Ocena możliwości utylizacji ...

Ocena możliwości utylizacji metanu, KWK

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
POLITYKA ENERGETYCZNA
Tom 11
Zeszyt 2
2008
PL ISSN 1429-6675
Stanis³aw NAWRAT*, Kazimierz GATNAR**
Ocena stanu i mo¿liwoœci utylizacji metanu
z powietrza wentylacyjnego
podziemnych kopalñ wêgla kamiennego
S
TRESZCZENIE
. Metan, towarzysz¹cy w kopalniach eksploatacji kopaliny podstawowej jak¹ jest
wêgiel kamiennego, nie ujêty przez odmetanowanie w wiêkszej czêœci wydziela siê do
powietrza wentylacyjnego tworz¹c mieszaniny metanowe-powietrzne o ró¿nym stê¿eniu
metanu.
Wykorzystanie metanu z pok³adów wêgla jest bardzo wa¿ne z przyczyn:
gospodarczych, co znalaz³o odzwierciedlenie w Prawie geologicznym i górniczym zali-
czaj¹cym metan z pok³adów wêgla (MPW) do kopalin podstawowych, oraz
ekologicznych, gdy¿ emisja miêdzy innymi metanu do atmosfery przyczynia siê do
powstawania efektu cieplarnianego, co znalaz³o odzwierciedlenie w Protokole z Kioto.
W polskich kopalniach wêgla kamiennego od wielu lat nastêpuje stopniowy rozwój od-
metanowania podziemnego i gospodarczego wykorzystania ujêtego metanu w instalacjach
ciep³owniczo-energetycznych. Jednak¿e nie tylko polskim, ale œwiatowym du¿ym prob-
lemem jest utylizacja i gospodarcze wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego
kopalñ(MWENT).
W kopalniach, metan z pok³adów wêgla w czasie procesu urabiania wêgla wydziela siê do
powietrza w kopalni i ulega rozrzedzeniu, tworz¹c w wyniku regulacji strumienia powietrza
mieszaniny metanowo-powietrzne (MWENT) zwieraj¹ce od 0,0 do 0,75% metanu (górna
granica okreœlona w polskich górniczych przepisach bezpieczeñstwa).
Na œwiecie prowadzone s¹ intensywne prace badawczo-rozwojowe, które doprowadzi³y do
opracowania wielu technologii i urz¹dzeñ, pozwalaj¹cych przeprowadzaæ proces spalania
metanu o niskiej koncentracji.
*
* Prof. dr hab. in¿., – Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków; e-mail: nawstan@agh.edu.pl
** Mgr in¿. – Jastrzêbska Spó³ka Wêglowa S.A., Jastrzêbie Zdrój; e-mail: Kgatnar@jsw.pl
69
Materia³ zawarty w artykule stanowi próbê oceny stanu i mo¿liwoœci utylizacji metanu
z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalñ.
S
£OWA KLUCZOWE
: metan, wêgiel, wêgiel kamienny, wentylacja, utylizacja
1. Zasoby metanu w mieszaninie z powietrzem
w polskich kopalniach wêgla kamiennego
W polskich kopalniach wêgla kamiennego od wielu lat nastêpuje stopniowy rozwój
odmetanowania podziemnego i gospodarczego wykorzystania ujêtego metanu w insta-
lacjach energetyczno-ciep³owniczych. Natomiast du¿ym problemem, nie tylko polskim, ale
i œwiatowym, jest utylizacja i gospodarcze wykorzystanie metanu z powietrza wenty-
lacyjnego (MWENT) kopalñ.
1.1. Zasoby metanu w mieszaninie z powietrzem
w polskich kopalniach wêgla kamiennego
W polskich kopalniach wêgla kamiennego metanowoœæ bezwzglêdna od roku
2001 systematycznie rocznie mimo zmniejszania siê iloœci kopalñ oraz wydobycia.
W 2006 roku metanowoœæ bezwzglêdna wynosi³a 871 mln m
3
/rok (1 657,2 m
3
/min),
przy czym wentylacyjnie odprowadzono 581 mln m
3
metanu/rok (1 105,4 m
3
/min),
a systemem odmetanowania ujêto 290 mln m
3
/rok (551,8 m
3
/min) (Raporty roczne…).
Metanowoœæ wentylacyjn¹, z odmetanowania oraz bezwzglêdn¹ polskich kopalñ
wêgla kamiennego w latach 2001–2006 przedstawia tabela 1 oraz rysunek 1 (Raporty
roczne…).
Odmetanowanie, metanowoœæ wentylacyjna–acozatymidzie–metanowoœæbez-
wzglêdna w ostatnich latach systematycznie rosn¹ (rys. 1).
Z rysunku 1 wynika, ¿e roczne zasoby metanu w powietrzu wentylacyjnym kopalñ wêgla
kamiennego w roku 2006 wynosi³y oko³o 581 mln m
3
(Raporty roczne…) i z roku na rok
zwiêkszaj¹ siê. Tylko w 50% zasoby te by³y wykorzystane, jako paliwo w instalacjach
ciep³owniczo-energetycznych.
70
T
ABELA
1. Metanowoœæ kopalñ wêgla kamiennego w latach 2001–2006
(Raporty roczne…)
T
ABLE
1. Methane content compared to coal mines number and total output in Poland
between 2001–2006
Rok
Wyszczególnienie
Jednostka
2001
2002
2003
2004
2005
2006
MetanowoϾ
bezwzglêdna
mln m
3
/rok
743,7 752,6 798,1 825,9 851,1 871,0
m
3
/min
1 415,0 1 431,9 1 518,5 1 571,3 1 623,2 1 657,2
mln m
3
/rok
214,3 207,3 227,1 250,9 255,3 290,0
Odmetanowanie
m
3
/min
407,8 394,4 432,1 477,4 515,9 551,8
MetanowoϾ wentylacyjna
MEWENT
mln m
3
/rok
529,4 545,3 571,0 575,0 595,9 581,0
m
3
/min
1 007,2 1 037,5 1 086,4 1 093,9 1 116,3 1 105,4
Iloœæ kopalñ wêgla
kamiennego
szt.
42,0
42,0
41,0
40,0
33,0
33,0
Wydobycie wêgla
kamiennego
mln t/rok
102,6 102,1 100,4
99,2
97,1
94,4
Rys. 1. Metanowoœæ kopalñ wêgla kamiennego w odniesieniu do liczby kopalñ i wydobycia wêgla
kamiennego w Polsce w latach 2001–2006
Fig. 1. Methane content compared to coal mines number and total output in Poland
between 2001–2006
71
2. Mo¿liwoœci techniczne wykorzystania metanu
z powietrza wentylacyjnego (MWENT)
w instalacjach ciep³owniczo-energetycznych
Liczne prace badawczo-rozwojowe prowadzone w ostatnich latach doprowadzi³y do pow-
stania wielu technologii i urz¹dzeñ, które umo¿liwiaj¹ wykorzystanie metanu z powietrza
wentylacyjnego jako paliwa. Jednak¿e podstawowym problemem jest zapewnienie miesza-
niny metanowo-powietrznej o koncentracji metanu co najmniej od 0,5 do 1,0%, aby urz¹-
dzenia – reaktory spalaj¹ce metan mog³y pracowaæ ekonomicznie efektywnie. Podstawowe
za³o¿enia wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego kopalñ przedstawia rysunek 2.
Rys. 2. Podstawowy uk³ad technologiczny wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego kopalñ wêgla
kamiennego (Raporty roczne…)
Fig. 2. Standard technological layout of VAM use
Podstawowymi urz¹dzeniami instalacji umo¿liwiaj¹cej utylizacjê metanu z powietrza
wentylacyjnego podziemnych kopalñ wêgla kamiennego s¹:
1) urz¹dzenia do pobierania gazów MWENT (powietrze i metan) z szybu wentylacyjnego
kopalni,
2) urz¹dzenia do transportu MWENT do reaktorów spalaj¹cych metan,
3) reaktory spalaj¹ce metan z MWENT i wytwarzaj¹ce spaliny zawieraj¹ce g³ównie dwu-
tlenek wêgla oraz energiê ciepln¹,
4) wymienniki ciep³a gaz–woda, umo¿liwiaj¹ce wykorzystanie energii cieplnej dla celów
energetycznych, np. ogrzewania lub produkcji energii elektrycznej,
5) kominy odprowadzaj¹ce spaliny do atmosfery.
72
2.1. Cieplny reaktor przep³ywowo-rewersyjny TFRR (VOCSIDIZER)
Vocsidizer zosta³ opracowany przez amerykañsk¹ firmê Megtec Systems i jest reakto-
rem, w którym nastêpuj¹ cykliczne procesy samozapalenia metanu i wydzielania ciep³a do
z³o¿a (Nawrat 2006). Schemat urz¹dzenia przedstawia rysunek 3.
TFRR sk³ada siê ze z³o¿a wykonanego ze ¿wiru krzemionkowego lub ceramiki, które
pe³ni rolê wymiennika ciep³a, z umieszczonymi wewn¹trz instalacjami elektrycznymi s³u¿¹-
cymi do podgrzewania. Odpowiedni przep³yw mieszaniny MWENT przez z³o¿e zapew-
niony jest przez szereg kana³ów i zaworów. TFRR dzia³a na zasadzie regeneracyjnej
wymiany ciep³a pomiêdzy przep³ywaj¹cym gazem a wymiennikiem ciep³a i medium. Aby
zainicjowaæ proces, elektryczne podgrzewacze umieszczone w wymienniku ciep³a s¹ pod-
grzewane do temperatury umo¿liwiaj¹cej utlenianie siê metanu (oko³o 1000°C) lub wy¿szej.
Powietrze wentylacyjne o temperaturze otoczenia wp³ywa przez wlot do reaktora w jednym
kierunku, gdzie nastêpuje utlenianie siê metanu oraz wzrost temperatury w pobli¿u œrodka
wymiennika ciep³a. Gor¹ce produkty spalania oraz nieprzereagowana czêœæ MWENT p³yn¹
wzd³u¿ wymiennika oddaj¹c ciep³o. W wyniku tego procesu nagrzewa siê przeciwleg³a
strona wymiennika. Gdy jej temperatura osi¹gnie temperaturê zap³onu metanu, reaktor automa-
tycznie odwraca kierunek przep³ywu powietrza. Nowy strumieñ MWENT przep³ywa przez
z³o¿e z drugiej strony pobieraj¹c ciep³o od wymiennika. W centralnej czêœci z³o¿a osi¹ga
temperaturê zap³onu i w wyniku utleniania zaczyna oddawaæ ciep³o. Nastêpuje ponowne
odwrócenie przep³ywu i proces powtarza siê (Assessment of the Worldwide Market…).
Przekrój przez urz¹dzenie pokazuje rysunek 4. Zastosowanie cieplnego reaktora prze-
p³ywowo-rewersyjnego pozwala efektywnie wykorzystaæ metan z powietrza wentylacyj-
nego do produkcji ciep³a, energii elektrycznej i ch³odu. Instalacja oparta na takimurz¹dzeniu
pozwala uzyskaæ ze strumienia 800 000 m
3
/h powietrza wentylacyjnego o stê¿eniu metanu
Rys. 3. Schemat cieplnego reaktora przep³ywowo-rewersyjnego TFRR
(Assessment of the Worldwide Market…)
Fig. 3. Schematic of a TFRR (Assessment of the Worldwide Market…)
73
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl