Katowicki Holding Węglowy S.A.

Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej

W maju 2010 roku Konsorcjum Naukowo-Przemysłowe „Zgazowanie węgla” rozpoczęło realizację Projektu o nazwie: „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”. Projekt ten stanowi jedno z zadań badawczych Strategicznego Programu Badań Naukowych i Prac Rozwojowych pt.: „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii” finansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.

W skład konsorcjum realizującego Projekt wchodzą:−Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie (li der konsorcjum),− Główny Instytut Górnictwa w Katowicach,−Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu,−Politechnika Śląska w Gliwicach,−Katowicki Holding Węglowy S.A.,−Tauron Polska Energia S.A.,−Tauron Wytwarzanie S.A.,−Południowy Koncern Węglowy S.A.,−ZAK S.A.−KGHM Polska Miedź SA.

Pilotowa instalacja zabudowana została wspólnymi siłami Głównego Instytutu Górnictwa i Katowickiego Holdingu Węglowego S.A. na terenie kopalni „Wieczorek".

Dobór lokalizacji parceli dla eksperymentalnej eksploatacji z zastosowaniem procesu podziemnego zgazowania węgla dokonany został w oparciu o uwzględnienie następujących czynników:

• usytuowanie wyrobiska udostępniającego georeaktor podziemnego zgazowania węgla co pozwoli na:- ograniczenie zasięgu strefy zagrożenia,- skierowanie uwolnionych produktów gazu procesowego ze zgazowania węgla wyrobiskami w kierunku szybu wydechowego, z pominięciem innych rejonów wentylacyjnych, - zachowanie stabilności przewietrzania wyrobisk wentylacyjnie związanych z georeaktorem,- ograniczenie ilości załogi zatrudnionej w wyrobiskach na drodze odprowadzania powietrza z rejonu georeaktora wraz z wyeliminowaniem przebywania załogi w wyrobiskach z rurociągiem odprowadzającym produkty zgazowania,- ograniczenie miejsc potencjalnej inicjacji wybuchu mieszaniny powietrzno-gazowej, między innymi z uwagi na ograniczony zakres stosowania urządzeń (wentylator i pompa pneumatyczna – dopuszczone do pracy w atmosferze wybuchowej) oraz wyeliminowanie sieci elektrycznej ze strefy potencjalnie zagrożonej,

• usytuowanie wyrobisk udostępniających georeaktor podziemnego zgazowania węgla w górotworze nienaruszonym, poza zasięgiem wpływów robót górniczych prowadzonych w okresie wcześniejszym oraz poza zasięgiem stwierdzonych zaburzeń geologicznych,

• udostępnienie georeaktora podziemnego zgazowania węgla z wyrobisk, które mogą zostać wyłączone z sieci wentylacyjnej zakładu, w sposób nie powodujący utraty zdolności produkcyjnych zakładu górniczego,

• lokalizacja wyrobisk stanowiących bezpośrednie otoczenie georeaktora w sposób pozwalający na wykorzystanie instalacji podsadzki hydraulicznej

• usytuowanie georeaktora podziemnego zgazowania węgla w rejonie objętym granicami zagrożeń o możliwie najniższych wyznacznikach (stopnie, kategorie)

Charakterystyka pokładu 501 (georeaktor)• miąższość pokładu ok. 5m• nachylenie pokładu ok. 50

• planowana objętość węgla do zgazowania ok. 950m3

Charakterystyka zagrożeń naturalnych pokł. 501• metanowe II kategoria zagrożenia

metanowego• tąpaniami III stopień zagrożenia tąpaniami• wodne I stopień zagrożenia wodnego• wybuchem pyłu węglowego klasa B zagrożenia• skłonność węgla do samozapalenia III grupa samozapalności• radiacyjne nie występuje• wyrzutami gazów i skał nie występuje

rurociąg do podawania sprężonego powietrza i tlenu lub gazu inertnego

rurociąg odprowadzający produkty zgazowania

Schemat wentylacyjny z uwzględnieniem rurociągów niezbędnych

dla przeprowadzenia procesu zgazowania węgla.

Udostępnienie georeaktora nastąpiło w oparciu o kamienne wyrobisko korytarzowe – chodnik badawczy wydrążony nad pokładem 501. Z chodnika badawczego zostały odwiercone otwory w kształcie litery „V”, o kierunku nachylenia po upadzie, co powinno zapewnić szczelność georeaktora względem wyrobiska udostępniającego. Otwory przechodziły przez skały płonne zalegające pomiędzy wyrobiskiem badawczym, a pokładem 501:

– otwór o średnicy Ø300 mm i długości 45,5 m (23 m w skale płonnej) – do odbioru produktów zgazowania,– otwór o średnicy Ø200 mm i długości 53 m (29 m w skale płonnej) – do podawania powietrza, tlenu oraz gazu inertnego dla zakończenia lub przerwania procesu – otwór z którego zainicjowany zostanie proces,– otwór o średnicy Ø95 mm i długości 38 m (36 m w skale płonnej) – będzie służył jako otwór kontrolny, z którego istnieje możliwość dodatkowego podawania gazu inertnego.

otwór kontrolny

otwór technologiczny doprowadzający

media do georeaktora

otwór technologiczny odprowadzający produkty gazowe

z georeaktora

140m

28m

22m

1650m do #Giszowiec

Przekrój wzdłuż chodnika badawczego

Docelowe wypełnienie wodą odcinka chodnika badawczego

w okresie pracy georeaktora

Izolacja ociosów i stropu wyrobiska za pomocą spoiwa

mineralnego (torkret)

~2,5m

Ø300Ø200TB

Schemat wentylacyjny przedstawiający zabezpieczenie rejonu georeaktora.

TR TB

lutnia przepustu

TR TRspoiwo

szybkowiążące otwarte przepusty lutniowe

Schemat wentylacyjny z uwzględnieniem zabezpieczeń rejonu georeaktora.

Sposoby zabezpieczenia przed zagrożeniami

•Zagrożenie metanowe: - monitoring atmosfery kopalnianej w rejonie georeaktora za pomocą czujników metanometrii automatycznej,

- kontrola stabilności przewietrzania rejonu za pomocą anemometrów, czujników ciśnienia i różnicy ciśnień na tamach wentylacyjnych,

- wyłączenie z sieci urządzeń elektrycznych w wyrobiskach z zabudowanym rurociągiem odprowadzającym gaz procesowy ze zgazowania węgla,

- utrzymywanie układu wentylacji odrębnej do przewietrzania chodnika badawczego oraz rezerwowego układu wentylacji do przewietrzania rząpia szybu „Wschodni” w skład którego będzie wchodził wentylator pneumatyczny spełniający zgodnie z dyrektywą ATEX wymogi urządzeń ustalonych dla grupy I i kategorii M1 oraz zastosowanie pompy pneumatycznej w rząpiu szybu „Wschodni” spełniającej ww. wymogi.

• Zagrożenie pożarowe: - monitoring atmosfery kopalnianej w rejonie georeaktora za pomocą czujników CO

i H2,- kontrola parametrów gazu procesowego w rurociągu odprowadzającym produkty

zgazowania - zabudowa w poszczególnych wyrobiskach tam bezpieczeństwa o konstrukcji

przeciwwybuchowej umożliwiających szybką izolację rejonu, - zabudowa rurociągu podstawowego i rezerwowego dla podawania gazu inertnego

do georeaktora w celu jego wygaszenia, - wykonanie korka wodnego w chodniku badawczym w celu niedopuszczenia do

przedostania się produktów gazowych z georeaktora do atmosfery kopalnianej w przypadku jego rozszczelnienia,

- izolacja rurociągu odprowadzającego gaz procesowy w celu niedopuszczenia do powstania zagrożenia pożarowego skał otaczających (węgla w pokł. 418 i 501),

- kontrola możliwości migracji gazów w górotworze węglowym w sąsiedztwie georeaktora podziemnego zgazowania węgla za pomocą otworów kontrolnych wokół georeaktora,

- kontrola składu atmosfery kopalnianej na wyznaczonych przez Kierownika Działu Wentylacji stacjach pomiarowych w obiegowych prądach powietrza oraz otworach kontrolnych dla metody wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych,

- utrzymywanie różnicy potencjałów aerodynamicznych między wyrobiskami stanowiącymi bezpośrednie otoczenie rejonu georeaktora oraz przestrzenią georeaktora, w sposób uniemożliwiający tendencję migracji produktów reakcji zgazowania węgla w georeaktorze do wyrobisk sieci wentylacyjnej,

- utrzymywanie w wyrobiskach stanowiących otoczenie georeaktora rurociągu przeciwpożarowego, podsadzkowego oraz do podawania gazów inertnych,

• Zagrożenie wybuchem pyłu węglowego

- zabudowa zapór przeciwwybuchowych w wyrobiskach wokół georeaktora,

- utrzymywanie stref zabezpieczających przed przeniesieniem się wybuchu pyłu węglowego na długości, co najmniej 200 m w każdym kierunku od miejsca możliwego zapoczątkowania wybuchu pyłu węglowego jakim jest georeaktor oraz rurociąg odprowadzający produkty zgazowania węgla

- kontrola stanu i skuteczności stosowania środków ochrony przed niebezpieczeństwem wybuchu pyłu węglowego

• Zagrożenie tąpaniami − proces zgazowania będzie objęty obserwacjami sejsmologicznymi

i sejsmoakustycznymi− odległość koordynacyjna pomiędzy prowadzonymi robotami górniczymi,

a procesem zgazowania wynosić będzie min. 200m − przeprowadzono badania geofizyczne w rejonie parceli pokładu 501 wybranej do

przeprowadzenia procesu zgazowania – w wyniku przeprowadzonych pomiarów stwierdzono że naprężenia kształtują się na poziomie naprężeń naturalnych, a lokalne strefy koncentracji naprężeń nie powodują zagrożenia tąpaniami

− po zakończeniu procesu zgazowania zostaną przeprowadzone kolejne badania geofizyczne dla porównania stanu naprężeń w górotworze przed i po procesie zagazowania

− kopalnia posiada decyzję Prezesa WUG zezwalającą na eksploatację parceli pokładu 501 zaliczonego do III stopnia zagrożenia tąpaniami systemem innym niż ścianowy, tzn. za pomocą podziemnego zgazowania

Pozostały zakres zabezpieczeń organizacyjnych• wyznaczenie strefy zagrożenia uwzględniającej możliwość odwrócenia się

kierunku przewietrzania• wprowadzenie zakazu przebywania załogi w wyrobiskach z zabudowanym

rurociągiem odprowadzającym produkty zgazowania – wejście za zgodą KRZG na zasadach akcji ratowniczej. W tym celu w poszczególnych miejscach zabudowane zostaną tamy ażurowe w sposób uniemożliwiający ruch załogi

• wprowadzenie obowiązku monitorowania ilości osób przebywających w wyrobiskach objętych potencjalną strefą zagrożenia – max. ilość osób przebywających w przedmiotowej strefie - 6 (np. zastęp + osoba dozoru)

• wyposażenie dodatkowo wyznaczonych miejsc w środki łączności w formie sygnalizatorów alarmowych – w miejscach zabudowy tam ażurowych

• izolacja termiczna rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania w celu wyeliminowania powstawania znacznych ilości substancji smolistych w przedmiotowym rurociągu

• odbieranie powstałych w procesie produktów smolistych bezpośrednio do szczelnych separatorów, a następnie wydanie ich na powierzchnię i przekazanie do ZK „Przyjaźń”

• zapewnienie niezależnego monitoringu procesu zgazowania węgla poprzez stworzenie dodatkowego stanowiska dyspozytorskiego

Stany awaryjneProces zgazowania węgla zostanie niezwłocznie przerwany w przypadku:

• stwierdzenie podwyższonych stężeń gazów na czujnikach zabudowanych na dole kopalni w rejonie georeaktora,

• stwierdzenie nieszczelności na rurociągu odprowadzającym produkty zgazowania,• stwierdzenie podwyższonych stężeń gazów pożarowych w otworach kontrolnych

wokół georeaktora,• stwierdzenie stężenia tlenu w rurociągu odprowadzającym gaz procesowy powyżej

4%,• przerwanie ciągłości rurociągu podsadzkowego w szybie „Wschodni”,• zatrzymanie pracy wentylatora głównego przy szybie „Wschodni” lub „Giszowiec”,• brak możliwości podawania podsadzki hydraulicznej bądź gazów inertnych,• brak zapewnienia chłodzenia rurociągu odprowadzającego produkty zgazowania i

jednocześnie wzrost temperatury gazów procesowych,• spadek prędkości powietrza stwierdzony na anemometrach zabudowanych w

przekopie wentylacyjnym poz. 400m do pokładu 510, • awaria układu wentylacji odrębnej przewietrzającej chodnik badawczy,• awaria wentylatora ssawnego zabudowanego na instalacji odprowadzającej gaz

procesowy,• brak odprowadzenia produktów zgazowania w skutek zatkania rurociągu,• wzrost ciśnienia w georeaktorze,• przedostanie się wody w sposób niekontrolowany do georeaktora.

Przebieg eksperymentu

•Program próby na 24 godz. ustala Kierownika Próby na codziennej odprawie na zmianie „A”, który obejmuje harmonogram pomiarów i pobór próbek.•Kontrola przebiegu procesu prowadzona jest w oparciu o wyniki analiz składu chemicznego gazu oraz o wskazanie czujników układu monitoringu technologicznego i w wyrobiskach•Regulacja procesu prowadzona jest poprzez zmiany prędkości dopływu czynników zgazowujących (tlenu i powietrza) •Instalacja ma charakter doświadczalny i jest prototypem – w związku z tym nie określa się na tym etapie ilościowych wskaźników nadawy tlenu i powietrza, które są wymagane dla uzyskania zamierzonych wyników•Decyzje o istotnych zmianach parametrów nadawy czynników zgazowujących podejmuje Kierownikiem Projektu po uzyskaniu akceptacji Kierownika Ruchu Zakładu Górniczego•Bieżący nadzór nad warunkami bezpieczeństwa przebiegu próby w części podziemnej kopalni prowadzi niezależny Dyspozytor nadzorujący proces zgazowania, który w sytuacjach zagrażających bezpieczeństwu kopalni lub ludzi, powiadamia Z-ca KRZG na danej zmianie, który może podjąć decyzję o zatrzymaniu próby

Wstępne założenia technologiczne podziemnego zgazowania oraz składu gazów:

• Prędkość zgazownia – 600 kg/godz.

• Ilość planowanego do zgazowania węgla – ok. 1200 Mg

• Ilość uzyskiwanego gazu – 1680 m3/godz. (28 m3/min.)

• Średni skład gazu:

- N2 – 53%

- CO2 – 16%

- CO – 12%

- CH4 – 3%

- H2 – 15%

- O2 – 1%

- wartość opałowa – 4,5 MJ/Nm3 (± 20%)

Instalacja powierzchniowa dla przeprowadzenia procesu zgazowania węgla

Z uwagi na specyficzny charakter przedmiotowych prac określono podział kompetencji między osobami ścisłego kierownictwa.Kierownik Ruchu Zakładu Górniczego (KWK „Wieczorek”) decyduje o względach bezpieczeństwa ludzi i kopalni oraz zgodności prowadzonych działań z przepisami górniczymi i procedurami stosowanymi w kopalni. Decyzje dotyczące prowadzenia procesu podziemnego zgazowania węgla podejmuje po uwzględnieniu stanowiska Kierownika Projektu, który sprawuje nadzór autorski nad procesem.Nadzór autorski nad procesem podziemnego zgazowania węgla sprawuje Kierownik Projektu (GIG), który decyduje w sprawach technologicznych, któremu podlegają: – Kierownik Próby (GIG), prowadzący bieżący nadzór nad przebiegiem próby, zwłaszcza w zakresie zabezpieczenia technicznego (dostawy mediów, kontrola stanu urządzeń i sieci rurociągów, działanie w sytuacjach awaryjnych) i ustalający program działań na bieżącą dobę z Kierownikiem Projektu, – Kierownik Zmiany (GIG), nadzorujący pracę obsługi – na bieżąco konsultuje wszelkie sprawy związane z bezpieczeństwem, parametrami technologicznymi i stanem technologicznym instalacji z osobą odpowiedzialną z kierownictwa próby (Kierownik Projektu, Kierownik Próby).

Wycinkowy schemat organizacyjny KHW S.A. KWK „Wieczorek” obowiązujący w okresie prowadzenia procesu PZW, uwzględniający udział przedstawicieli GIG

KHW S.A.KWK "Wieczorek"

Służby Działu Wentylacjizatrudnione w rwjonie PZW

Kierownik RuchuZakładu Górniczego

GIG

Kierownik Projektu

Obsługa urządzeńprocesu PZW

Dyspozytor RuchuZakładu Górniczego

Kierownik PróbyZ-ca Kierownika RuchuZakładu Górniczego

– Pełnomocnik ds. PZW

Kierownik Zmiany

Dyspozytor metanometriinadzorujący PZW

Dziękujemy za uwagę

KATOWICKI HOLDING WĘGLOWY S.A.