немецкую химическую технологию и огромное предложение дешевого
угля в своей стране. Сегодня ЮАР проводя газификацию ежегодно около 40
млн тонн своего угля производит из него около 120 химических продуктов,
в том моторные топлива, авиационное горючее, олефины, сурфактанты, растворители, воски и парафины, косметики и взрывчатые вещества, а также
искусственные удобрения. Сегодня фабрики в Secunda и Sasolburg это самые
крупные химические комплексы, в которых работает около 34 тыс. рабочих,
актуально в 35 странах мира, в том в Польше при помощи фирмы Sasol
Польша. Хотя большинство этих работ относится к химическим процессам,
но заодно с работами в области газификации угля в Польше говорят о них
очень много – потому важно, чтобы читатели Горного просмотра шире
знали технологическое мероприятие, которым является фирма Sasol функционирующая с большим успехом в ЮАР с 60 лет.
PRZEGLĄD GÓRNICZY
155
2014
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Prenumerata na 2015 rok
Cena jednego egzemplarza pojedynczego 25 zł + 5% VAT
Prenumerata całoroczna 300 zł + 5% VAT
Zamawiający . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...................................
Dokładny adres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...................................
Nr NIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . dnia . . . . . . . . . . . . .
Redakcja miesięcznika
„Przegląd Górniczy”
ul. Powstańców 25
40-952 Katowice
Zamówienie
na prenumeratę . . . . . . . . . . . (liczba egzemplarzy) miesięcznika „Przegląd Górniczy”
na 2015 rok
Kwotę
zł . . . . . . . . . .
(słownie) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
wpłacono na konto: ING Bank Śląski o/Katowice 63 1050 1214 1000 0007 0005 6898
Załączamy kopię dowodu wpłaty.
Oświadczamy, że jesteśmy płatnikami podatku VAT i upoważniamy Was do wystawienia faktur VAT bez podpisu osoby uprawnionej z naszej strony.
Zamówione egzemplarze miesięcznika proszę przesłać na adres:
....................................................................
....................................................................
....................................................................
Imię i nazwisko oraz telefon osoby kontaktowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pieczątka i podpis
" ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
"
156
Nr 11/2014
dr hab. inż. Andrzej Strugała prof. AGH
„Badania nad procesem zgazowania węgla w ramach
Projektu NCBiR”
1
prof. dr hab. inż. Józef Dubiński
dr inż. Aleksandra Koteras
„Obecny stan i kierunki rozwoju technologii podziemnego
zgazowania węgla w świecie”
5
dr inż. Stanisław Hajdo
prof. dr hab. inż. Zbigniew Kasztelewicz
dr inż. Krzysztof Polak
dr inż. Grzegorz Galiniak
dr inż. Kazimierz Różkowski
„Środowisko, technologia, ekonomia - czynniki
określające perspektywę zagospodarowania polskich złóż
węgla brunatnego z wykorzystaniem procesu
zgazowania”
13
dr inż. Jarosław Chećko
dr inż. Magdalena Głogowska
mgr inż. Robert Warzecha
mgr inż. Tomasz Urych
„Ocena zasobów węgla kamiennego dla celów
podziemnego zgazowania węgla metodą szybową
w złożach czynnych kopalń Kompanii Węglowej S.A”
20
prof. dr hab. inż. Marek Nieć
dr inż. Jarosław Chećko
dr inż. Jerzy Górecki
dr inż. Edyta Sermet
„Stan bazy zasobowej węgli w Polsce i jej problemy
złożowo-środowiskowe w odniesieniu do eksploatacji
metodą podziemnego zgazowania”
28
doc. dr inż. Kazimierz Matl
prof. dr hab. inż. Zbigniew Kasztelewicz
dr Jacek Kasiński
dr inż. Barbara Bielowicz
dr inż. Grzegorz Galiniak
„Zróżnicowanie bazy zasobowej węgla brunatnego
w Polsce dla produkcji gazu metodą naziemnego
i podziemnego zgazowania”
38
dr inż. Alicja Krzemień
dr inż. Adam Duda
dr inż. Aleksandra Koteras
„Identyfikacja scenariuszy powstania awarii w procesie
PZW metodą szybową”
47
dr hab. inż. Dorota Burchart-Korol
prof.nadzw.
prof. dr hab. inż. Krystyna CzaplickaKolarz
mgr inż. Piotr Krawczyk
„Analiza wrażliwości ekoefektywności technologii
podziemnego zgazowania węgla”
54
dr Krzysztof Kapusta
dr inż. Marian Wiatowski
prof. dr hab. inż. Krzysztof Stańczyk
„Symulacja procesu podziemnego zgazowania węgla w
eksperymentach ex-situ”
60
prof. dr hab. inż Jan Wachowicz
prof. dr hab. inż. Marian Jacek Łączny
dr inż. Sebastian Iwaszenko
dr inż. Tomasz Janoszek
mgr Magdalena Cempa-Balewicz
„Symulacyjne badanie procesu ex-situ zgazowania węgla
kamiennego wspomagane metodami CFT”
70
dr hab. inż. Marek Cała prof. AGH
mgr inż. Agnieszka Stopkowicz
mgr inż. Michał Kowalski
mgr inż. Mateusz Blajer
„Modelowanie zjawisk termicznych w masywie skalnym
w otoczeniu georeaktora”
76
Nr 11/2014
dr inż. Joanna Bigda
dr hab. inż. Dorota Burchart-Korol
dr Stanisław Porada
„Mapa rozwiązań technologicznych procesów zgazowania
węgla”
86
dr inż. Krzysztof Kwaśniewski
dr inż. Michał Kopacz
mgr inż. Paweł Grzesiak
mgr inż. Radosław Kapłan
„Ekonomiczna ocena technologii zgazowania węgla ze
szczególnym uwzględnieniem sekwencji składanej opcji
czekania i wzrostu skali”
97
dr inż. Tomasz Gawenda
dr inż. Damian Krawczykowski
dr hab. Jolanta Marciniak-Kowalska prof.
AGH
„Możliwości inżynierii mineralnej w badaniach nad
przygotowaniem węgli do zgazowania naziemnego
w gazogeneratorze fluidalnym”
107
dr inż. Grzegorz Czerski
dr Stanisław Porada
mgr inż. Tadeusz Dziok
mgr inż. Dorota Makowska
mgr inż. Przemysław Grzywacz
dr inż. Agnieszka Surowiak
„Badania zgazowania parą wodną węgla poddanego
operacji wzbogacania”
120
dr Stanisław Porada
mgr inż. Tadeusz Dziok
dr inż. Grzegorz Czerski
mgr inż. Przemysław Grzywacz
„Porównanie reaktywności wybranych węgli kamiennych
względem pary wodnej”
127
prof. dr hab. inż. Piotr Czaja
„Czarna Afryka, czarny węgiel i złote paliwo”
132