Nr 11-12 (137-138) Listopad - Grudzień 2006 r.

TECHNOLOGIE PRZYSZŁOŚCI
ROPA Z WĘGLA

Zasoby, wydobycie i eksport węgla kamiennego lokują Polskę w czołówce krajów w świecie pod względem tych wskaźników. Węgiel kamienny i brunatny posiada w Polsce ponad 60 % udziału w zużyciu pierwotnych nośników energii. Energia elektryczna jest produkowana w ponad 90 % z węgla i brak jest przesłanek dla diametralnej zmiany tej sytuacji w przyszłości objętej prognozami i przewidywaniami.

- Ostatnia katastrofa w kopalni „Halemba”, po raz kolejny uzmysłowiła nam wszystkim jaką cenę płaci człowiek i społeczeństwo za wydobywanie węgla ze złóż położonych coraz głębiej, i w gorszych uwarunkowaniach związanych z bezpieczeństwem prowadzenia prac górniczych – unaocznia problem Jerzy Świądrowski, kierownik Laboratorium Przetwórstwa Węgla Zakładu Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza Głównego Instytutu Górnictwa -. Przecież im niżej schodzi się z eksploatacją, tym bardziej górnicy narażeni są na występowanie skojarzonych zagrożeń naturalnych. Są to zagrożenia wybuchem metanu, pyłu węglowego, tąpaniami, pożarowe czy wodne. Coraz bardziej staje się oczywiste, że wykorzystanie węgla winno uwzględniać obok aspektów ekonomicznych również aspekty ochrony środowiska, a przede wszystkim ochrony zdrowia i życia ludzi. Nowoczesne technologie, pozwalające na wykorzystanie energii zawartej w węglu „in situ”, jak również pozwalające na wykorzystanie energii chemicznej węgla z wyższą sprawnością. Dają potencjalne możliwości zmniejszenia wydobycia węgla na powierzchnię z utrzymaniem dostarczania ilości energii niezbędnej dla zamknięcia bilansu energetycznego. 
W kontekście tych problemów, istotne znaczenie mają 

dwie grupy technologii: 

• bezpośrednie uwodornienie węgla, (DCTL), które według aktualnych danych pozwala uzyskać ciekłe produkty (substytut ropy naftowej) ze sprawnością powyżej 65 %, 
• podziemne zgazowanie węgla (UCG), które umożliwia produkcję gazu syntezowego składającego się głównie z wodoru i tlenku węgla bezpośrednio w złożu węgla. 

Główny Instytut Górnictwa od wielu lat, z różnym natężeniem zaangażowany jest w badania nad obydwoma przedstawionymi kierunkami wykorzystania węgla. 

Jego doświadczenia w zakresie uwodornienia węgla niepodważalne. Sięgając do źródeł, należy podkreślić, że technologie otrzymywania z węgla paliw ciekłych są znane od dawna. 

W czasie II wojny światowej 

produkowano je w Niemczech z węgla brunatnego, kamiennego i smół węglowych według technologii Bergiusa, a udoskonalonej przez IG – Farbenindustrie, około 4 mln ton paliw ciekłych rocznie. Według metody Fischera – Tropscha opartej na zgazowaniu węgla i syntezie węglowodorów produkowano natomiast około 750 tys. ton paliw i produktów chemicznych na rok. 

Po wojnie, w związku z ustaniem motywacji politycznych, zaprzestano wytwarzania paliw płynnych tymi metodami ze względów ekonomicznych. Nie przerwano jednak na świecie badań, prowadzonych z mniejszym lub większym nasileniem nad opracowaniem nowych, udoskonalonych i ekonomicznie uzasadnionych technologii. 

W Polsce, w Głównym Instytucie Górnictwa badania nad upłynnieniem węgla podjęte zostały w roku 1967 i trwały do 1991. Wówczas to z inicjatywy GIG – powstał ośrodek naukowo – badawczy na terenie szybów „Powstańców” kopalni „Bolesław Śmiały” w Wyrach. Stworzono tam całą infrastrukturę laboratoryjną. W tej instalacji, pracującej w sposób ciągły, przerabiano 2 tony węgla na dobę. Właśnie Jerzy Świądrowski ( absolwent Politechniki Śląskiej w Gliwicach), od początku brał udział w budowie tej na wskroś nowoczesnej inwestycji. Zajmował się nie tylko samymi badaniami w tym zakresie, opracowywaniem założeń technicznych instalacji, ale nadzorował jej budowę i od samego początku kierował pięćdziesięcioosobowym zespołem pracowników. Zaś jako odpowiedzialny „kapitan” ostatni gasił światło, kiedy zrezygnowano z tego przedsięwzięcia i zdecydowano o demontażu instalacji. 

Dzisiaj Jerzy Świądrowski podkreśla, że potrzebę opracowania technologii upłynniania węgla motywowano, podobnie jak w innych krajach, wyczerpywaniem się światowych zasobów ropy naftowej, brakiem własnych zasobów, wzrostem cen ropy, z drugiej zaś strony bogatymi zasobami węgla. Jako perspektywiczną bazę surowcową dla przetwórstwa chemicznego wytypowano w drugiej połowie lat siedemdziesiątych, rejon nadwiślański, w którym występują węgle energetyczne o zawartości popiołu około 20 % i siarki powyżej 1.5 %. 

Za węglem z rejonu nadwiślańskiego w ówczesnych latach obok przesłanek techniczno – technologicznych przemawiały następujące względy: 

• Polska posiada znaczne zasoby węgla kamiennego o niskim stopniu uwęglenia (kilka mld ton). Zapewnia to możliwość odpowiednio wysokiego wydobycia przez długi okres, 
• koszty własne wydobycia węgli z rejonu nadwiślańskiego należą do najniższych w kraju ze względu na występowanie pokładów o korzystnych warunkach górniczo – geologicznych, 
• duża zawartość wilgoci, popiołu i siarki obniżają przydatność jego zastosowania jako surowca do bezpośredniego spalania w elektrowniach, 
• badania i próba aplikacyjna wykazała przydatność frakcji poniżej 30 mm do zgazowania metodą Koppers – Totzek. Stwarza to możliwość uzyskania gazu wodoronośnego do procesu upłynniania z procesu zagazowania, opartego o ten sam surowiec. 

Wykorzystanie tych węgli, które nie powinny być bezpośrednio spalane, do chemicznej przeróbki np. uwodornienia, byłoby ich racjonalnym zużytkowaniem, zabezpieczającym zarazem ochronę środowiska naturalnego. 

Badania nad bezpośrednim uwodornieniem węgla do paliw płynnych prowadzono od autoklawu, poprzez ciągłe instalacje laboratoryjne i wielkolaboratoryjną o przerobie 2000 kg węgla / dobę. 

Na bazie wyników tych badań uzyskano podstawowe dane wyjściowe do opracowania w 1991 roku projektu instalacji pilotowej o przerobie 200 ton węgla / dobę. W warunkach procesu prowadzonego pod ciśnieniem 20 MPa i w temperaturze 440 – 4500 C, bez stosowania katalizatora zewnętrznego uzyskano w przeliczeniu na substancję organiczną węgla: 

• wydajność produktu ciekłego 47 – 51 % 
• wydajność produktów gazowych 7 – 10 % 
• wydajność wody procesowej 9 – 10 % 

Zużycie wodoru wynosiło 5 – 5,3 % 

Opracowany w wyniku badań wariant bezpośredniego uwodornienia węgla charakteryzuje się stosunkowo wysokim uzyskiem produktów ciekłych, brakiem konieczności stosowania katalizatorów zewnętrznych. Rolę katalizatora spełniają nieorganiczne związki siarki – piryty w które bogata jest substancja nieorganiczna węgla z rejonu nadwiślańskiego. 

Ważne jest pominięcie w schemacie technologicznym operacji mechanicznej separacji i zastąpienie jej separacją termiczną (destylacja próżniowa). Pozwala to na łatwe powiększanie skali instalacji. W oparciu o dane literaturowe i wyniki prowadzonych analiz techniczno – ekonomicznych w końcu lat osiemdziesiątych szacowano, że produkcja wodoru może stanowić do 40 % kosztów wytwarzania ciekłych produktów z węgla. 

W procesie bezpośrednim produkty gazowe zawierające wodór powstają w trakcie uwodornienia i karbonizacji pozostałości z destylacji próżniowej. 

Analiza bilansu procesu 

bezpośredniego uwodornienia węgla wykonana na podstawie wyników badań w instalacji wielkolaboratoryjnej, wykazała możliwość uzyskania około 42 % potrzebnego gazu wodorowego drogą oczyszczania od składników kwaśnych i rozdziału metodą niskotemperaturowego rozfrakcjonowania z kaskadowym systemem schładzania gazów procesowych zawierających 75 % objętości wodoru. Gaz pozostały po wydzieleniu zasadniczej części wodoru może zostać wykorzystany jako gaz opałowy. 

Zmiany gospodarcze w Polsce, zmiany finansowania nauki z początkiem lat dziewięćdziesiątych spowodowały całkowite zaniechanie prac w Instytucie w zakresie badań upłynniania węgla. Niemniej inne relacje cen nośników energii na rynkach światowych i rosnąca waga problemów ekologicznych powodują okresowo powrót zainteresowania tą problematyką. Oprócz doświadczeń związanych uwodornieniem węgla, Główny Instytut Górnictwa ma swój poważny udział w zakresie podziemnego zgazowania węgla, którego technologia znana jest od wielu lat. Gaz opałowy był uzyskiwany tą metodą już przed II wojna światową i bezpośrednio po niej m.in. na terenach byłego Związku Radzieckiego (dzisiejsza Rosja, Kazachstan, Ukraina). 

Zasada technologii jest prosta i polega na doprowadzeniu do złoża węgla jednym otworem czynnika zgazowującego, który stanowi powietrze, tlen, para wodna lub ich mieszanina i odbiór drugim otworem produktów gazowych zawierających wodór, tlenek węgla, metan. Podstawowym problemem jest kontrola procesu przebiegającego bez bezpośredniego udziału człowieka pod ziemią, w celu zapobieżenia np. powstaniu pożaru i zanieczyszczenia środowiska (wód podziemnych, powietrza). Podjęte w latach 50 i 60 ubiegłego wieku prace w Głównym Instytucie Górnictwa w zakresie UCG doprowadzone zostały do skali badań wielkolaboratoryjnych w generatorze zlokalizowanym na upadowej nieistniejącej już kopalni węgla kamiennego „Mars” w Sosnowcu. Uzyskano wówczas podstawowe dane o przydatności eksploatowanego węgla do tego procesu, oraz informacje niezbędne do konstrukcji generatora przemysłowego. 

Podobnie jak w przypadku uwodornienia węgla, względy polityczno-ekonomiczne na początku lat 70 zdecydowały o zaprzestaniu dalszych badań w tym zakresie. 

Aktualne prace GIG w zakresie przetwórstwa węgla wracają „do źródeł” i odpowiadają na zapotrzebowanie współczesnej gospodarki światowej i jej przyszłości. 

- Kolejny, wyraźny wzrost zainteresowania w świecie węglem, jako potencjalnym źródłem wartościowych nośników energii (takimi jak paliwa ciekłe, gazowe, wodór), spowodował podjęcie decyzji o rozwinięciu „uśpionych” przez wiele lat badań w tym zakresie w Głównym Instytucie Górnictwa – podkreśla Jerzy Świądrowski - W ramach działań związanych z uwodornieniem węgla podjęto prace na stworzeniem podstaw dla przeprowadzenia studium wykonalności budowy instalacji produkcji paliw płynnych z uwzględnieniem wyników uzyskanych w badaniach w przeszłości i aktualnych tendencji w świecie. Zagadnieniem tym zainteresowani są zarówno producenci węgla tacy jak, Kompania Węgla S.A., Katowicki Holding Węglowy S.A. jak również PKN Orlen. Jednym z priorytetowych kierunków przetwórstwa węgla jest uzyskiwanie wodoru – coraz powszechniej uważanego za przyszłościowy nośnik energii Główny Instytut Górnictwa uczestniczy w szeregu projektach w 6 Programie Ramowym UE w zakresie gospodarki wodorowej (Hygas). W ostatnim czasie Instytut wystąpił do Funduszu Badawczego dla Węgla i Stali (RFCS) z propozycja realizacji projektu uzyskiwania wodoru poprzez podziemne zgazowanie węgla z równoczesną sekwestracją CO2. Projekt HUGE – Hydrogen Orientem Underground Coal Gasification in Europe zyskał wysokie oceny i czeka na zatwierdzenie finansowania. 

Z wykorzystaniem węgla, nie w sposób bezpośredni, można również powiązać technologie wydobywania i wykorzystania metanu towarzyszącemu jego pokładom. 

Wydobycie metanu 

ma nie tylko aspekt ekonomiczny lecz również związany z bezpieczeństwem i ochroną środowiska naturalnego. Jedną z technologii, która uwzględnia obecne uwarunkowania ekonomiczne i środowiskowe jest CO2_ECBM (CO2-enhance coal bed methane production). Polega ona na zatłaczaniu dwutlenku węgla do metanonośnych pokładów węglowych. Zaletą metody jest możliwość trwałego składowania dwutlenku węgla (sekwestracja) z równoczesnym podwyższeniem uzysku metanu. Główny Instytut Górnictwa w ramach projektu finansowanego w 5 Ramowym Programie UE (Recopol) prowadził doświadczenia nad takim procesem na stanowisku zlokalizowanym w Kaniowie na obszarze górniczym KWK Silesia. 

Chociaż w obecnym stanie technologia CO2-ECBM realizowana jest w przypadku złóż węgla, które nie są eksploatowane i nie są przewidziane do eksploatacji, to trudno wykluczyć, czy dalszy postęp nie umożliwi do jej rozpowszechnienia na złoża np. przewidziane do eksploatacji. Podstawowe pytanie na które należy odpowiedzieć, a które jest związane ze wspomnianym na wstępie bezpieczeństwem pracy górników, to porównanie wpływu metanu i dwutlenku węgla na warunki panujące w wyrobisku kopalnianym. 

Proponowane 
technologie przyszłości 

przeróbki węgla są jedną z alternatyw dywersyfikacji energii i zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego naszego kraju. Spełniają także (a może przede wszystkim, w świetle twardych unijnych norm) jakże ważne dla ochrony środowiska naturalnego zadania proekologiczne. Spalane będą wówczas czyste paliwa, które są znacznie mniej emisyjne niż tradycyjny węgiel. Zaś w podziemnym zgazowaniu otrzyma się gaz, czyli również paliwo niskoemisyjne. Przy uwodornieniu węgla (czyli uzyskaniu tzw. ”ropy węglowej”), otrzymuje się paliwa niskosiarkowe. Natomiast, mając na uwadze aktualne tendencje ekologiczne związane z efektem cieplarnianym, należy zwrócić uwagę na aspekt podstawowy. Przy przetwórstwie węgla na paliwa ciekłe lub gazowe można stosunkowo łatwo usunąć część dwutlenku węgla, który nie trafi do atmosfery. A tym samym, w możliwie jak największym stopniu zniwelować szkodliwość tzw.” efektu cieplarnianego”.

Oprac. Mira Borkiewicz Kolumna dofinansowana ze środków Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach