Pozyskiwanie metanu jako produktu ubocznego z kopalnii

[administrator]

Ocena stanu i możliwości utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń węgla kamiennego
Prof. dr hab. inż. Stanisław Nawrat, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków;
mgr inż. Kazimierz Gatnar, Jastrzębska Spółka Węglowa SA, Jastrzębie-Zdrój;
"Polityka Energetyczna" - 2010-01-14

Metan, towarzyszący w kopalniach eksploatacji kopaliny podstawowej jaką jest węgiel kamienny, nie ujęty przez odmetanowanie w większej części wydziela się do powietrza wentylacyjnego tworząc mieszaniny metanowe-powietrzne o różnym stężeniu metanu.

STRESZCZENIE

Wykorzystanie metanu z pokładów węgla jest bardzo ważne z przyczyn:

* gospodarczych, co znalazło odzwierciedlenie w Prawie geologicznym i górniczym zaliczającym metan z pokładów węgla (MPW) do kopalin podstawowych, oraz
* ekologicznych, gdyż emisja między innymi metanu do atmosfery przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego, co znalazło odzwierciedlenie w Protokole z Kioto.

W polskich kopalniach węgla kamiennego od wielu lat następuje stopniowy rozwój odmetanowania podziemnego i gospodarczego wykorzystania ujętego metanu w instalacjach ciepłowniczo-energetycznych. Jednakże nie tylko polskim, ale światowym dużym problemem jest utylizacja i gospodarcze wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń(MWENT).
W kopalniach, metan z pokładów węgla w czasie procesu urabiania węgla wydziela się do powietrza w kopalni i ulega rozrzedzeniu, tworząc w wyniku regulacji strumienia powietrza mieszaniny metanowo-powietrzne (MWENT) zwierające od 0,0 do 0,75% metanu (górna granica określona w polskich górniczych przepisach bezpieczeństwa).

Na świecie prowadzone są intensywne prace badawczo-rozwojowe, które doprowadziły do opracowania wielu technologii i urządzeń, pozwalających przeprowadzać proces spalania metanu o niskiej koncentracji.

Materiał zawarty w artykule stanowi próbę oceny stanu i możliwości utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń.

1. Zasoby metanu w mieszaninie z powietrzem w polskich kopalniach węgla kamiennego

W polskich kopalniach węgla kamiennego od wielu lat następuje stopniowy rozwój odmetanowania podziemnego i gospodarczego wykorzystania ujętego metanu w instalacjach energetyczno-ciepłowniczych. Natomiast dużym problemem, nie tylko polskim, ale i światowym, jest utylizacja i gospodarcze wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego (MWENT) kopalń.

1.1. Zasoby metanu w mieszaninie z powietrzem w polskich kopalniach węgla kamiennego

W polskich kopalniach węgla kamiennego metanowość bezwzględna od roku 2001 systematycznie rocznie mimo zmniejszania się ilości kopalń oraz wydobycia.

W 2006 roku metanowość bezwzględna wynosiła 871 mln m3/rok (1 657,2 m3/min), przy czym wentylacyjnie odprowadzono 581 mln m3 metanu/rok (1 105,4 m3/min), a systemem odmetanowania ujęto 290 mln m3/rok (551,8 m3/min) (Raporty roczne...).

Metanowość wentylacyjną, z odmetanowania oraz bezwzględną polskich kopalń węgla kamiennego w latach 2001-2006 przedstawia tabela 1 oraz rysunek 1 (Raporty roczne...).

Odmetanowanie, metanowość wentylacyjna - a co za tym idzie - metanowość bezwzględna w ostatnich latach systematycznie rosną (rys. 1).

Z rysunku 1 wynika, że roczne zasoby metanu w powietrzu wentylacyjnym kopalń węgla kamiennego w roku 2006 wynosiły około 581 mln m3 (Raporty roczne...) i z roku na rok zwiększają się. Tylko w 50% zasoby te były wykorzystane, jako paliwo w instalacjach ciepłowniczo-energetycznych.

2. Możliwości techniczne wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego (MWENT) w instalacjach ciepłowniczo-energetycznych

Liczne prace badawczo-rozwojowe prowadzone w ostatnich latach doprowadziły do powstania wielu technologii i urządzeń, które umożliwiają wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego jako paliwa. Jednakże podstawowym problemem jest zapewnienie mieszaniny metanowo-powietrznej o koncentracji metanu co najmniej od 0,5 do 1,0%, aby urządzenia - reaktory spalające metan mogły pracować ekonomicznie efektywnie. Podstawowe założenia wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń przedstawia rysunek 2.

Podstawowymi urządzeniami instalacji umożliwiającej utylizację metanu z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń węgla kamiennego są: 1) urządzenia do pobierania gazów MWENT (powietrze i metan) z szybu wentylacyjnego kopalni, 2) urządzenia do transportu MWENT do reaktorów spalających metan, 3) reaktory spalające metan z MWENT i wytwarzające spaliny zawierające głównie dwutlenek węgla oraz energię cieplną, 4) wymienniki ciepła gaz-woda, umożliwiające wykorzystanie energii cieplnej dla celów energetycznych, np. ogrzewania lub produkcji energii elektrycznej, 5) kominy odprowadzające spaliny do atmosfery.

2.1. Cieplny reaktor przepływowo-rewersyjny TFRR (VOCSIDIZER)

Vocsidizer został opracowany przez amerykańską firmę Megtec Systems i jest reaktorem, w którym następują cykliczne procesy samozapalenia metanu i wydzielania ciepła do złoża (Nawrat 2006). Schemat urządzenia przedstawia rysunek 3.

TFRR składa się ze złoża wykonanego ze żwiru krzemionkowego lub ceramiki, które pełni rolę wymiennika ciepła, z umieszczonymi wewnątrz instalacjami elektrycznymi służącymi do podgrzewania. Odpowiedni przepływ mieszaniny MWENT przez złoże zapewniony jest przez szereg kanałów i zaworów. TFRR działa na zasadzie regeneracyjnej wymiany ciepła pomiędzy przepływającym gazem a wymiennikiem ciepła i medium. Aby zainicjować proces, elektryczne podgrzewacze umieszczone w wymienniku ciepła są podgrzewane do temperatury umożliwiającej utlenianie się metanu (około 1000°C) lub wyższej.

Powietrze wentylacyjne o temperaturze otoczenia wpływa przez wlot do reaktora w jednym kierunku, gdzie następuje utlenianie się metanu oraz wzrost temperatury w pobliżu środka wymiennika ciepła. Gorące produkty spalania oraz nieprzereagowana część MWENT płyną wzdłuż wymiennika oddając ciepło. W wyniku tego procesu nagrzewa się przeciwległa strona wymiennika. Gdy jej temperatura osiągnie temperaturę zapłonu metanu, reaktor automatycznie odwraca kierunek przepływu powietrza. Nowy strumień MWENT przepływa przez złoże z drugiej strony pobierając ciepło od wymiennika. W centralnej części złoża osiąga temperaturę zapłonu i w wyniku utleniania zaczyna oddawać ciepło. Następuje ponowne odwrócenie przepływu i proces powtarza się (Assessment of the Worldwide Market...).

Przekrój przez urządzenie pokazuje rysunek 4. Zastosowanie cieplnego reaktora przepływowo-rewersyjnego pozwala efektywnie wykorzystać metan z powietrza wentylacyjnego do produkcji ciepła, energii elektrycznej i chłodu. Instalacja oparta na takim urządzeniu pozwala uzyskać ze strumienia 800 000 m3/h powietrza wentylacyjnego o stężeniu metanu 1%, 72 MW ciepła, które może być następnie przetworzone na 18 MW energii elektrycznej lub na 16MWenergii elektrycznej i 36MWchłodu (Materiały reklamowe firmy MEGTEC; Carothers et al. 2006; Hall D. West Cliff powers up. Australian Mining...).

Po raz pierwszy Vocsidizer został zademonstrowany w 1994 roku w kopalni węgla Thorseby należącej do British Coal w Wielkiej Brytanii, gdzie pracował wykorzystując 8000 m3/h gazu zawierającego 0,3-0,6% metanu.

Od kwietnia 2007 roku przy kopalni BHP Billiton Illawarra w pełni rozpoczęła pracę elektrownia powstała w ramach projektu West Cliff Ventilation Air Methane Project (WestVAMP). Jest to pierwsza na świecie elektrownia wykorzystująca jako paliwo powietrze wentylacyjneMWENT o niskiej zawartości metanu (rys. 5). Oficjalnego otwarcia dokonał 14 września 2007 roku premier Nowej Południowej Walii Morris Iemma. Koszt instalacji wyniósł 30 mln A$ przy wsparciu Australijskiego Biura ds. Efektu Cieplarnianego (Australian Greenhouse Office) w ramach programu ograniczenia emisji gazów cieplarnianych (Greenhouse Gas Abatement Program) w kwocie 6 mln A$ (Moore 2007) Do produkcji energii elektrycznej instalacja zawierająca reaktory Vocsidizer wykorzystuje 250 000 m3/h powietrza wentylacyjnego MWENT o stężeniu metanu 0,9%. Jest to około 20% strumienia powietrza wentylacyjnego z szybu. Stężenie metanu rzędu 0,9% uzyskiwane jest przez dodatkowe zmieszanie z gazem pochodzącym z odmetanowania.

Elektrownia wytwarza około 5 MW energii elektrycznej, jednocześnie ograniczając emisję metanu do atmosfery, w przeliczeniu na CO2, wynoszącą 250 000 ton rocznie. 24 września 2007 roku projekt WestVAMP zdobył główną nagrodę Australijskiego Instytutu Energetycznego (Australian Institute of Energy) Excellence Energy Award 2007 w kategorii Energia i Środowisko (Mattus R. Presentation for UNECE Ad Hoc).

Koszt oraz opłacalność zastosowania instalacji Vocsidizer zależy przede wszystkim od stężenia metanu w powietrzu wentylacyjnym, ale także od wielkości tego strumienia, sposobu wykorzystania oraz aktualnych cen uprawnień do emisji CO2.

2.2. Katalityczny reaktor przepływowo-rewersyjny CERR

Zasada działania katalitycznego reaktora przepływowo-rewersyjnego jest taka sama jak cieplnego reaktora przepływowo-rewersyjnego, jednakże wprowadzony został tu katalizator powodujący obniżenie temperatury utleniania metanu o kilkaset stopni Celsjusza (do około 340°C). Firma CANMET (Canadian Mineral and Technologies) zademonstrowała ten system w wersji pilotażowej, a obecnie prowadzi badania nad poprawą efektywności działania turbiny. Podczas działania urządzenia, przy niskiej koncentracji metanu w powietrzu, dostarczana jest dodatkowa ilość metanu z innego źródła, w celu polepszenia efektywności działania (Assessment of the Worldwide Market...). Schemat takiego układu przedstawia rysunek 6. W skali półtechnicznej i technicznej planowane są zastosowania tego układu w Wielkiej Brytanii i Chinach (Nawrat 2006).

2.3. Adsorpcyjne koncentratory metanu

Koncentratory lotnej mieszaniny organicznej (VOC) oferują inne możliwości wykorzystania MWENT.

Wostatnich latach zwiększył się udział w rynku urządzeń podnoszących koncentrację metanu w powietrzu. Małe instalacje budowane są w celu obniżenia kosztów utleniania metanu. Strumień powietrza wentylacyjnego zawiera przeważnie około 0,5% metanu (objętościowo). Możliwe jest podwyższenie koncentracji metanu z 0,5% aż do 20% przy użyciu koncentratorów. Zmniejszona w ten sposób objętość gazu oraz podwyższona koncentracja metanu powoduje, że mieszanina mogłaby być dobrym paliwem dla turbin gazowych. Koncentratory mogą także podwyższać koncentracje metanu z bardzo niskich do odpowiadających potrzebom TFRR i CFRR. Istnieje wiele typów koncentratorów pracujących w przemyśle, z tarczami węglowymi i zeolitowymi. Największe znaczenie mają płynne koncentratory warstwowe, ze względu na dużą efektywność działania. Istnieje wielu dostawców tego typu urządzeń, jednym z nich jest Environmental C&C Inc. (Clifton Park, Nowy Jork), którego instalacja przedstawiona jest na rysunku 7 (Assessment of the Worldwide Market...). Instalacja pokazana na rysunku 7 pracuje dla nominalnego strumienia objętościowego gazu wynoszącego około 83 tys. m3/h, co jak dla warunków kopalnianych jest wartością bardzo niską.

2.4. Turbiny gazowe CGT

Projektanci opracowują nowe rodzaje turbin, które mogłyby pracować na paliwo MWENT lub na paliwo pochodzące z koncentratorów lub gazu z odmetanowania. Do urządzeń tych można zaliczyć turbiny gazowe CGT. Jest to gaźnikowa turbina gazowa (Carbureted Gas Turbine) opracowana przez australijską firmę Energy Developments Linited. Urządzenie takie wymaga koncentracji metanu w paliwie minimum 1,6% i w związku z tym w większości przypadków MWENT wymagałoby wzbogacenia. Spalanie odbywa się w zewnętrznej części komory spalania w temperaturze około 1200°C.

Na rysunku 8 pokazana jest testowa instalacja w kopalni Appin w Australii, gdzie zastosowano zmodyfikowany model turbiny słonecznej Solar 3000R, o mocy elektrycznej 2,7 MW (Assessment of the Worldwide Market...).

2.5. Turbiny z katalitycznym spalaniem CCGT

Firma CSIRO wraz z rządową organizacją ds. górnictwa w Australii opracowuje projekt katalitycznej turbiny gazowej (CCGT), która mogłaby wykorzystywać powietrze wentylacyjne MWENT. CCGT jest rozwinięciem CGT w połączeniu ze spalaniem katalitycznym.

Paliwem jest mieszanina powietrza z metanem o niskiej koncentracji, którą zostaje sprężana i spalana w obecności katalizatora ułatwiającego przebieg reakcji. Podobnie jak w CGT, powietrze dolotowe musi posiadać dodatkowy dopływ paliwa. Turbina taka może pracować przy stężeniu metanu 1%, w ten sposób minimalizuje się potrzebę uzupełniania mieszaniny o dodatkowy metan (Assessment of the Worldwide Market...).

2.6. Mikroturbiny gazowe na paliwo o niskiej koncentracji

Ingersoll-Rand Energy Systems, przedsiębiorstwo z USA, rozwija technologię mikroturbin pracujących na mieszance metan-powietrze o koncentracji metanu poniżej 1%.

Mikroturbina (PowerWorks Microturbine) ma moc elektryczną 70 kW i składa się z prądnicy, turbiny gazowej, komory spalania, rekuperatora, turbiny energetycznej i generatora.

Ingersoll-Rand zaprezentował w ostatnim czasie mikroturbinę o mocy 250 kW (Assessment of the Worldwide Market...). Powietrze MWENT sprężone w kompresorze jest następnie ogrzewane w rekuperatorze, po czym przechodzi do komory spalania, gdzie w wyniku spalania powstają gazy i ciepło (rys. 9). Strumień powstałych gazów płynie przez łopatki pierwszej turbiny, która napędza sprężarkę, a potem przez drugą turbinę, która napędza generator prądotwórczy. Gazy wydechowe przechodzą przez rekuperator, a następnie przez wymiennik ciepła (Nawrat 2006).

2.7. Mikroturbiny gazowe na paliwo o niskiej koncentracji ze spalaniem katalitycznym

Dwa przedsiębiorstwa - FlexEnergy i Capstone Turbine Corporation, rozwijają wspólnie projekty mikroturbin o mocy od 30 kW (rys. 10), pracujące na mieszance o koncentracji metanu 1,3%. Takie urządzenie montowane jest na szybie wydechowym wraz ze sprężarką i turbiną. FlexEnergy projektuje obecnie mikroturbiny mogące pracować na paliwo o niskiej koncentracji poniżej 1%, aby dostosować się do rynku MWENT, oraz zwiększa moc urządzeń do 100 kW (Assessment of the Worldwide Market...).

2.8. Turbiny hybrydowe na mieszaninę metan-powietrze-węgiel

Firma CSIRO rozwija nowatorski system, polegający na utlenianiu i produkcji energii elektrycznej z MWENT w połączeniu z odpadowym niskokalorycznym węglem. CSIRO buduje turbinę o mocy 1,2 MW pracującą w oparciu o mieszaninę MWENT i odpadów węglowych. Hybrydowa mieszanina jest spalana w piecu rotacyjnym, gdzie nagrzewa powietrze, które kierowane jest do wymiennika ciepła, a następnie na łopatki turbiny.

3. Możliwości zastosowania technologii dla utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego polskich kopalń

Przedstawiony materiał wykazał, że na świecie zostało opracowanych wiele technologii utylizacji metanu, przy czym w skali przemysłowej uruchomiono tylko jedną instalację w Australii. W polskich kopalniach główną barierą dla efektywnego wykorzystania energetycznego metanu z powietrza wentylacyjnego w szybach wydechowych są niskie stężenia metanu.

3.1. Zawartości metanu w powietrzu w szybach wydechowych

Polskie przepisy górnicze wymagają, żeby zawartość metanu w powietrzu w szybach wentylacyjnych była niższa od 0,75%. Podstawowym środkiem ograniczania i regulowania zawartości metanu w powietrzu w wyrobiskach górniczych jest doprowadzanie odpowiednio dużych strumieni powietrza. W związku z tym zawartości metanu w szybach wentylacyjnych wahają się od 0,0 do 0,5% i mieszaniny takie o bardzo niskiej zawartości metanu są mało przydatne do energetycznego wykorzystania. W Jastrzębskiej Spółce Węglowej S.A., która prowadzi eksploatację metanu w pokładach o wysokiej metanonośności dochodzącej do 20m3/Mg c.s.w., w wyniku stosowania intensywnej wentylacji w szybach wydechowych zawartości metanu w powietrzu wahają się od 0,1-0,4%. Na rysunku 11 i w tabeli 2 przedstawiono zawartości metanu w powietrzu w szybie III, IV i V KWK Pniówek należącej do JSW S.A.

Niskie zawartości metanu - max. 0,6% w powietrzu, uniemożliwiają wykorzystywanie mieszaniny metanowo-powietrznej odprowadzanej przez szyb III w KWK Pniówek do celów energetycznych jako paliwa.

3.2. Technologia wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego dla polskich kopalń

Dla warunków występujących w polskich kopalniach wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego jest możliwe jedynie poprzez dodawanie metanu pozyskanego w kopalni w procesie odmetanowania do powietrza wentylacyjnego kierowanego do instalacji spalającej metan w reaktorach. Idee kontrolowanego dodawania metanu z odmetanowania do powietrza wentylacyjnego doprowadzanego z szybu wentylacyjnego do instalacji spalającej mieszaninę metanowo-powietrzną przedstawia rysunek 12.

Przedstawiona idea została zastosowana w przemysłowej instalacji w kopalni West Cliff w Australii.

Oczywiście możliwe jest dodawanie gazu ziemnego do strumienia mieszaniny metanowo- powietrznej doprowadzanej z szybu wentylacyjnego do reaktora, ale wtedy proces produkcyjny energii cieplnej staje się ekonomicznie mało efektywny.

Stwierdzenia i wnioski

Przedstawiony materiał pozwala na sformułowanie następujących stwierdzeń i wniosków:
1. Metan z powietrza odprowadzanego szybami wydechowymi z kopalni na powierzchnię - do atmosfery powinien być zutylizowany ze względów energetycznych i ekologicznych.

2. Utylizacji wymaga zarówno metan odprowadzany instalacjami odmetanowania, jak i metan odprowadzany na powierzchnię z powietrzem wentylacyjnym (MWENT).

3. Są znane i stosowane na świecie technologie i instalacje umożliwiające wykorzystanie jako paliwa metanu z powietrza wentylacyjnego odprowadzanego szybami wentylacyjnymi na powierzchnię.

4. Opracowano szereg technologii i urządzeń do utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego, z których najbardziej znanymi są:

* cieplny reaktor przepływowo-rewersyjny TFRR (VOCSIDIZER),
* katalityczny reaktor przepływowo-rewersyjny CERR,
* turbiny gazowe CGT,
* turbiny z katalitycznym spalaniem CCGT,
* mikroturbiny gazowe na paliwo o niskiej koncentracji,
* mikroturbiny gazowe na paliwo o niskiej koncentracji ze spalaniem katalitycznym.

5. Szczególnie dużo zastosowań cieplnego reaktora przepływowo-rewersyjnego VOCSIDIZER firmy MEGTEC (ponad 600) świadczy o efektywności instalacji i spadku nakładów inwestycyjnych. Potwierdzeniem dalszego rozwoju technologii jest uruchomienie w 2007 r. przy kopalni BHP Billiton Illawarra elektrowni o mocy 5MWe, która powstała w ramach projektu West Cliff Ventilation Air Methane Project (WestVAMP).
6. Ciągłe prace nad udoskonaleniem turbin gazowych pozwalają przypuszczać, że także one będą mogły pracować wykorzystując bezpośrednio MWENT.

7. Przedstawiony przykład wskazuje, że również w polskich kopalniach istnieje możliwość wykorzystania MWENT do celów energetyczno-ciepłowniczych, przy czym koncentracja metanu w powietrzu doprowadzanym do instalacji powinna być większa od 1% w wyniku zmieszania z gazem z odmetanowania kopalni, co pozwoli poprawić efektywność układu.

Literatura

Assessment of the Worldwide Market Potential for Oxidizing Coal Mine Ventilation Air Methane.

United States Environmental Protection Agency 2003.

CAROTHERS P., MATTUS R., SCHULZ L., 2005 - Mitigation of Methane Emissions from Coal Mine Ventilation Air. Western States Coal Mine Methane Recovery and Use Workshop Grand Junction, Colorado April 19-20.

HALL D. - West Cliff powers up. Australian Mining - Australia’s premier mining news website (http://www.miningaustralia.com.au/artic ... 134949.htm).

Innovations in Energy. Ingersoll Rand Technologies and Services that Optimize Energy Efficiency.

Ingersoll Rand Corporate Communications, october 2006.

Materiały reklamowe firmy MEGTEC Systems, czerwiec 2004.

MATTUS R., 2007 - VAM Power Plant. In full operation - the world’s first.

MATTUS R., 2007 - Presentation for UNECE Ad Hoc Group of Experts on Coal Mine Gas.

MOORE R., 2007 - Award for Illawarra Coal’s world-first power plant. Illawarra Coal - Carbon Steel Materials.

NAWRAT S., 2006 - Możliwości wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń węgla. Miesięcznik WUG nr 5.

Raporty roczne (1986-2005) o stanie podstawowych zagrożeń naturalnych i technicznych w górnictwie węgla kamiennego. GIG, Katowice 1986-2005.

Technical and Economic Assessment: Mitigation of Methane Emissions from Coal Mine Ventilation Air. United States Environmental Protection Agency 2000.


Artykuł pochodzi z czasopisma "Polityka Energetyczna" [tom 11 (2008), zeszyt 2, s. 69-84], wydawanego przez Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk.

Źródło: wnp.pl