Archives of Mining Sciences 50, Issue 2 (2005) 227–234

Archives of Mining Sciences 50, Issue 2 (2005) 227–234
227
JURIJ WASIUCZKOW*, ANDRZEJ GONET**, JAKUB SIEMEK**
GÓRNICTWO WĘGLA KAMIENNEGO W ROSJI
HARD COAL MINING INDUSTRY IN RUSSIA
Zasoby węgla na świecie są nadal znaczne i w przyszłej polityce energetycznej będą odgrywały
ważną rolę, pomimo swych niektórych niekorzystnych cech. Rosja należy do największych potentatów
na świecie w zakresie wydobywania i zużywania pierwotnych nośników energii.
W podziemnej eksploatacji złóż węgla stosuje się klasyczną i pracochłonną metodę robót górniczych.
W Rosji przy wykorzystaniu zmechanizowanych zespołów na wydobycie 1 Mg węgla przypada 1,2 Mg
„metalu” w postaci różnych konstrukcji i maszyn. Nie najlepiej dba się też o bezpieczeństwo pracy górników pod ziemią oraz o środowisko naturalne. Globalny udział górnictwa węgla kamiennego w ociepleniu
planety ocenia się na poziomie 8-12 % jako skutek emisji metanu do atmosfery. Lokalizacja na powierzchni
skały płonej w ilości 20-26 % w stosunku do masy wydobytego węgla, sieć wyrobisk górniczych i warunki
hydrogeologiczne rejonu wydobywania węgla znacząco zmieniają naturalny krajobraz.
Przy spalaniu 1 Mg węgla wprowadza się do atmosfery do 250 kg cząstek mineralnych i około 20-25 kg
zasiarczonego gazu (przy zawartości siarczków węgla do 2%). W istniejących warunkach konieczne są
nowe technologie, technicznie efektywniejsze i zapewniające minimalne zanieczyszczenie środowiska
naturalnego.
Przyszłościowym kierunkiem rozwiązania wielu problemów kopalń są techniki i technologie otworowe. Aktualnie, metody te są stosowane do wiercenia otworów o różnym przeznaczeniu technologicznym,
a także do odmetanowania pokładów węglowych. W Rosji opracowano dwa scenariusze eksploatacji
gazowych złóż węgla metodą otworowa; a mianowicie z otrzymywaniem stałego produktu mineralnego
na powierzchni i z otrzymywaniem paliwa gazowego.
Aktualnie rozważa się możliwość korzystnego, z technologicznego i ekonomicznego punktu widzenia, wariantu budowy węglowo-gazowego generatora energii elektrycznej, który składa się z czterech
podstawowych bloków (rys. 1) to jest:
– bloku podziemnej gazyfikacji węgla,
– bloku drenażu metanu,
– bloku przygotowania do gazyfikacji i drenażu metanu,
– bloku prac wiertniczych.
*
MOSCOW STATE MINING UNIVERSITY, RUSSIA
** WYDZIAŁ WIERTNICTWA, NAFTY I GAZU, AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA, AL. MICKIEWICZA 30, 30-059 KRAKÓW, POLAND
228
Szacunkowe porównanie techniczno-ekonomicznych wskaźników projektowych eksploatacji otworowej do produkcji energii elektrycznej z tradycyjnym sposobem wskazuje, że jego zastosowanie w praktyce
mogłoby 3 do 4 razy podwyższyć efektywność wykorzystania energii użytecznej paliwa węglowego
i obniżyć koszt produkcji energii elektrycznej 1,5 do 2,2 razy.
Słowa kluczowe: górnictwo, węgiel kamienny, węglowo-gazowy generator
Hard coal reserves are still considerable in size, therefore despite some of its unfavourable properties, coal will certainly play an important role in the future power policy. Russia belongs to the greatest
producers and consumers of primary energy sources.
Underground exploitation of coal beds is based on labour-consuming mining works. It has been
assessed that in Russia, the extraction of 1 Mg of coal is accompanied by 1.2 Mg metal consumption (all
kinds of systems and devices). Other aspects that still need major improvement is the work safety of the
miners and environmental protection. Generally, coal has a negative share (ca. 8 to 12%) in the warming
up effect. The gangue on surface (constituting about 20 to 25% of the extracted coal mass), old workings,
and hydrogeological conditions in the mining areas considerably change the natural landscape.
The combustion of 1 Mg of coal is accompanied by an emission of 250 kg mineral particles to the
atmosphere and ca. 20 to 25 kg of gas with sulphur content (up to 2% of carbon sulfides). The existing
conditions necessitate new, more efficient technologies that would minimize the environmental impact.
Borehole techniques and technologies create a good perspective for solving problems encountered by
mines. These methods are presently applied for drilling boreholes of different technological destination,
and for methane removal. Two scenarios of coalbed methane extraction with the borehole method were
elaborated in Russia. In the first of them solid mineral is produced, whereas in the other one – gas fuel.
At a preliminary stage of working out economically and technologically feasible solutions, a construction of a coal-gas electric energy generator is considered; It consists of four basic blocks (Fig. 1), i.e.
– underground coal gasification block;
– methane drainage block;
– pre-gasification and pre-drainage block;
– drilling works block.
The comparison of technical-economic design indices of borehole extraction for electric energy
generation and the traditional methods shows that the application of the former is expected to increase
the utilization level of useful energy encapsulated in coal fuel ca. 3 to 4 times, and also lower the cost of
electric energy by 1.5 to 2.2 times.
Keywords: mining industry, hard coal, coal-gas generator
1. Wprowadzenie
Udział paliwa stałego w światowym wykorzystaniu energii pierwotnej wynosi nie
mniej niż 30%, a obecnie wydobywa się ok. 4,5 miliarda Mg węgla w tym 65% z wykorzystaniem technologii podziemnej eksploatacji. Należy zaznaczyć, że 85% wydobywanego węgla kamiennego i praktycznie 100% wydobywanego węgla brunatnego
wykorzystuje się w celach energetycznych. Zasoby węgla posiada ponad 50 krajów
świata i znacznie przewyższają one udokumentowane zasoby ropy naftowej i gazu.
229
2. Surowce energetyczne w Rosji
Rosja jest jednym z bogatszych krajów pod względem zasobów węgla. Według różnych prognoz zapotrzebowania na węgiel, można sądzić, że posiadane zasoby węgla
wystarczą na około 300 lat. Największymi w świecie potentatami w zakresie wydobywania i zużywania pierwotnych źródeł zasobów energetycznych są kraje zrzeszone
w wspólnocie gospodarczej – Rosja, Ukraina i Kazachstan, na które przypada około
19% całego światowego zużycia będących w dyspozycji zasobów energetycznych,
w odniesieniu do węgla ten wskaźnik wynosi 16%.
Zgodnie z prognozami, światowe wydobycie i użytkowanie węgla kamiennego w 2010 r.
wyniesie odpowiednio 3000 do 3400 Mt i 2600 do 2950 Mt. W okresie najbliższego
20-lecia nastąpi zwiększenie wydobycia pierwotnych nośników energii o ok. 800 Mtoe,
w tym węgla kamiennego o 200 Mtoe. Obecnie, całkowite zużycie nośników energii
w świecie oscyluje wokół liczby 10500 Mtoe.
Podstawy elektroenergetyki w perspektywie najbliższego dwudziestolecia będą
stanowiły elektrownie wykorzystujące paliwo organiczne (70-75%). W ponad połowie
elektrowni paliwowych stosuje się ropę naftową i gaz ziemny, a nakłady na poszukiwanie i zagospodarowanie nowych złóż z roku na rok rosną i w przyszłości tempo tego
wzrostu będzie się zwiększało. Warunki eksploatacji w przedsiębiorstwach poszukiwania ropy naftowej i gazu w krajach wspólnoty gospodarczej powstałych po rozpadzie
ZSRR, a także ich baza zasobowa nie pozwalają w najbliższym czasie na zwiększenie
produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem mazutu i gazu ziemnego. Dlatego
w długoterminowej prognozie, zwiększenie produkcji energii elektrycznej niezbędne
dla zapewnienia pokrycia wzrastającego zapotrzebowania, będzie możliwe w oparciu
o paliwo stałe i energetykę jądrową.
Rozwój energetyki jądrowej wymaga jednoznacznego rozwiązania problemów
bezpieczeństwa w zakresie przechowywania odpadów paliwa jądrowego. Prowadzi to
do znacznych, a w niektórych przypadkach do bardzo wysokich nakładów na ochronę
środowiska przy wykorzystaniu energetyki jądrowej do produkcji energii elektrycznej.
Dlatego opracowanie technologii produkcji energii cieplnej i elektrycznej w oparciu o nietradycyjne (otworowe) metody pozyskiwania nośników energii jest ciągle aktualne.
3. Technologie eksploatacji węgla
Tradycyjna technologia podziemnej eksploatacji złóż węgla obarczona jest poważnymi niedomogami – niskim stopniem pożytecznego wykorzystania węgla (wykorzystuje
się nie więcej niż 8-15% ciepła wytwarzanego przy spalaniu węgla, pozostałą część
stanowią straty), ponadto wydobywane są duże ilości skały płonej ( w Rosji ta wielkość
wynosi średnio ok. 20,5%), wielkie nakłady materialne na wydobycie, transport i przeróbkę węgla, a także liczne zagrożenia (Bradecki i Dubiński, 2004).
230
Z ekologicznego punktu widzenia stosowanie stałych, organicznych, paliw do produkcji energii elektrycznej ma negatywny wpływ na środowisko naturalne. Przy spalaniu
1Mg węgla wprowadza się do atmosfery do 250 kg cząstek mineralnych i około 20-25
kg zasiarczonego gazu (przy zawartości siarczków węgla do 2%). Te emisje rozsiewane
są na dużych obszarach i powoli neutralizowane w naturalnym środowisku. W istniejących warunkach konieczne są nowe technologie, technicznie sprawniejsze, zapewniające
minimalne zanieczyszczenie naturalnego środowiska.
Do takich technologii należy podziemna gazyfikacja złóż węgla – jest to proces spalania węgla w miejscu jego zalegania. Polega ona na otrzymaniu palnych gazów w wyniku zatłaczania do pokładu powietrza i w kolejności wykorzystywania go jako paliwa
gazowego do produkcji energii elektrycznej (Kreinin, 1982). Podziemna gazyfikacja
węgla jako metoda fizyczno-chemicznego, fazowego przetwarzania węgla w gaz palny
bezpośrednio w miejscu zalegania (in situ) została wykorzystana w b. ZSRR w 1933 r.
Zagadnienia wykorzystania technologii podziemnego zgazowania węgla w praktyce są
priorytetowo traktowane w nauce rosyjskiej.
Podziemne zgazowanie węgla – jest technologią wykorzystującą podziemne spalanie
węgla w miejscu jego zalegania, także tego pozostawionego w złożu po tradycyjnym
sposobie jego eksploatacji. Proces spalania jest podtrzymywany poprzez tlen tłoczony
do pokładu węgla (Wasiuczkow, 1989). Doprowadzany na powierzchnię gaz używany
jest do zagospodarowania lokalnego (spalanie w kotłowniach – gorąca woda, produkcja
energii elektrycznej oraz jako surowiec chemiczny).
Istota podziemnej eksploatacji złóż węgla opiera się o pracochłonną metodę robót
górniczych przy relatywnie wysokich nakładach. W różnych krajach wydobywających
węgiel ta pracochłonność waha się od 0,01 do 0,1 a nawet do 0,5 człowieko-zmianę/Mg
wydobywanego węgla. Podstawowa część nakładów przypada na wydobycie węgla
z wyrobisk ścianowych.
Cechą szczególną tradycyjnych metod eksploatacji podziemnej węgla jest duża
materiałochłonność robót górniczych.
Przy wykorzystaniu współczesnych zmechanizowanych zespołów na wydobycie 1 Mg
węgla/dobę, w Rosji „pracuje” 1,2 Mg metalu w postaci skomplikowanych konstrukcji
i maszyn. Stopień wydobycia węgla ze złoża waha się w szerokich przedziałach i wynosi
od 50 do 70%. Pracochłonność pracy górnika jest także wysoka; według danych Komisji
Ekonomicznej ONZ jeszcze w 1995 roku koszt wydobycia węgla w krajach przemysłowo
rozwiniętych (Australia, USA, Niemcy) wahał się w przedziale 42-59 tys. USD na człowieka w ciągu roku. Cena jednostki masy węgla na rynku światowym jest niższa od ceny
ropy naftowej 2,5 do 5 razy. Przy tym należy dodać, że węgiel nie przegrywa zdecydowanie
z ropą naftową pod względem wartości ciepła spalania lub wartości opałowej. Wartość
opałowa ropy naftowej jest tylko o 37% wyższa od wartości opałowej węgla kamiennego (46 do 33,5 GJ/Mg). Ponadto rozwojowi przedsiębiorstw górniczych i inwestowaniu
w przemysł wydobywczy na współczesnym etapie nie sprzyjają ceny na paliwa. Szacuje
się, że 1 GJ energii z ropy naftowej na rynku światowym kosztuje 2÷3 razy więcej niż
231
z węgla. Jednakże tutaj doceniania jest wygoda w transporcie, możliwość wykorzystywania produktów chemicznej przeróbki ropy naftowej oraz aspekt ekologiczny. Trzeba
wziąć pod uwagę znaczne ryzyko pracy górnika pod ziemią. Do chwili obecnej w Rosji
są kopalnie, w których czas wychodzenia górnika na powierzchnię w procesie awarii
znacznie przewyższa gwarantowany bezpieczny czas działania osobistego wyposażenia.
Dodatkowo przedsiębiorstwa górnicze mają negatywny wpływ na ekologię. Wiadomo, że
emitowany w powietrze metan jest drugim, po dwutlenku węgla gazem który powoduje
i zwiększa efekt cieplarniany. Globalna emisja metanu do atmosfery wynosi obecnie ok.
600 Mt/rok. Udział górnictwa węglowego w emisji szacuje się jako 8-12%, przy ogólnym
udziale wszystkich źródeł metanu na poziomie 20-26%. Składowanie na powierzchni
skały płonej (20-26% liczonej w stosunku do masy wydobytego węgla) i sieć wyrobisk
górniczych znacząco zmieniają naturalny krajobraz i warunki hydrogeologiczne rejonu
wydobywania węgla. Te negatywne cechy górnictwa węglowego zmuszają do szukania
nowych technologicznych rozwiązań do eksploatacji pokładów węglowych.
4. Metody otworowe w górnictwie węglowym
Przyszłościowym sposobem rozwiązania wielu problemów przedsiębiorstw i firm górniczych są metody otworowe. Obecnie metody te stosowane są do następujących celów:
– degazacji pokładów węglowych i całych złóż,
– wiercenia otworów technologicznych – w celu transportu do kopalni materiałów
i energii, a także w celu wykonania podsadzki, prowadzenia wentylacji wyrobisk
górniczych i odwodnienia złoża. Realizuje się także prace doświadczalne w zakresie
wydobywania metanu węglowego i otrzymania z niego energii elektrycznej, paliwa
do napędu samochodów, czy zaopatrywania w paliwo kotłów. Te prace stanowią
nieciągły proces i są wykonywane na małą skalę.
W przedsiębiorstwie „Minerał” i Moskiewskim Górniczo-Geologicznym Uniwersytecie opracowano nową koncepcję niekonwencjonalnej technologii eksploatacji gazonośnych pokładów węglowych (Wasiuczkow, 1997). Zgodnie z tą koncepcją gazowe złoża
węglowe mogą być eksploatowane metodą otworową. Opracowano dwa scenariusze
wykorzystania metody otworowej – z otrzymywaniem stałego produktu mineralnego
na powierzchni i z otrzymywaniem paliwa gazowego. Scenariusz z otrzymywaniem na
powierzchni paliwa gazowego z podziemnego spalania węgla i wydobywanie metanu
z pokładów węgla może być obecnie bardziej korzystny, zarówno z technologicznego
jak i ekonomicznego punktu widzenia.
Schemat technologiczny otworowego węglowo-gazowego generatora energii elektrycznej pokazany na rys. 1 składa się z czterech podstawowych bloków – bloku podziemnej gazyfikacji węgla, bloku drenażu metanu, bloku przygotowywania do gazyfikacji
i drenażu metanu, oraz bloku prac wiertniczych.
232
5
4
2
6
2
11
3
1
20
21
21
7
9
9
8
21
10
23
10
12
17
22
18
19
15
16
14
13
metan
gaz
generatorowy
para
woda
dym
powietrze/tlen
Rys. 1. Schemat otworowego węglowo-gazowego sposobu produkcji energii elektrycznej
Fig.1. Scheme of the coal-gas borehole electric energy production
1 – turbina gazowa, 2 – generator, 3 – turbina parowa, 4 – transformator, 5 – linia przekazywania
energii elektrycznej, 6 – powietrzno-tlenowy generator, 7 – wymiennik ciepła – generator pary,
8 – bojler – generator pary, 9 – woda, 10 – oczyszczalnia gazu (filtry, separatory), 11 – komin,
12 – urządzenie wiertnicze, 13 – przodek ogniowy, 14 – kanał początkowego przebicia, 15 – wiercenie
otworu kierunkowego, 16 – otwory kierunkowe przygotowanego panelu, 17 – otwór drenażowy
za metanem, 18 – powietrzno-tlenowy otwór nadmuchowy, 19 – otwór gazowy produktywny,
20 – gaz wysokotemperaturowy z turbiny gazowej, 21 – para, 22 – gaz generatorowy, 23 – metan
233
Metan z pokładów węgla jest wydobywany poprzez otwory drenażowe (17),
oczyszczany z cząstek stałych i ciekłych w filtrach lub separatorach (10), po czym jest
doprowadzany i spalany na łopatkach turbiny gazowej (1) sprzęgniętej z generatorem
energii elektrycznej (2). Gorące gazy i spaliny po opuszczeniu turbiny, kierowane są
do wymiennika ciepła lub kotła parowego (7) i po oddaniu ciepła do komina (11).
Wytworzona para linią (21) jest doprowadzona na łopatki turbiny parowej (3), również
połączonej z generatorem energii elektrycznej (2). W generatorze (6) powstaje mieszanina powietrza i tlenu, tłoczona do otworów doprowadzających do pokładów węgla.
Uzyskuje się w ten sposób gaz generatorowy, który można wykorzystać do spalania
w bojlerach parowych (8), lub też do mieszania z metanem z pokładów węgla. Na rys. 1
zaznaczono również otwory wiertnicze eksploatacji metanu z pokładów węgla (19),
oraz schematycznie dalsze, przygotowywane prace wiertnicze. Zarysowana idea
kompleksowego wykorzystania metanu i gazu generatorowego z pokładów węgla
była i jest nadal przedmiotem zainteresowania tak jednostek badawczych w różnych
krajach (m.in. USA, Niemcy, Belgia) jak i organizacji międzynarodowych, w tym
Międzynarodowej Unii Gazowniczej (International Gas Union – IGU). Układ generowania energii elektrycznej jest odmianą technologii cykli kombinowanych CCGT
(Combined Cycle Gas Turbine) opartych o układ turbin gazowych i turbin parowych,
osiągający całkowitą sprawność rzędu 90%.
Szacunkowe porównanie techniczno-ekonomicznych wskaźników projektowych
eksploatacji otworowej do produkcji energii elektrycznej z tradycyjnym cyklem tej
produkcji pokazuje, że zastosowanie go w praktyce mogłoby podwyższyć 3 do 4-krotnie
efektywność wykorzystania energii chemicznej paliwa węglowego, zwiększyć o ok.
2,4-krotnie produkcję paliwa do wytwarzania energii elektrycznej i obniżyć koszt produkcji energii elektrycznej o ok. 1,5-2,2 razy.
5. Podsumowanie
1. Istnieją duże możliwości poprawy efektywności górnictwa węglowego w Rosji
głównie pod względem zwiększenia wydajności pracy i obniżenia kosztów jednostkowych.
2. Pomimo posiadania bardzo dużych zasobów ropy naftowej i gazu ziemnego prognozy funkcjonowania i rozwoju przemysłu węglowego w Rosji są korzystne.
Będzie to nadal model oparty o energetykę „węglowodorowo-węglową”. Równie
pozytywne prognozy odnoszą się do eksportu względnie taniego węgla za granicę,
co ma znaczenie dla gospodarki krajów Unii Europejskiej. I tu zarysowuje się
konkurencja z węglem polskim.
3. Technologie odmetanowania kopalń węgla i wykorzystania metanu z pokładów węgla jako nośnika energii maja już tradycje w Rosji i prowadzone są dalsze badania
i pace w tym zakresie. Zwracamy uwagę na technologie otworowej eksploatacji
234
gazonośnych pokładów węgla, które są stosowane w świecie na coraz większą
skalę. Metan z pokładów węgla jest klasyfikowany jako tzw. gaz ziemny niekonwencjonalny.
Praca wykonana w ramach badań statutowych WWNiG AGH nr 11.11.190.01.
LITERATURA
K r e i n i n , E.W. i in., 1982. Podziemnoja gazifikacija ugolnych płastow. Niedra, Moskwa (in russian).
W a s i u c z k o w , J.F. i in., 1989. Technołogia ispolzowanija energii podziemnogo zżiganija ugolnych płastow. Ugol
Ukrainy, Nr 12, Kijów (in russian).
W a s i u c z k o w , J.F., W o r o b i e w , B.M., 1997. Nowaja koncepcija ekspłuatacii uglegazowych miestorożdenii – baza
resirsosbieriegajuszczich czistych elektroenergieticzeskich kompleksow. Ugol, Nr 12, Moskwa (in russian).
B r a d e c k i , W., D u b i ń s k i J., 2005. Effect of The restructuring of The Polish Coal-Mining Industry on The Level
of Natural Hazards. Archives of Mining Sciences, Vol. 50, Issue 1, p. 49-67.
REVIEW BY: PROF. DR HAB. INŻ. JANUSZ ROSZKOWSKI, KRAKÓW
Received: 21 March 2005