Eksperymentalne zgazowanie węgla

Opracowaniu technologii podziemnego zgazowywania węgla w złożu służą eksperymenty prowadzone przez naukowców z Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach (GIG) w Kopalni Doświadczalnej “Barbara” w Mikołowie. Od września 2007 r. GIG realizuje z 10 innymi partnerami trzyletni projekt badawczy podziemnego zgazowania węgla, ukierunkowany na pozyskanie wodoru – HUGE (Hydrogen Oriented Underground Coal Gasification for Europe). W ramach projektu w Mikołowie powstał naziemny reaktor, który zaprezentowano dziennikarzom.

Działania naukowców wpisują się w perspektywę, w której w przyszłości węgiel nie będzie wydobywany na powierzchnię, lecz otrzymywanie z niego energii i ciepła odbywać się będzie pod ziemią – w drodze tzw. zgazowania. W procesie tym z węgla powstaje gaz do produkcji prądu lub syntezy innych paliw płynnych, z gazu można też otrzymać czysty wodór.

Działający od listopada ub. roku mikołowski reaktor – symulujący warunki zalegania złoża pod ziemią – wykonano z ogniotrwałego betonu. To prostopadłościan o długości ok. 5 m, szerokości ok. 3 m i wysokości niespełna 2 m. Ostatnio uruchomiono go w środę w południe, o 15 po raz pierwszy został podany czynnik zgazowujący, czyli para. Czas tego eksperymentu zaplanowano na tydzień.

Wewnątrz reaktora umieszczono ważący ok. tony lity pokład węgla z kopalni “Piast” – o długości 2,5 m, a wysokości i szerokości ok. 80 cm. Do czoła urządzenia podłączono w jednym miejscu przewody doprowadzające tlen, parę lub – w razie konieczności gaszenia wkładu – azot. Z tyłu reaktora inny przewód odprowadza wytwarzany gaz.

W reaktorze – prócz zgazowania – przebiega m.in. proces spalania. W podwyższonej dzięki działaniu tlenu temperaturze węgiel reaguje tam z tzw. czynnikiem zgazowującym, w tym wypadku czystą parą. Produktem końcowym jest m.in. gaz, którego głównymi składnikami są – prócz sięgającego 60 proc. wodoru – tlenek węgla oraz metan.

Reaktor rozpoczął w środę pracę cykliczną – podczas trwającej ok. 10 min fazy podawania tlenu (ok. 5 m sześc. na minutę) temperatura wewnątrz dochodzi do ok. 1100 stopni Celsjusza. Później, przy podawaniu pary, temperatura spada do ok. 500 stopni. Ciśnienie w reaktorze cały czas nieznacznie przewyższa ciśnienie atmosferyczne.

Wychodzące z reaktora gazy – z tym większą zawartością wodoru im wyższa temperatura złoża – są zanieczyszczone. W separatorach oddzielana jest nieprzereagowana para i cząstki stałe m.in. smoły. Dalej gazy trafiają m.in. do linii chromatograficznej, badającej co 15 minut ich skład. Potem są uwalniane – do atmosfery. Cały reaktor obłożono instrumentami pomiarowymi – m.in. 25 termoparami umieszczonymi co 15 cm. Eksperymenty na razie prowadzone są na powierzchni, ze względu na ograniczone możliwości prowadzenia pod ziemią dokładnych pomiarów – m.in. parametrów termodynamicznych zachodzącego procesu.

Reaktor, prócz pracy cyklicznej, może również pracować w sposób ciągły – gdy para wodna i tlen podawane są jednocześnie. Ta metoda, mimo że również dostarcza dużo wodoru, skutkuje równoczesnym powstawaniem znacznych ilości niepożądanego dwutlenku węgla. Jeden eksperyment trwa kilka tygodni – samo wygaszanie reaktora zajmuje ok. 20 dni.

Wyniki uzyskane na powierzchni pozwolą na prawidłowe zaprojektowanie eksperymentów pod ziemią – w skali rzeczywistej. Zaplanowano je na jesień tego roku. Zostaną poprzedzone jeszcze czterema próbami w reaktorze na powierzchni. Prócz węgla z kopalni “Piast”, wykorzystane będą bloki o tych samych wymiarach z kopalni “Bielszowice” oraz jednej z kopalń węgla brunatnego należącego do koncernu BOT.

Eksperymentalne zgazowanie węgla pod ziemią będzie prowadzone również na terenie “Barbary”. Kopalnia dysponuje własnymi pokładami na poziomie 30 metrów – o miąższości, czyli grubości ok. 2 metrów. Wyznaczono tam pole długości 16 metrów, gdzie odbędą się prawdopodobnie dwa eksperymenty.

Podziemny reaktor nie będzie wkładanym pod ziemię urządzeniem – lecz fragmentem złoża, w którym będzie prowadzone zgazowanie. Najpierw złoże będzie pod ziemią rozpalane – a następnie doprowadzany będzie czynnik zgazowujący. Docelowo w złożach będzie można zakładać takie reaktory obok siebie, by maksymalnie wykorzystać istniejące pokłady. Reakcje pod ziemią odbywały się będą – podobnie jak na powierzchni – w warunkach lekkiego nadciśnienia. Dużo jednak zależy od szczelności górotworu. Ponieważ eksperymentalny pokład w “Barbarze” znajduje się płytko, mogą wystąpić pewne nieszczelności.

Według naukowców z GIG podczas prowadzenia takich eksperymentów istnieje teoretyczne niebezpieczeństwo związane z pracą z gazami, w których zawartość tlenku węgla dochodzi do 30 proc. Zagrożenie minimalizowane jest jednak dobrym rozpoznaniem geologicznym i hydrogeologicznym, potrzebnym również by nie zanieczyścić np. wód podziemnych.

Z reaktora powierzchniowego naukowcy otrzymują na razie ok. 10-12 m sześc. gazów z wysoką zawartością wodoru w ciągu godziny. Podczas eksperymentów podziemnych, wartość ta będzie 15 do 20 razy większa. Obecnie gazy – po przebadaniu – odprowadzane są do atmosfery. Uzyskiwane spod ziemi – będą spalane w tzw. pochodni.

Badania GIG służą ustaleniu warunków, w których podczas zgazowania produkowana jest maksymalna ilość wodoru. Prócz tego procesu w reaktorze jednocześnie zachodzą też inne – odgazowania czy skoksowania węgla. Naukowcy wskazują jednak, że ewentualne odzyskanie ich rezultatów z wygaszonego złoża będzie niemożliwe- m.in. ze względów bezpieczeństwa.

Według Kapusty, zgazowanie węgla w złożu nie jest na razie uniwersalnym rozwiązaniem, mogącym wyprzeć w najbliższej przyszłości tradycyjne wydobycie węgla. “Ta technologia nastawiona jest raczej na pokłady słabszej jakości, gdzie nie dobralibyśmy się metodami górniczymi, lub bezpieczeństwo robót byłoby niskie” – ocenił ekspert.

Eksperci podkreślają, że na razie ich wyniki są niepełne. Trudno więc mówić o wyciąganiu na tej podstawie wniosków co do opłacalności przemysłowej produkcji wodoru w drodze zgazowania węgla w złożu. Wstępne wyniki wskazują jednak m.in., że uzyskiwany dotychczas podczas eksperymentów gaz najlepiej nadaje się do syntezy chemicznej i produkcji np. paliw płynnych.

Badania nad podziemnym zgazowaniem węgla nie są podejmowane po raz pierwszy. Prace prowadzono już przed drugą wojną światową m.in. w ZSRR. Obecnie taka instalacja działa m.in. w Uzbekistanie – już od lat pięćdziesiątych ub. wieku. Uzyskiwany tam gaz o słabych parametrach wykorzystywany jest w elektrowni.

Innowacyjność projektu HUGE polega na ukierunkowaniu podziemnego zgazowania węgla na produkcję gazu bogatego w wodór. Technologia ta ma być kluczowa dla przyszłości górnictwa węglowego, zaspokajając jednocześnie zapotrzebowanie na energię, surowiec dla przemysłu chemicznego i paliwo dla środków transportu.