12 - Olkuski

UPŁYNNIANIE I ZGAZOWANIE WĘGLA SPOSOBEM NA JEGO
WYKORZYSTANIE W SILNIKACH SPALINOWYCH I W ENERGETYCE
Autor: Tadeusz Olkuski
(„Rynek Energii” – nr 4/2012)
Słowa kluczowe: upłynnianie węgla, zgazowanie węgla
Streszczenie. W artykule przedstawiono dwie alternatywne, w stosunku do tradycyjnego spalania węgla, metody wykorzystywania tego surowca. Są to upłynnianie i zgazowanie. Pierwsza z tych metod powstała już w latach dwudziestych ubiegłego wieku, lecz później, ze względu na dostępność taniej ropy naftowej, produkcja benzyny z węgla była nieopłacalna. Obecnie przy wysokich cenach ropy i niestabilnej sytuacji w krajach Bliskiego Wschodu coraz częściej wraca się do zaniechanej
przez lata metody upłynniania węgla. Drugim sposobem wykorzystywania węgla jest jego zgazowanie. Celem tego procesu
jest przetworzenie paliwa stałego na gaz syntezowy dla chemii lub gaz służący jako paliwo dla energetycznych układów
gazowo-parowych. Obecnie w ramach Konsorcjum Naukowo-Przemysłowego „Zgazowanie węgla” realizowany jest projekt
„Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii”, w którym biorą udział, między innymi, pracownicy Wydziału Energetyki i Paliw Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
1. WSTĘP
Jedną z metod alternatywnego wykorzystywania węgla jest jego upłynnienie i po przeróbce wykorzystywanie w silnikach spalinowych. Już w latach dwudziestych ubiegłego wieku Niemcy F. Fischer i H.
Tropsch opracowali metodę produkcji syntetycznych paliw płynnych z węgla. Benzyna z węgla miała
szczególne znaczenie podczas II wojny światowej, gdyż Niemcy nie posiadają złóż ropy naftowej, natomiast posiadają znaczne zasoby węgla. Do 1945 roku instalacje o niewielkich mocach pracowały w
Wielkiej Brytanii, Stanach Zjednoczonych i w Japonii. Także w Polsce, na niewielką skalę, upłynniano
węgiel w zakładach chemicznych w Oświęcimiu. Po wojnie zaniechano na pewien czas produkcji paliw
płynnych z węgla ze względu na nieekonomiczność tego procesu. Tania ropa naftowa spowodowała
całkowite wstrzymanie produkcji paliw płynnych z węgla.
Inną metodą nowoczesnego podejścia do wykorzystywania węgla jest jego zgazowanie. Zgazowywać
można zarówno węgiel kamienny jak i węgiel brunatny. Dużą zaletą procesu jest możliwość wykorzystywania węgli o dużej zawartości siarki, gdyż nie przeszkadza ona w procesie zgazowania, a można ją
usunąć podczas oczyszczania gazu procesowego. Można również stosować zintegrowane układy
oksyspalania i zgazowania węgla. Wszystkie nowatorskie metody wykorzystywania węgla mają na celu, przede wszystkim, ograniczenie emisji CO2 [22].
W chwili obecnej ogromne nadzieje budzi projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i
Rozwoju w ramach Strategicznego Programu Badań Naukowych i Prac Rozwojowych pt. „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii” realizowany przez Konsorcjum, którego skład zostanie podany
w dalszej części artykułu. Węgiel można zgazowywać zarówno na powierzchni jak i pod ziemią. Niemniej jednak, zdaniem autora, w warunkach polskich tylko ta pierwsza metoda może mieć zastosowanie.
2. UPŁYNNIANIE WĘGLA
W 1955 roku w Republice Południowej Afryki firma Sasol uruchomiła instalację do upłynniania węgla.
Produkcja ta trwa do dnia dzisiejszego i wynosi obecnie 6 mln ton produktów ciekłych, z których 60%
stanowią paliwa, a pozostała część to chemikalia. Należy jednak pamiętać, że wykorzystywany jest tam
tani węgiel, a poza tym, kraj ten przez wiele lat był izolowany przez społeczność międzynarodową z
powodu apartheid’u, co wymusiło szukanie własnych źródeł zaopatrzenia w paliwa. Produkcja paliw
płynnych z węgla jest sensowna jedynie w przypadku utrzymywania się wysokich cen ropy naftowej na
rynkach światowych. Kilka lat temu Kompania Węglowa podała informację, że baryłka „ropy węglowej” będzie kosztować 35 USD. Źródła amerykańskie podają, że produkcja taka opłaca się nawet przy
cenie baryłki ropy przekraczającej już 25 USD, co sugeruje, że są w stanie wytworzyć swój produkt
taniej. W przypadku skojarzonego przerobu węgla oraz zużytych opon samochodowych produkcja paliw płynnych z węgla może być opłacalna nawet przy cenie 14 USD za baryłkę [6]. Gdy w lipcu 2008
roku cena baryłki ropy zbliżyła się do 150 USD wydawało się, że benzyna z węgla będzie najlepszym
rozwiązaniem dla krajów nie posiadających zasobów tego surowca. Jednak w krótkim czasie cena ropy
spadła poniżej 40 USD, co postawiło pod znakiem zapytania celowość budowy zakładu przerabiającego
węgiel na benzynę. Firma chemiczna Dwory w Oświęcimiu miała wybudować zakład przerabiający 15
mln ton węgla rocznie na paliwa płynne kosztem 4 mld euro [25]. Ceny ropy zmieniają się jednak bardzo często i trudno przewidzieć na jakim poziomie ustali się cena w przyszłości. Trudno inwestować
nie wiedząc, czy ta inwestycja przyniesie zysk, a w gospodarce rynkowej jest to czynnik niezbędny do
podjęcia decyzji o rozpoczęciu produkcji. Już w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku zakupiono
aparaturę do upłynniana węgla w kopalni Janina, lecz nigdy nie została ona zmontowana. Plany rozwoju takiej produkcji mają Chiny oraz USA, ale trudno przewidzieć co z tego wyniknie. Cena ropy naftowej, tak naprawdę, ma niewiele wspólnego z kosztami wydobycia, gdyż te szacowane są na kilka dolarów. Wahania cen spowodowane są głównie spekulacją, zmową cenową państw producentów ropy naftowej, obawami o bezpieczeństwo dostaw, czy też kosztami utrzymania wojsk na Bliskim Wschodzie.
Gdyby udało się produkować benzynę z węgla, to producenci ropy naftowej z pewnością obniżyliby
cenę ropy do tak niskiego poziomu, aby zmusić producentów paliw syntetycznych do zaniechania swojej działalności. Wydobycie ropy jest zdecydowanie tańsze od wydobycia węgla, więc tego typu produkcję należy traktować jako potencjalną możliwość w bliżej nieokreślonym czasie, zwłaszcza że przeróbka węgla na benzynę też jest procesem kosztochłonnym. Ropa z węgla ma dodatkowo inny skład
chemiczny. Posiada między innymi znaczną ilość związków zawierających azot i tlen. Azot utrudnia
usuwanie związków siarki, a tlen zmniejsza stabilność frakcji węglowodorowych. Proces ten wymaga
też zużycia ogromnych ilości wody [14]. W przypadku Polski, produkcja paliw płynnych z węgla byłaby bardzo korzystna, pod warunkiem wysokich cen ropy, gdyż dałaby nowe miejsca pracy na Śląsku,
pozwoliłaby na wykorzystanie rodzimych złóż węgla i uniezależniłaby nasz kraj od dostaw ropy zza
granicy.
Produkcja paliw płynnych z węgla nazywana CTL (Coal to Liquid) może być prowadzona w sposób
bezpośredni (DCL – Direct Coal Liquefaction) lub metodą pośrednią (ICL – Indirect Coal Liquefaction). Metoda bezpośrednia polega na wprowadzeniu wodoru do struktur węgla dzięki czemu następuje
ich częściowe rozbicie. Metoda pośrednia polega na zgazowaniu węgla, a następnie z mieszaniny CO i
H2 syntetyzuje się paliwa płynne.
Obecnie w Chinach budowane są dwa zakłady Ningxia i Shenhua produkujące syntetyczne paliwo metodą ICL o zdolności produkcyjnej 160 tys. bpd (baryłek/dobę). Koszty pierwszej fazy budowy szacowane są na 3,3 mld USD, a cena syntetycznej ropy powinna wynieść około 15 USD/baryłkę. Planowana
jest również budowa zakładu Maijata, w którym wykorzystywana będzie metoda DCL. Produkcja ma
wynosić 50 tys. bpd, a cena tak otrzymanej baryłki 26 USD. W Stanach Zjednoczonych planowane są
dwa zakłady z instalacjami ICL, jeden w Arizonie, a drugi w Północnej Dakocie. Ich całkowita zdol-
ność produkcyjna powinna wynieść 50 tys. bpd. [3]. Wszystkie inwestycje prowadzone są przy współpracy z firmą SASOL, mającą największe doświadczenie w tej dziedzinie. Jak podają, na podstawie
raportów tej firmy, Cetnar i Kopeć [3], na jedną tonę produktu finalnego należy zużyć 5 ton węgla, a
produktem ubocznym jest 10 ton CO2. Jest to poważny problem w dobie coraz ostrzejszych limitów
emisji gazów cieplarnianych. Problem dotyczy zwłaszcza terenu Unii Europejskiej.
3. ZGAZOWANIE
Zgazowanie jest trzecim, po spalaniu i odgazowywaniu, kierunkiem wykorzystywania węgla. Jego celem jest przetworzenie paliwa stałego na gaz syntezowy dla chemii lub gaz służący jako paliwo dla
energetycznych układów gazowo-parowych. Czynnikami zgazowującymi węgiel może być tlen lub
powietrze i para wodna, natomiast w przypadku konwersji węgla do metanu – wodór [2, 12]. Zgazowanie należy do procesów energotechnicznych, pozwalających na wykorzystanie efektów reakcji i przemian chemicznych zachodzących podczas reakcji niepełnego utleniania paliw i dalszych przemian chemicznych produktów niepełnego i pełnego spalania paliw.
Z danych statystycznych wynika, że w latach 1972 – 2007 powstało w świecie 21 doświadczalnych i
komercyjnych instalacji IGCC (ang. Integrated Gasification Combined Cycle) do zgazowania węgla,
pozostałości z przeróbki ropy naftowej, koksu naftowego, asfaltu, biomasy i odpadów. Bloki energetyczne oparte na tych instalacjach miały moc elektryczną 15 – 550 MW, a sumaryczna moc wynosiła
4050 MW. Większość zbudowanych bloków wykorzystywana jest do produkcji energii elektrycznej
(układy gazowo-parowe – 14 bloków), do produkcji pary (4 bloki), do produkcji wodoru (2 bloki) i metanolu (2 bloki) [10]. Gaz powstały obecnie w procesach zgazowania w 49% pochodzi z węgla, w 37%
z produktów przemysłu petrochemicznego, a pozostałe 14% wytwarzane jest z gazu, koksu naftowego i
biomasy [5, 24]. Ogółem na świecie działają obecnie 144 instalacje zgazowania wyposażone w 427
reaktorów. Gaz procesowy ze zgazowania węgla stosowany jest głównie w syntezie Fischera-Tropscha,
wykorzystywanej do produkcji paliw ciekłych oraz syntetycznego gazu ziemnego (SNG). Instalacje
takie pracują w Republice Południowej Afryki (Sasol Lurgi) oraz w zakładzie SNG w Great Plane w
USA. W przypadku wdrażanych nowych instalacji gaz będzie służyć głównie do produkcji substancji
chemicznych w 75% i energii elektrycznej – 24% [24].
Technologię zgazowania wybiera się pod kątem surowca, który ma być poddany zgazowaniu. Często
zdarza się, że instalacje do zgazowywania budowane są po to, aby zagospodarować niskojakościowe
produkty i odpady, na przykład z przemysłu petrochemicznego, posiadające substancje o dużej zawartości siarki oraz ciężkie odpady przeróbcze. Jeśli jednak celem zgazowania jest produkcja energii elektrycznej i ciepła lub surowca do syntezy chemicznej, należy dokładnie dobrać surowiec kierując się
względami ekonomicznymi i ekologicznymi. Dlatego też wiele funkcjonujących lub budowanych instalacji wykorzystuje specjalnie dobrany węgiel, mieszanki węglowe, biomasę, łupki bitumiczne, czy nawet asfalt [11].
Największym zainteresowaniem, jako surowcem do zgazowania, cieszy się obecnie węgiel kamienny
i węgiel brunatny. Do procesu zgazowania nadaje się każdy rodzaj węgla zarówno kamiennego jak i
brunatnego, jednak ze względu na uzyskanie odpowiednich parametrów technologii zgazowania pożądany jest węgiel o stosunkowo niskiej zawartości popiołu, do 15%, a najlepiej około 10% oraz o wartości opałowej powyżej 22 MJ/kg. Zawartość siarki w tym procesie nie ma znaczenia, gdyż nie wpływa
ona na jakość zgazowania i usuwana jest w trakcie oczyszczania gazu procesowego [2]. Ze względu na
brak podaży węgla o odpowiednio dobrych parametrach jakościowych zakłada się, że zgazowaniu będą
poddawane gorsze węgle o zawartości popiołu około 20% i wartości opałowej 18 – 20 MJ/kg [23]. Po
wstępnych analizach, ze względu na właściwości jakościowe jak też wielkość zasobów, do zgazowania
wytypowano węgle z kopalń: Janina – 1463 mln ton zasobów bilansowych i 379 mln ton zasobów
przemysłowych, Bogdanka – 828 mln ton zasobów bilansowych i 342 mln ton zasobów przemysłowych, Piast – 916 mln ton zasobów bilansowych i 275 mln ton zasobów przemysłowych i Ziemowit –
947,5 mln ton zasobów bilansowych i 130 mln ton zasobów przemysłowych [2].
W tabeli 1 przedstawiono właściwości węgli kamiennych do zgazowania [24].
Pokłady węgla kamiennego przeznaczone do eksploatacji techniką zgazowania podziemnego powinny
cechować się określonymi parametrami fizykochemicznymi węgla oraz grubością i warunkami geologicznymi występowania złoża, takimi jak położenie geologiczne, stratygrafia, tektonika itp. Kryteria
kwalifikacji technologii podziemnego zgazowania węgla w Polsce przedstawiono w tabeli 2 [9].
Tabela 1 Właściwości węgli kamiennych do zgazowania [24]
Oznaczenie
Qir [MJ/kg]
A r [%]
Kopalnia
Janina Bogdanka
Piast
Ziemowit
18,16
21,28
18,0 – 20,0
19,83
17,53
19,73
20,0 – 25,0
18,52
S [%]
1,82
1,00
0,91 – 1,40
1,30
W r [%]
19,06
11,32
13,0 – 16,0
14,77
r
t
Tabela 2 Kryteria kwalifikacji technologii podziemnego zgazowania węgla w Polsce [9]
Kryterium kwalifikacji
Typ węgla
Właściwości fizykochemiczne
Głębokość zalegania
Grubość pokładu
Kąt nachylenia pokładu
Rodzaj i szczelność górotworu
Warunki hydrogeologiczne
Tektonika złoża
Wielkość zasobów
Obecność metanu w złożu
Warunki infrastruktury
Charakterystyka
od płomiennego
do antracytu
duża zawartość części lotnych, słaba zdolność do
spiekania lub jej brak
wzrost kosztów wytworzonego gazu wraz ze
wzrostem głębokości
powyżej 1 metra
dowolny
zwięzłość i szczelność górotworu, grubość i litologia górotworu – nadkład warstw słabo przepuszczalnych (gliny, iły, łupki)
brak szczelin, warstw wodonośnych, zbiorników
wodnych powodujących dopływ wód
jednorodność złoża (brak szczelin, uskoków)
kryterium opłacalności
zagrożenie gazowe
brak zabudowy
Procesy zgazowania węgla na powierzchni są dobrze znane i stosowane na skalę przemysłową w kilku
krajach. Gorzej wygląda sytuacja z podziemnym zgazowaniem węgla. W celu wyjaśnienia wszystkich
niewiadomych należy tworzyć instalacje pilotażowe i demonstracyjne. Dwie takie instalacje są przygotowywane na Dolnym Śląsku i w okolicach Rybnika. Rozważa się również możliwość zgazowania węgla brunatnego z części złoża legnickiego. Wytworzony w ten sposób gaz mógłby zasilać małą lokalną
elektrownię lub elektrociepłownię [13].
Do zgazowania węgla wykorzystuje się różnego rodzaju reaktory. Na rys. 1 przedstawiono rodzaje reaktorów stosowanych do zgazowania [7]:
− ze złożem stałym,
− ze złożem fluidalnym,
− reaktory dyspersyjne.
Rys. 1. Procesowe rozwiązania reaktorów zgazowania [7]
Reaktory ze złożem stałym stosowane są w starszych systemach zgazowania. Ich wadą jest wolny przepływ gazu w górę przez złoże kawałkowego wsadu węglowego.
W reaktorach ze złożem fluidalnym cząstki węgla są zawieszone w strumieniu gazu, a temperatura procesu jest niższa od temperatury mięknienia popiołu. Rozwiązanie takie jest korzystne dla hydrozgazowania lub procesu tlenkowej pętli chemicznej (chemical looping).
W reaktorach dyspersyjnych cząstki pyłu węglowego płyną współprądowo z dużą prędkością. Reaktory
te stosowane są najczęściej we współczesnych rozwiązaniach tlenowych reaktorów zgazowania [5].
Produktem końcowym podziemnego zgazowania węgla (ang. Underground Coal Gasification – UCG)
jest mieszanina gazów składająca się głównie z H2, CO, CO2 oraz CH4. Przykładowy skład gazu syntezowego otrzymanego metodą UCG przedstawiono na rys. 2. Wartość kaloryczna wynosi 13,6 MJ/Nm3
[18].
Tabela 3 Wybrane technologie zgazowania [4]
Rodzaj generatora
Wyszczególnienie
ze złożem stałym
Technologia
Lurgi/BG
Wielkość, parametr
Czynnik zgazowujący
O2 + H2O
Postać paliwa na zasilaniu
Wielkość
[mm]
ziarna
węgla,
ze złożem fluidalnym
HTW
KRW
U-Gaz
powietrze
(O2 + H2O)
pow. + H2O
(O2 + H2O)
węgiel suchy
suchy
suchy
pow. + H2O
(O2 + H2O)
pasta węglowowodna
3 – 50
6
5
6
Odprowadzenie popiołu
żużel
Sposób chłodzenia genera- wodne
tora
pary)
o
Temperatura, [ C]
strefy reakcji
gazu surowego
Ciśnienie, [MPa]
Stopień konwersji węgla,
[%]
Sprawność konwersji, [%]
(*)
popiół (suchy)
popiół (zlepiony)
popiół (zlepiony)
proces adiabat.
proces adiabat.
proces adiabat.
1 800
430 – 500
2,5 – 3
950
900
1 – 2,7
110
1 000
2
1 100
1 000
2,5
99,7
90 – 92 (pow.)
96,5 (pow.)
97 (pow.)
89 – 91
(Wd)
70 – 75 (pow.)
(Wd)
69,7 (pow.)
(Wd)
69,6 (pow.)
(Qs)
(gener.
Rys. 2. Przykładowy skład gazu syntezowego
otrzymanego metodą UCG [18]
Skład generowanego gazu zależy od właściwości procesu zgazowania oraz rodzaju paliwa, w tym
głównie od zawartości części lotnych, popiołu, wilgoci oraz od reakcyjności węgla, jego zdolności do
spiekania i rozdrabniania. Efektywność konwersji węgla jest oceniana przez podanie stopnia konwersji
oraz sprawności „zimnej” i pełnej uwzględniającej efekty chłodzenia generatora i gazu syntezowego.
Dla zgazowania tlenowego stopień konwersji przekracza 99% [4]. W tabelach 3 i 4 przedstawiono wybrane technologie zgazowania.
Tabela 4 Wybrane technologie zgazowania [4]
Wyszczególnienie
Technologia
Wielkość, parametr
Czynnik zgazowujący
Postać paliwa na
zasilaniu
TEXACO
SHELL
O2 + H2O
O2 + H2O
O2 + H2O
zawiesina
wodnowęglowa
suchy
0,1
Wielkość
ziarna
0,5
węgla, [mm]
Odprowadzenie pożużel
piołu
Sposób chłodzenia
proces.
generatora
adiabat.
Temperatura, [oC]
strefy reakcji
gazu surowego
Rodzaj generatora
strumieniowy
DESTEC
PRENFLO
(DOW)
żużel
wodne
(gener.
pary)
–
do 2 000
1 300 –1
9001)
500
4EW
GSP
O2 + H2O
powietrze
O2 + H2O
suchy
suchy
suchy
suchy
–
0,1
0,1
0,2
żużel
żużel
proces
adiabat.
wodne
(gener.
pary)
1 430 -
do 2 000
1 0382)
900
żużel
proces
adiabat.
żużel
wodne
(gener.
pary)
2 000
do 2 000
1 400 – 1
1 600
600
Ciśnienie, [MPa]
Stopień
konwersji
węgla, [%]
Sprawność konwersji, [%] (*)
3–8
2–3
2,2
2–3
2 – 2,5
do 5
> 99
99,7
99,3
99,7
ok. 60
99,5
76
(Wd)
81,6
(Qs)
77
(Qs)
74,5
(Qs)
brak
nych
da- 77
(Wd)
(*) – energetyczna sprawność konwersji (zimna) odniesiona do ciepła spalania (Qs) lub wartości opałowej (Wd),
1) po suchym gaszeniu; 2) projekt dwustopniowy
Do zgazowania węgla wykorzystywana jest endotermiczna reakcja otrzymywania „gazu wodnego” i
reakcji Boudouarda [16]
C+CO 2 ®2CO-∆H o298 =+159,7kJ/mol
oraz egzotermiczna konwersja tlenku węgla z parą wodną. Jest to proces znany, stosowany od lat w
RPA w celu uzyskania gazu syntezowego do procesów Fischera-Tropscha. Zgazowanie węgla nie było
do tej pory procesem opłacalnym i stosowano je jedynie w warunkach wojennych w Niemczech, podczas II wojny światowej, oraz w RPA, ze względu na międzynarodowe embargo. Zgazowanie węgla
było do tej pory procesem drogim i nieopłacalnym, gdyż należało uwzględnić koszty wydobycia węgla,
rozdrabniania, oczyszczania gazu syntezowego, czy też zagospodarowanie popiołu [16]. Przy utrzymujących się od kilku lat wysokich cenach ropy naftowej i gazu proces zgazowania węgla staje się technologią coraz bardziej perspektywiczną.
Obecnie w ramach Konsorcjum Naukowo-Przemysłowego „Zgazowanie węgla” realizowany jest projekt „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii”.
Projekt finansowany jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Strategicznego Programu Badań Naukowych i Prac Rozwojowych pt. „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”. W
skład Konsorcjum wchodzą: Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie (Lider Projektu), Główny Instytut Górnictwa w Katowicach, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu i Politechnika Śląska
w Gliwicach, jako partnerzy naukowi. Ze strony przemysłu w Konsorcjum uczestniczą: Katowicki Holding Węglowy S.A., KGHM Polska Miedź S.A., Tauron Polska Energia S.A., Południowy Koncern
Energetyczny S.A., Południowy Koncern Węglowy S.A., ZAK S.A. Celem projektu jest opracowanie
dwóch instalacji pilotażowych. Jedną z nich jest ciśnieniowy reaktor z cyrkulującym złożem fluidalnym
do zgazowania węgla z wykorzystaniem CO2 jako czynnika zgazowującego. Zaletą tej technologii jest
fakt, że zgazowanie przebiega w temperaturze 800 – 1000oC i przy obecności węgla pierwiastkowego.
Takie warunki mogą być osiągnięte jedynie w reaktorze ze złożem fluidalnym, w którym złoże w układzie jest odpowiednio zagęszczone, a nieprzereagowany karbonizat tworzy powierzchnię aktywną chemicznie do reakcji z wprowadzonym z zewnątrz CO2. Przewiduje się, że ta technologia znajdzie zastosowanie w instalacjach przemysłowych średniej mocy w przemyśle chemicznym (produkcja wodoru),
a także w energetyce do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w kogeneracyjnych układach IGCC.
Druga instalacja pilotowa służyć będzie podziemnemu zgazowaniu węgla kamiennego powietrzem
wzbogaconym w tlen, a wykorzystywana ma być w przyszłości w zakładach energetycznych o mocy do
50 MW, pracujących na potrzeby lokalnego rynku energii elektrycznej i ciepła. Opracowywana technologia podziemnego zgazowania węgla będzie wykorzystywana do eksploatacji złóż węgla kamiennego,
w których zakończono eksploatację, lub w tych partiach pokładów, gdzie nie można zastosować innych
technologii ze względów technicznych lub ekonomicznych [20].
Całość problematyki badawczej podzielono na osiem tematów badawczych, nad którymi nadzór merytoryczny pełnią poszczególni Partnerzy Naukowi.
Tematami tymi są [20,21]:
− opracowanie szczegółowej bazy danych węgli krajowych dla procesu zgazowania (AGH Kraków),
− opracowanie i weryfikacja w skali pilotowej technologii ciśnieniowego zgazowania węgla w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym przy wykorzystaniu CO2 jako czynnika zgazowującego
(IChPW Zabrze),
− opracowanie i weryfikacja w skali pilotowej technologii podziemnego zgazowania węgla (GIG Katowice),
− opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów kogeneracji i produkcji energii elektrycznej na bazie podziemnego zgazowania węgla (GIG Katowice),
− opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów produkcji paliw gazowych i ciekłych na bazie ciśnieniowego zgazowania węgla (IChPW Zabrze),
− opracowanie dla warunków krajowych mapy rozwiązań technologicznych (AGH Kraków),
− opracowanie projektów technologicznych układów stanowiących podstawę do budowy krajowych
instalacji demonstracyjnych (GIG Katowice),
− kompleksowa ocena i wybór strategicznych kierunków zgazowania węgla (AGH Kraków).
Podziemne zgazowanie węgla polega na doprowadzeniu z powierzchni czynnika zgazowującego i jego
reakcji z węglem znajdującym się w pokładzie, czyli w miejscu zalegania (in situ). Metoda została
opracowana na początku XX wieku, a do chwili obecnej przeprowadzono na świecie ponad 50 eksperymentów, w tym ponad 30 w USA [18,19]. Badania prowadzone były również w innych krajach, takich jak: Australia, Belgia, Chiny, Hiszpania, RPA i były ZSRR.
Aby udostępnić złoże do przeprowadzenia procesu stosuje się dwie metody dostępu, metodę otworową
i metodę szybową [1, 19].
Metoda otworowa polega na wierceniu z powierzchni otworów, które łączy się w pokładzie poprzez
przepalanie z zastosowaniem sprężonego powietrza lub wody. Coraz częściej stosuje się jednak technikę wiercenia otworów kierunkowych znaną w przemyśle wydobycia ropy i gazu. Metoda otworowa
stosowana jest przede wszystkim do pokładów zalegających na dużych głębokościach i nie eksploatowanych do tej pory.
Metoda szybowa polega na udostępnianiu pokładu węgla szybem, a czynnik zgazowujący, jak i produkt
zgazowania, transportowane są wyrobiskiem górniczym. Tę metodę stosuje się do pokładów zalegających na mniejszych głębokościach, a także do pokładów pozostałych po uprzednio prowadzonej eksploatacji tradycyjnymi metodami górniczymi. Ocenia się, że metoda bezszynowa jest metodą lepszą i
bardziej perspektywiczną, o czym świadczą kierunki badań prowadzonych w świecie [17, 20].
Podziemne zgazowanie węgla ma niewątpliwie zalety z ekonomicznego punktu widzenia. Nie wymaga
budowy i wyposażenia sieci korytarzowych wyrobisk udostępniających złoże, wyrobisk przygotowawczych i eksploatacyjnych, mechanicznego urabiania i transportu urobku, materiałów i załogi, przewietrzania, odwadniania, zaopatrzenia w energię i zapewnienia szeregu wymagań związanych z bezpiecznym prowadzeniem procesu wydobywczego [15]. Niewiele jest opracowań dotyczących oceny ekonomicznej projektów podziemnego zgazowania węgla. Na podstawie przeglądu dostępnych źródeł można
wywnioskować, że koszty produkcji energii elektrycznej z gazu otrzymanego z podziemnego zgazowania węgla są o około 50% niższe niż koszty produkcji energii w wyniku spalania węgla [15].
4. PODSUMOWANIE
Zarówno upłynnianie jak i zgazowanie węgla są interesującymi alternatywami dla tradycyjnego wykorzystywania tego surowca. Konwencjonalne spalanie węgla jest mało efektywne i dodatkowo budzi
zastrzeżenia ekologów.
Bez względu na stosowaną metodę upłynniania, źródłem ciepła w procesie jest węgiel, czyli nasz podstawowy surowiec energetyczny. Jego wykorzystanie obniża wydajność procesu do 10 – 30%. Inną,
ciekawą metodą upłynniania węgla, jest wykorzystywanie wysokotemperaturowego reaktora jądrowego. Pozwoli ona na wykorzystanie ciepła reaktora zamiast węgla, co w konsekwencji podniesie sprawność paliwową prawie do 100%. Węgiel będzie spełniał wyłącznie rolę surowca do przeróbki, a nie
źródła ciepła [3].
Naziemne zgazowanie węgla nie budzi kontrowersji. Proces można łatwo kontrolować, dzięki czemu
nie stwarza to zagrożenia zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Natomiast podziemne zgazowanie
węgla, oprócz niewątpliwych korzyści, niesie ze sobą liczne niebezpieczeństwa takie jak, na przykład,
skażenia wód podziemnych oraz osiadania powierzchni terenu. Czym jednak głębiej prowadzona jest
eksploatacja tym skutki osiadania terenu są mniejsze. Trudniej rozwiązać problem potencjalnego zanieczyszczenia wód podziemnych, chociaż można to zrobić, stosując przykładowo w reaktorze ciśnienie
niższe od ciśnienia wywieranego przez otaczające warstwy, co spowoduje przedostawanie się wody do
reaktora, a nie do warstw wodonośnych. Takie doświadczenia przeprowadzano z pozytywnym skutkiem
w Australii [8]. Każdorazowo należy jednak zwracać szczególną uwagę na ochronę środowiska, gdyż
raz poczynione szkody mogą być już nie do naprawienia.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Białecka B.: Podziemne zgazowanie węgla. Podstawy procesu decyzyjnego. Główny Instytut
Górnictwa. Katowice 2008.
Blaschke W., Lorenz U., Ozga-Blaschke U.: Krajowa baza surowcowa dla przemysłu energochemicznego przetwórstwa węgla. Karbo nr 4, 2009, s. 190–196.
Cetnar J., Kopeć M.: Otrzymywanie paliw płynnych z węgla w synergii z energią jądrową. Karbo
nr 3, 2006, s. 134–140.
Chmielniak T.: Układy gazowo-parowe zintegrowane ze zgazowaniem węgla. [W:] Termochemiczne przetwórstwo węgla i biomasy. Wyd. IChPW i IGSMiE PAN. Zabrze – Kraków 2003, s.
81–97.
Chmielniak T., Ściążko M.: Technologie zgazowania węgla. Karbo nr 2, 2007, s. 93–97.
Chopey N.P., Chowthury J., Grab Bch., Ondrey G., Chem. Eng. 1998, t.9, s.35, za K. Stańczyk,
Przemysł Chemiczny, 2000, t. 79, s. 39.
Coka M.T. Elcogas: Integrated gasification combined cycle technology: IGCC. Its actual application in Spain: ELCOGAS. Puertollano, Elcogas SA, Club Espanol de la Energia [W:] Chmielniak
T., Ściążko M., 2007 – Technologie zgazowania węgla. Karbo, nr 2. s. 93–97.
Friedmann J.: Underground Coal Gasification In the USA and Abroad, Congressional hearing on
cli mate change. November 14 in the Senate Foreign Relations Committee [W:] Stańczyk K.,
Kapusta K., 2007 – Podziemne zgazowanie węgla. Karbo, nr 2, 2007. s. 98–102.
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
Hankus A., Białecka B.: Bilans zasobów do procesu podziemnego zgazowania węgla w Polsce.
Prace
Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko, 2005, nr 4.
Hycnar J.: Aspekty ekologiczne procesu zgazowania paliw. Polityka energetyczna, t. 10, z.2 specjalny, 2007, s. 177–187.
Hycnar J.: Kierunki rozwoju procesów zgazowania paliw. Karbo, nr 1, 2008, s. 13–21.
Karcz A., Ściążko M.:Energochemiczne przetwórstwo węgla do paliw ciekłych. Wiadomości górnicze,
nr 2, 2007.
Kasztelewicz Z., Polak K., Zajączkowski M.: Szanse i zagrożenia podziemnego zgazowania węgla
w złożu. Przegląd Górniczy, nr 1–2, 2009.
Kozłowski E., Czachowska-Kozłowska D., Dworak A., Krop E.: Czekając na benzynę z węgla.
Karbo,
nr 1, s. 2–6, 2007.
Magda R.:Ekonomiczne aspekty podziemnego zgazowania węgla – na przykładzie Carbon Energy.
Polityka Energetyczna, t. 14, z. 2, 2011, s. 261–272.
Srogi K.: Wodór – paliwo przyszłości. Kierunki badań nad wykorzystaniem źródeł surowcowych
do otrzymywania wodoru. Karbo, nr 2, 2006, s. 65–76.
Stańczyk K., Dubiński J., Cybulski K., Wiatowski M., Świadrowski J., Kapusta K., Rogut J.,
Smolińska A., Krause E., Grabowski J.: Podziemne zgazowanie węgla – doświadczenia światowe
i eksperymenty prowadzone w KD Barbara. Polityka Energetyczna, t. 13, z. 2, 2010, s. 423–434.
Stańczyk K., Kapusta K.: Podziemne zgazowanie węgla. Karbo, nr 2, 2007, s. 98–102.
Stańczyk K., Świądrowski J., Kapusta K.: Zgazowanie węgla jako sposób ochrony powietrza.
Ochrona powietrza w teorii i praktyce, t. 1. Zabrze 2006.
Strugała A., Czaplicka-Kolarz K., Ściążko M.: Projekty nowych technologii zgazowania węgla
powstające w ramach Programu Strategicznego NCBiR. Polityka Energetyczna, t. 14, z. 2, 2011,
s. 375–390.
Strugała A., Czerski G.: Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii – informacja o Projekcie. Karbo, nr 4, 2010, s. 165–166.
Szlęk A., Wilk R.K., Werle S., Schaffel N.: Czyste technologie pozyskiwania energii z węgla oraz
perspektywy bezpłomieniowego spalania. Rynek Energii. Nr 4/2009.
Ściążko M., Dreszer K.: Uwarunkowania techniczne i ekonomiczne nowych technologii wykorzystania węgla. Szkoła Eksploatacji Podziemnej. Sympozja i Konferencje. Nr 74. Wyd. Instytut
GSMiE
PAN.
Kraków 2009.
Ściążko M., Dreszer K.: Ocena możliwości wdrożenia nowych technologii przetwórstwa węgla w
Polsce. Karbo, nr 4, 2009, s. 206–216.
Tramer A.: Ropa z węgla – prawda i mity. (www.interia.pl) 13.01.2006.
"Praca finansowana z badań statutowych AGH nr 11.11.210.217"
USE OF COAL LIQUEFACTION AND GASIFICATION IN COMBUSTION ENGINES AND
POWER INDUSTRY
Key words: coal liquefaction, coal gasification
Summary. Two alternate methods of the coal use, i.e. coal liquefaction and gasification, considered as alternative of traditional coal combustion, are presented in this study. The first method (coal liquefaction) was implemented in the twenties of
the last century, but because of competitive accessibility of cheap oil, production of coal-based petroleum has been stopped.
At present, because of high oil prices and instable economic situation in Middle East countries, coal liquefaction method is
more and more often re-used. Coal gasification is the second method of this raw material use. This process comprises processing of the solid fuel into synthesized gas for needs of chemical industry, or gas used as a fuel for gas-steam driven installations used in power industry. Actually, a project named “Coal gasification technology for needs of highly effective production of fuels and energy” is developed in the Research-Industrial Consortium „Zgazowanie węgla”. Research workers of the
Faculty of Energy and fuels of the AGH University of Science and Technology in Krakow-Poland participate in the project
development.
Tadeusz Olkuski, dr inż. AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie; e-mail: [email protected]