Podziemne zgazowanie
WYKA
AD 3.b.
1. Rys historyczny
Początek historii geotechnologicznych metod sięga drugiej połowy
XIX wieku kiedy to zarysowano pierwsze koncepcje prowadzenia
eksploatacji otworowej siarki rodzimej, soli kamiennej i
podziemnego zgazowania węgla.
" zarys koncepcji i możliwości podziemnego zagazowania węgla
1868 r.-dwóch niemieckich inżynierów, bracia Werner i Wilhelm
Siemens w 1868 roku.
" rosyjski chemik Dmitryj Mendelejew w roku 1888 pisał, że 
nastąpi z czasem nawet taka epoka, że węgla nie będzie się
wydobywać z ziemi, a tam w ziemi będzie przekształcany w gazy
palne, które rurociągami będą przesyłane na dalekie
odległości (Arens i Siemienienko 1971).
" pierwszy patent w zakresie podziemnej gazyfikacji węgla
otrzymał amerykański wynalazca A. G. Betts w 1909 roku.
" w latach 1910-1915 pracował angielski chemik Sir Whiliam
Ramsey, który znał osobiście Mendelejewa i prowadził z nim
korespondencjÄ™.
" w 1912 roku zaplanował on pierwszy eksperyment podziemnego
pionowego gazogeneratora, którego istota polegała na prowadzeniu
procesu zgazowania węgla przez pojedyncze, wyodrębnione otwory
podobne do tych, którymi prowadzi się wydobycie soli metodą
Å‚ugowania .
" najwcześniej, bo już w 1928 roku udało się opracować w byłym
Związku Radzieckim technologię podziemnego zgazowania węgla
zdolną do zastosowania na skalę przemysłową.
" pierwsza przemysłowa instalacja została uruchomiona w 1937
roku. ( w ZSRR dynamicznie rozwój do początku lat
sześćdziesiątych, kiedy to na Syberii odkryto ogromne zasoby gazu
ziemnego.
" próby podziemnego zgazowania węgla wielokrotnie prowadzono w
Europie Zachodniej, np. we Francji, Belgii, Wielkiej Brytanii i
Hiszpanii.
" w USA pierwsze próby podziemnego zgazowania węgla
przeprowadzono po II Wojnie Åšwiatowej, ale mocne finansowe
wsparcie rządu miało miejsce dopiero po 1970 roku w związku z
kryzysem paliwowym.
" w latach 70 i 80 ubiegłego wieku powstało w USA ponad 30
instalacji. Spadek cen gazu i ropy na rykach spowodował
zaniechanie finansowania programu, praktycznie tuż przed
uruchomieniem pierwszej komercyjnej instalacji podziemnego
zgazowania węgla w Stanie Wyoming.
" Podczas gdy wszystkie programy badawcze podziemnego
zgazowania węgła zostały zarzucone w 1993 roku, międzynarodowa
korporacja Ergo Exergy Technologies rozpoczęła badania w
Kanadzie, by w 1999 roku uruchomić komercyjny projekt produkcji
syngazu "Chinchilla" w Australii (Blinderman i Jones 2002).
2. Istota działania i schematy technologiczne gazogeneratora
" Zgazowanie jest procesem chemicznym zmiany paliwa stałego lub
ciekłego w palny gaz, który może być wykorzystany do produkcji
energii cieplnej lub elektrycznej albo stanowić surowiec do
produktów chemicznych, takich jak wodór, metanol czy gaz
syntetyczny
" Podziemne zagazowanie węgla polega na zmianie fazy stałej do
gazowej bezpośrednio w złożu. Część warstwy węglowej, w której
zachodzi proces zgazowania stanowi tzw. gazogenerator.
" Połączenie z powierzchnią odbywa się za pomocą wyrobisk
doprowadzających powietrze i odprowadzających powstałą
mieszaninę gazów palnych na powierzchnię (najczęściej otworów).
" Przemieszczanie się tlenu, a póz
niej gazu w złożu wykorzystuje
naturalną gazoprzepuszczalność złoża węgla a spalanie może
odbywać się zgodnie z kierunkiem zatłaczania powietrza lub w
przeciwprÄ…dzie
Pomiędzy otworami iniekcyjnymi a odbierającymi gaz wytwarza się
kanał zgazowania, wzdłuż którego można umownie wyróżnić cztery
strefy:
" utleniania (spalania),
" redukcji,
" suszenia (Arens i Siemienienko 1971)
" termicznego rozkładu węgla
Strefa suszenia- tlen doprowadza do samozapłonu materii węglowej
i przechodząc dalej wchodzi w reakcję z węglem, w wyniku czego
wzrasta w strumieniu gazowym zawartość tlenku i dwutlenku węgla.
Strefa redukcyjna- powstający dwutlenek węgla, a także para
wodna posiadają wysoką temperaturę i opływając rozżarzoną
powierzchnię węgla, CO2 redukowane jest do CO, a para wodna do
wodoru,
Strefa termicznego rozkładu- przy dalszym ruchu wzdłuż kanału
gazy palne nagrzewają węgiel, w rezultacie czego zachodzi
termiczny jego rozkład z wydzieleniem do strumienia gazowego
substancji lotnych.
Strefa suszenia węgla- powstająca mieszanina gazów zawierająca
składniki palne, takie jak wodór, tlenek węgla i produkty lotne
umownie nazywane metanem, posiadajÄ…c jeszcze wystarczajÄ…co
wysoką temperaturę omywa powierzchnię wzdłuż kanału susząc go.
Gazy niepalne reprezentowane są głównie przez tlen, CO2 i azot.
" Przy końcu strefy spalania - najwyższa temperatura.
" W strefie redukcyjnej- temperatura w kanale ulega wyraz
nemu
obniżeniu.
" Na wyjściu z kanału ulega znacznym wahaniom w zależności od
jego długości i wypełnienia przestrzeni odgazowania i z reguły nie
bywa niższa od 100-1500C.
" Równocześnie w otoczeniu kanału, w nagrzanym masywie węgla,
zachodzą złożone procesy koksowania wysokotemperaturowego
(900-11000C), średniotemperaturowego (700-8000C) i
niskotemperaturowego (550- 6000C).
" Powstające w procesie koksowania gazy różnią się posiadanym
ciepłem spalania i mogą one wzbogacać gaz w kanale zgazowania
lub wchodzić w reakcje z węglem i tlenem.
" Dlatego też skład powstającej mieszaniny gazu w gazogeneratorze
zmienia się w zależności od wielu czynników związanych z cechami
masywu węglowego i jego geometrią, a także parametrami
technologicznymi jako zmiennymi niezależnymi (wydatek
wtłaczanego powietrza i zawartość w nim tlenu). Są to zatem
czynniki określające aspekt procesu chemicznego powstawania gazu
i hydrodynamicznego charakteru oddziaływania powietrza
z reagujÄ…cÄ… powierzchniÄ… paliwa.
Przykładową zmianę zawartości składników palnych w strumieniu
gazowym wzdłuż kanału zgazowania pokazano na rysunku 1
Rys. 1. Zmiana składu powietrza wzdłuż długości kanału zgazowania
(wg Arens i Siemienienko 1971)
Dla bilansu ogólnego otrzymywanego gazu najważniejsze stanowią
składniki gazowe uzyskiwane nie w procesie przeróbki termicznej
paliwa, lecz w procesie dyfuzji na powierzchni kontaktu gazu i ciała
stałego (Arens i Siemienienko 1971).
Wychodząc z prawa Ficka dla kanału gazowego syntetyczny wzór
na prędkość strumienia dyfuzji ma postać:
dm C
, kg/s ,
m = = -D × S ×
dt Ã
gdzie: D- współczynnik dyfuzji charakterystyczny dla danego materiału i
procesu określający kinetykę chemiczną na powierzchni granicznej faz, a więc
kinetykę straty masy ciała stałego na rzecz strumienia powstającego gazu,
zależny ponadto od temperatury procesu, ciśnienia, gęstości składników
gazowych,
S- pole powierzchni kontaktu powietrza z materią węglową, zależy od
wielkości przekroju poprzecznego kanału gazowego i jego długości,
C- różnica stężeń składników gazowych w strumieniu przepływającego gazu i
w warstwie przyściennej
Ã- grubość warstwy przyÅ›ciennej, która jest regulatorem
przechodzenia masy powstającego gazu do głównego strumienia
gazu, zależna od rodzaju ruchu w tej warstwie, czyli od liczby
Reynoldsa.
Niezbędnym warunkiem podwyższenia intensywności zgazowania
jest podtrzymywanie wysokich temperatur i minimalizowanie
grubości warstwy przyściennej. Osiąga się to przez zmianę
natężenia dopływu powietrza do gazogeneratora. Celem
sterowania procesem jest osiągnięcie jego stabilizacji na poziomie
gwarantującym pożądany skład powstającego gazu.
Jak widać z przedstawionego ogólnego opisu procesu każdy
gazogenerator będzie posiadał inną kinetykę procesu zgazowania,
decydującą o jego efekcie końcowym.
Wyrobiskami Å‚Ä…czÄ…cymi powierzchniÄ™ ziemi z gazogeneratorem
mogą być;
" otwory pionowe lub kierunkowe ,
" albo tradycyjne wyrobiska górnicze,
Rys. 2. Zespół generatora gazu z otworami pionowymi (CSIRO & Carbon
Energy 2006)
Rys. 3. Zespół generatora gazu z otworami kierunkowymi (CSIRO & Carbon Energy 2006)
Eksploatacja przy wykorzystaniu otworów kierunkowych stosowna jest zazwyczaj w
złożach nachylonych. Technologia ta pozwala na kontrolowane przesuwanie strefy
iniekcji poprzez podciÄ…ganie orurowania w skojarzonych otworach stanowiÄ…cych
zespół generatora gazu. Technologia ta znana jest nazywana jest jako CRIP
(Controlled Retractable Injection Procedure). Metody te zapoczÄ…tkowano w ZSRR
na pokładach stromo nachylonych i rozwinięte zostały w USA i Europie
Zachodniej dla złóż lekko nachylonych.
Rys. 4. Eksploatacji z wykorzystaniem otworu inicjacyjnego oraz
podciąganym orurowaniem otworów gazaogeneratora (CSIRO & Carbon
Energy 2006)
Technologia eksploatacji polegajÄ…ca na wykorzystaniu tradycyjnych
wyrobisk górniczych stosowana jest w Chinach. Stosowana jest w
kopalniach podziemnych, gdzie zakończono wydobycie metodami
konwencjonalnymi. Gazyfikacji poddaje się cienkie pokłady, których
eksploatacja metodami konwencjonalnymi nie jest opłacalna. Dwa
wyrobiska górnicze drążone są po upadzie pokładu, jedno z nich stanowi
strefÄ™ iniekcji, a drugim odbierany jest gaz.
Rys. 5. Zespół generatora z
górniczymi wyrobiskami
podziemnymi (Wan 2006)
Z istoty metod geotechnologicznych i nieskomplikowanego sposobu udostępniania
wynika szereg zalet, a także i wad w odniesieniu do metod konwencjonalnych.
Zalety :
a) Mniejsze przekształcenia powierzchni terenu (eksploatacja selektywna).
b) Brak konieczności wydobywania i składowania skał płonnych w postaci
odpadów na powierzchni terenu.
c) Eliminacja pracy ludzi w trudnych warunkach pod ziemiÄ…
d) Brak powierzchniowych instalacji zgazowania.
e) Brak konieczności transportu węgla na powierzchnię.
f) Pozostawienie produktów spalania pod powierzchnią ziemi.
g) Redukcja emisji zanieczyszczeń do środowiska SOx, NOx, metali ciężkich i
pyłów.
h) Możliwość eksploatacji złóż pozabilansowych dla konwencjonalnych metod
wydobycia (mniejsze koszty i krótki czas udostępniania).
i) Możliwość składowania CO2 w pustkach poeksploatacyjnych.
Wady:
1. Znaczący wpływ na środowisko naturalne, tj:
- zanieczyszczenie warstw wodonośnych,
- osiadanie powierzchni terenu.
2. Ograniczona liczba złóż mogących być przedmiotem zainteresowania ze
względu na szczególne wymagania złożowe, zapewniające ochronę
środowiska i bezpieczeństwo na powierzchni).
3. Brak pełnej kontroli procesu w szczególności zaś:
- przepływu wód podziemnych,
- rozprzestrzeniania się produktów spalania w strefie gazyfikacji,
- rozwoju stref erozji i zgazowania w złożu, które można kontrolować
jedynie pośrednio na podstawie prowadzonych pomiarów na powierzchni.
4. Niestabilność procesu zgazowania w czasie i wahania w uzysku produktu
końcowego, zarówno w zakresie wartości opałowej gazu jak i jego
wydajności, co utrudnia planowanie jego wykorzystania np. dla
elektroenergetyki .
3. Wyniki dotychczasowych doświadczeń światowych w pgw.
Były ZSRR
" od 1937 roku. Pierwsze doświadczenia w zakresie podziemnej gazyfikacji węgla
prowadzone były na złożach węgla brunatnego w Zagłębiu Podmoskiewskim. Prawie
poziome pokłady węgla zalegające na głębokości od 30 do 89 metrów i miąższości do 5
m eksploatowane były z powodzeniem w Tuli do 1963 roku, kiedy zaprzestano
wydobycia z powodu wyeksploatowania złoża,
" W 1955 roku rozpoczęto eksploatację bitumicznego złoża węgla w Józ
no-Abińsku na
Syberii. Instalacja pracowała z przerwami (1955-1977). Od 1999 roku wydobycie w
kopalni w Józ
no-Abińsku zostało wznowione. Produkowane jest tam ok. 290 tys. m3
gazu. Eksploatacja prowadzona jest na pokładach stromo nachylonych, w zakresie
głębokości od 50 do 300 m.
" Najbardziej korzystne na świecie parametry eksploatacji uzyskano w
kopalni Angren koło Taszkientu w Uzbekistanie. Podziemne zgazowanie
węgla brunatnego ze złoża, zalegającego na głębokości 120 do 150 m i
miąższości od 2 do 22 m, prowadzi się tam z powodzeniem od 1955 roku. Z
instalacji podziemnego zgazowania dostarczono w całym okresie ponad 18
mld m3 gazu. Produkowany gaz stanowi surowiec do produkcji energii
elektrycznej oraz cieplnej w elektrociepłowni, której moc w zależności od
potrzeb waha się między 50-150 MW (Walker 1999).
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
lata
produkcja gazu [mln m3]
zgazyfikowany węgiel [tys. ton]
Rys. 6. Zgazowanie węgla oraz produkcja gazu w latach 1962-1977 w kopalni Angren
w Uzbekistanie
1962
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
W skrócie można sformułować je następująco: w podziemnym
zgazowaniu występuje:
" konieczność sterowania ciśnieniem i wydatkiem powietrza (tlenu lub
pary) kierowanych do gazogeneratora,
" konieczność kontroli rozpływów gazu w złożu,
" konieczność wykorzystania naturalnej kierunkowej zmienności
parametrów złoża,
" konieczność wykonywania połączeń w złożu dla wspomagania
procesu spalania oraz jego kontroli,
" możliwość kierowania produkcją poprzez dobór siatki otworów oraz
ilość eksploatowanych jednocześnie gazogeneratorów.
Dla naszych warunków eksploatacji węgla brunatnego interesujące są
następujące wymagania:
- nad stropem zgazowanego pokładu węgla musi istnieć warstwa
nieprzepuszczalna
o miąższości hi > 1,5 Hw ,
- wskaz
nik nadkładu powyżej 10,
- kaloryczność węgla powyżej 2600 kcal/kg (10900 kJ/kg),
- górotwór słabo zawodniony.
Thermofluid Technology by Bohdan
Żakiewicz Displacement of Coal or Heavy
Crude Combustion gases by dragging dynamic
forces developed by SDShaft and Jet Stringers System
within active zone of mining field.
Underground Coal Processing
turbina
woda
parowa
tlen
para wodna
prÄ…d
SDS
syngaz syntetyczne
CO + H2
Fischer-
paliwa płynne
Tropsch
syntetyczne
metanol
paliwa płynne
podziemna
gazyfikacja
wodór
wodór
węgiel
syntetyczne
metan
paliwa gazowe
nawozy
amoniak