Stan rozwoju technologii podziemnego zgazowania węgla w świecie oraz prace badawcze dotyczące PZW prowadzonebadawcze dotyczące PZW prowadzone w GIG dr...
13 downloads
15 Views
7MB Size
Stan rozwoju technologii podziemnego zgazowania węgla w świecie oraz prace badawcze dotyczące PZW prowadzone w GIG dr Krzysztof Kapusta prof. dr hab. inż. Krzysztof Stańczyk dr hab. inż. Krzysztof Cybulski, prof. GIG Mikołów, 15 listopad 2016r. 1
Podziemne zgazowanie węgla Podziemne zgazowanie węgla (PZW) jest to sposób eksploatacji złóż węgla polegający na zamianie węgla bezpośrednio w miejscu jego zalegania (in-situ) na gaz o składzie kwalifikującym go do przemysłowego stosowania (H2, CO, CH4) PZW nie jest technologią nową, lecz ewoluującą na przestrzeni dziesiątek lat W ostatnich latach technologa PZW przechodzi znaczącą transformację z powodu nowych rozwiązań technologicznych, prowadzonych badań oraz wymianie doświadczeń
2
Idea procesu PZW
Tłoczenie powietrza/tlenu
Otwór tłoczący Ciśnienie hydrostatyczne ograniczające zgazowanie do pokładu węgla Reaktor PZW
Odbiór gazu Produkcja energii elektrycznej lub paliw płynnych Poziom wodonośny Otwór produkcyjny Skały nadkładu
Pokład węgla Skały spągu
3
Zastosowanie technologii PZW
W stosunku do aktualnie stosowanych górniczych metod eksploatacji bilansowych złóż węgla, technologię PZW rozważa się jako: metodę uzupełniającą (zgazowanie pokładów resztkowych, zgazowanie niewybranych parceli, itp.) metodę alternatywną celem całkowitego wyeliminowania prac górniczych na dole
4
Możliwe kierunki zagospodarowania gazu z procesu PZW Wodór •Rafinerie •Turbiny gazowe •Ogniwa paliwowe
Energetyka •Cykle zintegrowane (CC)
Gaz z procesu PZW
•Diesel
•CHP •Energetyka rozproszona •Ciepłownie
Surowce energetyczne •Wodór
Synteza chemiczna
•SNG
•Metanol •DME •Amoniak i mocznik
5
Zalety technologii PZW
Eliminacja robót górniczych i ograniczenie tzw. „czynnika ludzkiego” Redukcja nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych Możliwość eksploatacji pokładów, których wydobycie metodami górniczymi jest nieopłacalne lub zaniechane ze względów bezpieczeństwa, Ograniczenie emisji zanieczyszczeń do powietrza, Redukcja ilości powstających odpadów stałych (popioły, pyły, żużle)
6
Słabe strony technologii PZW
Ryzyko negatywnego oddziaływania procesu na środowisko wodno –gruntowe, Problem utrzymania ciągłości produkcji i jakości gazu, Problemy legislacyjne i koncesyjne
7
Światowy potencjał technologii PZW Światowe rezerwy bilansowe
860 Gt węgla
Światowe zasoby całkowite 18 000 Gt węgla
Światowe rezerwy bilansowe węgla wynoszą obecnie ok. 860 mld ton Szacuje się, że ze względu na miejsce i głębokość występowania, prawie 95% wszystkich znanych zasobów znajduje się obecnie poza zasięgiem górnictwa konwencjonalnego Światowy potencjał technologii PZW szacuje się obecnie na około 600 mld ton węgla 8
Kraje i firmy rozwijające technologię PZW: Australia
1.
Linc Energy – właściciel instalacji w Chinchilla, Australia, uruchomionej w 1999 r. Właściciel instalacji w Angren, Uzbekistan o wydajności 1 milion m3 gazu na dobę, z którego wytwarzany jest prąd elektryczny
2.
Carbon Energy instalacja uruchomiona przez firmę w Bloodwood Creek pozwoliła na produkcję gazu syntezowego od 2008 roku, wykorzystując przy tym metodę (CRIP). W trwającej 100 dni próbie osiągnięto poziom zgazowania węgla około 150 ton/dziennie. Następnie uruchomiono kolejne dwa moduły instalacji oraz wybudowano blok energetyczny o mocy 5 MW.
3.
Cougar Energy 9
Instalacja pilotowa Bloodwood Creek: Carbon Energy, Australia
10
Instalacja pilotowa Bloodwood Creek: Carbon Energy, Australia Bloodwood Ck UCG Pilot site
Trial Summary Panel 2
Panel 1 the • This PowerPoint contains gridlines that indicate Mar 2011 – Oct 2012 Oct 2008 – Aug 2010 position of the bezels on the 9-segment screen in the 18th floor auditorium. 550mgridlines cutting • You should aim to avoid horizontal through your text. This can be adjusted by moving the text box, adjusting line spacing, changing the size of the text, or all three. • Once your PowerPoint is complete, go into the slide master 30m and remove the gridlines from the first 30m from all slides in your slide. This will remove them presentation. Panels gasified Cavities ~ 8000m3
10,000–13,000t coal
11
Kraje i firmy rozwijające technologię PZW: RPA
1. ESCOM: projekt Majuba, instalacja pilotowa o mocy ok. 3 MW, 2007 -2010. Drugi etap 20102014 2. Africary: Theunissen projekt, moc 50 MWth, Free State, start instalacji w 2016/2017 3. University of Witwatersrand, Johannesburg 4. North-West University
12
Kraje i firmy rozwijające technologię PZW: Chiny Międzynarodowa organizacja UCG Association szacuje, że na terenie Chin zlokalizowanych jest aktualnie około 30 projektów PZW, znajdujących się w różnych fazach przygotowań. Nowy projekt PZW zatwierdzony przez rząd chiński w Zagłębiu Haoqin, w Środowej Mongolii, Realizacja przez Zhengzhou Coal Industry Group wspólnie z firmą Carbon Energy, która na bazie swojej technologii ma zbudować instalację demonstracyjną. Ośrodki badawcze PZW w Chinach: • 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)
13
Światowe próby PZW
14
Warunki prowadzenia prób PZW w świecie
15
Projekty GIG w obszarze rozwoju technologii PZW
HUGE 2007 - 2010 „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej ”
2010 - 2015
HUGE2 2011 - 2014
COGAR 2013 - 2016 Źródła finansowania: Fundusz Badawczy Węgla i Stali
TOPS 2013 - 2016
Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR) 7 Program Ramowy
Coal2Gas 2014 - 2017
16
Podziemny Poligon Doświadczalny procesu PZW: KD Barbara Pokład 310 - Kopalnia Doświadczalna „Barbara” Mikołowie Szyb wentylacyjny
Transport gazu Zagospodarowanie produktów PZW
Pola perspektywiczne dla przyszłych prób PZW (~3000 m2)
HUGE HUGE2
Obszar zrealizowanych prób PZW
Laboratorium powierzchniowe
17
Podziemny Poligon Doświadczalny procesu PZW: KD Barbara
Rurociąg produktów
Zasilanie reaktora PZW Wnętrze reaktora PZW
Pochodnia
18
Poligon Doświadczalny PZW: zapalenie złoża
19
Warunki prowadzenia procesu i ogólne wyniki Gasses concentration (% vol)
II Stage
I Stage
70
Hydrogen Carbon monoxide Methane Ethane Oxygen Nitrogen Hydrogen sulfide Carbon dioxide
40
10
1
0,01
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Time (h) 3
Total volume of produced gas - 11 043 Nm . 3 Average gas production rate - 77.8 Nm /h.
120 110
II Stage
3
Total gas production rate (m /h)
I Stage 100 90
Parametr Czynnik zgazowujący
tlen
Dopływ tlenu, Nm3/h
10 - 20
Czas trwania, godz.
142
Produkcja gazu, Nm3/h
78
Skład gazu, %: CO2 H2 CH4 CO N2 Wartość opałowa gazu, MJ/Nm3
80 70
Wartość
15.2 36.3 2.45 31.7 12.3 8.9
60 50 40 30 0
20
40
60
80
100
120
140
Zużycie węgla, kg
5 300
Sprawność termiczna, %
70.14
160
Time (h)
20
Badania kawerny poreakcyjnej w KWK Barbara
Karbonizat
Popiół
Strop pokładu
21
Reaktor bezciśnieniowy do badań procesu PZW: CCTW Mikołów Parametry techniczne: typ węgla: brunatny, kamienny długość złoża: do 7 m ciśnienie zgazowania: do 0.5 bar 0 temperatura: do 1600 C 0 nachylenie złoża: 0, 15, 30 , 45
a)
b)
c)
22
Przygotowanie sztuczne złoża węgla
23
Reaktor ciśnieniowy do badań procesu PZW: CCTW Mikołów Parametry techniczne: typ węgla: brunatny, kamienny długość złoża: do 3.5 m ciśnienie zgazowania: do 50 bar temperatura: do 1600 0C nachylenie złoża: 0, 15, 30 , 45 0
24
Prace badawcze nad technologią PZW finansowane przez NCBR 1.Realizacja Projektu na podstawie zawartej z NCBiR 4 maja 2010 r. umowy nr SP/E/3/7708/10 na wykonanie Zadania Badawczego pt.: „Opracowanie
technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej” - realizowanego w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych NCBiR pt.: „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii” 2.Realizatorem Projektu było Konsorcjum „Zgazowanie Węgla”, w skład którego weszli:
Naukowo-Przemysłowe
Partnerzy Naukowi: Akademia Górniczo–Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie (Lider Projektu), Główny Instytut Górnictwa w Katowicach, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, Politechnika Śląska w Gliwicach. Partnerzy Przemysłowi: Katowicki Holding Węglowy w Katowicach, KGHM Polska Miedź S.A. w Lubinie, TAURON Polska Energia S.A. w Katowicach, Południowy Koncern Energetyczny S.A. w Katowicach, Południowy Koncern Węglowy S.A. w Jaworznie, ZAK Spółka Akcyjna w Kędzierzynie Koźlu
25
Prace badawcze nad technologią PZW finansowane przez NCBR
Podstawy koncepcji instalacji pilotowej PZW w KWK Wieczorek
26
Kryteria lokalizacji instalacji pilotowej
- miąższość pokładu powyżej 1,5 m (podstawowe kryterium), - warunki górniczo-geologiczne (zaszłości eksploatacyjne, uskoki, odległość od czynnych wyrobisk), - wentylacyjne; usytuowanie w sieci wentylacyjnej kopalni, - techniczno-organizacyjne.
27
Lokalizacja instalacji pilotowej PZW
KWK „Wieczorek” Szyb Wschodni
28
Charakterystyka pokładu 501
Miąższość:
średnio 5 m
Upad pokładu:
5% w kierunku S-W
Głębokość zalegania:
400 m ppt.
Stan eksploatacji pokładów przyległych: pokład 510 (5,0 m)
– 20 m poniżej
wyeksploatowany pokład 416 (0,7 m)
– 30 m powyżej
nieeksploatowany 29
Charakterystyka węgla pokładu 501
Wilgoć całkowita
W tr
7,00%
Popiół
Ar
10,07%
Siarka całkowita
Str
0,92%
Wartość opałowa
Qir
25 272 kJ/kg
Zawartość węgla
Cta
66,00%
Zawartość części lotnych Va
28,68%
Zdolność spiekania
0,0
RI
30
Koncepcja instalacji Schemat ideowy instalacji pilotowej PZW
13
12
Odbiór i oczyszczanie gazu
4 11
14
3
6
7
8
9
10
Zasilanie
2
1
Część podziemna Legenda 1. Separator smoły 2. Zbiornik smoły 3. Zbiornik ścieków 4. Chłodnica 5. Georeaktor 6. Układ posadzki 7. Zbiornik wody
5
8. Zbiornik i parownica azotu 9. Zbiornik i parownica tlenu 10. Sprężarka powietrza 11. Separator wody 12. Wentylator (sprężarka wodokrężna, sprężarka Roots'a) 13. Komora spalania z palnikiem 14. Pompa wody obiegowej
31
Koncepcja instalacji
32
Geometria reaktora podziemnego
w ska le
p ło n ne
j w w ęg l u
o tw o ry
chodnik badawczy dla udostępnienia georeaktora
ba da w c z
po kła d u
e
2,5 m 5,5 m
pokład 501
chodnik badawczy
czy ba d aw dn ik c ho
przekop wenty lacyjny poz.400 m
w skale pł
onn ej ok.
połączone otwory badawcze o średnicy 200 mm wykonane w kształcie litery “V” ..20m
węgiel pokładu 501
30 m
33
Konfiguracja reaktora podziemnego
34
Chodnik badawczy
35
Wykonanie otworów technologicznych
36
Część naziemna instalacji (oczyszczanie gazu)
37
Warunki eksperymentu i główne wyniki próby Parametr Czynniki zgazowujące Strumień podaży czynników, Nm3/h
Wartość Powietrze, tlen, CO2 600-650
Czas trwania próby, dni
56
Średni strumień produkcji gazu, Nm3/h
800
Średni skład gazu, %: CO2 H2 CH4 CO N2
7,5 14 1,5 16 61
Średnia wartość opałowa gazu, MJ/Nm3
3.50
Ilość zgazowanego węgla, tony
250
38
Skład gazu procesowego w czasie
39
Instalacja pilotowa PZW KWK Wieczorek
40
Dziękujemy za uwagę
41