Na świecie prowadzone są intensywne prace badawczo-rozwojowe, które doprowadziły do opracowania wielu technologii i urządzeń pozwalających przeprowadzać proces spalania metanu o niskiej jego koncentracji. Wykorzystanie metanu z pokładów węgla jest bardzo istotne z przyczyn gospodarczych, co znalazło odzwierciedlenie w Prawie geologicznym i górniczym, zaliczającym metan z pokładów węgla (MPW) do kopalin podstawowych, oraz z powodów ekologicznych, gdyż emisja między innymi metanu do atmosfery przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego, co znalazło odzwierciedlenie w Protokole z Kioto. Metan w czasie procesu urabiania węgla wydziela się do powietrza w kopalni i ulega rozrzedzeniu, tworząc w wyniku regulacji strumienia powietrza mieszaniny metanowo-powietrzne (MWENT) zawierające od 0,0 do 0,75% metanu (górna granica określona w polskich górniczych przepisach bezpieczeństwa).
Zasoby metanu w mieszaninie z powietrzem
W polskich kopalniach węgla kamiennego metanowość bezwzględna od roku 2001 systematycznie rośnie mimo zmniejszania się liczby kopalń oraz wydobycia. W roku 2001 metanowość bezwzględna wynosiła 743,7 mln m3/rok (1415 m3/min), przy czym wentylacyjnie odprowadzono 529,4 mln m3/rok (1007,2 m3/min), a systemem odmetanowania ujęto 214,3 mln m3/rok (406,8 m3/min).
Natomiast w 2006 r. metanowość bezwzględna wynosiła 871 mln m3/rok (1657,2 m3/min), wentylacyjnie odprowadzono 581 mln m3/rok (1105,4 m3/min), a systemem odmetanowania ujęto 290 mln m3/rok (551,8 m3/min) [1]. Z rysunku 1 wynika, że roczne zasoby metanu w powietrzu wentylacyjnym kopalń węgla kamiennego z roku na rok zwiększają się. Tylko w 50% zasoby te były wykorzystane jako paliwo w instalacjach ciepłowniczo-energetycznych.
Możliwości techniczne wykorzystania metanu w instalacjach ciepłowniczo-energetycznych
Liczne prace badawczo-rozwojowe prowadzone w ostatnich latach doprowadziły do powstania wielu technologii i urządzeń, które umożliwiają wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego jako paliwa. Jednakże najważniejszym problemem jest zapewnienie mieszaniny metanowo-powietrznej o koncentracji metanu co najmniej od 0,5% do 1,0%, aby urządzenia – reaktory spalające metan – mogły pracować efektywnie ekonomicznie. Podstawowe założenia wykorzystania metanu z powietrza wentylacyjnego przedstawia rys. 2.
Najważniejszymi urządzeniami instalacji są:
- urządzenia do pobierania gazów MWENT (powietrze i metan) z szybu wentylacyjnego kopalni,
- urządzenia do transportu MWENT do reaktorów spalających metan,
- reaktory spalające metan z MWENT i wytwarzające spaliny zawierające głównie dwutlenek węgla oraz energię cieplną,
- wymienniki ciepła gaz–woda, umożliwiające wykorzystanie energii cieplnej dla celów energetycznych, np. ogrzewania lub produkcji energii elektrycznej,
- kominy odprowadzające spaliny do atmosfery.
Cieplny reaktor przepływowo-rewersyjny TFRR (VOCSIDIZER)
Vocsidizer został opracowany przez amerykańską firmę Megtec Systems i jest reaktorem, w którym następują cykliczne procesy samozapalenia metanu i wydzielania ciepła do złoża [4]. Schemat urządzenia przedstawia rysunek 3. TFRR składa się ze złoża, wykonanego ze żwiru krzemionkowego lub ceramiki, które pełni rolę wymiennika ciepła z umieszczonymi wewnątrz instalacjami elektrycznymi służącymi do podgrzewania.
Odpowiedni przepływ mieszaniny
MWENT przez złoże zapewniony jest poprzez szereg kanałów i zaworów. TFRR działa na zasadzie regeneracyjnej wymiany ciepła pomiędzy przepływającym gazem a wymiennikiem ciepła i medium. Aby zainicjować proces, elektryczne podgrzewacze umieszczone w wymienniku ciepła są podgrzewane do temperatury umożliwiającej utlenianie się metanu (około 1000°C) lub wyższej.
