Centrum Transferu i Promocji Technologii Sp. z o.o. (CTiPT) zrealizowało projekt, którego celem było opracowanie i przetestowanie nowatorskiej technologii utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń w wyrobiskach dołowych, przy jednoczesnym przetworzeniu energii cieplnej pochodzącej z reakcji utleniania metanu w chłód potrzebny do klimatyzacji rejonów wydobywczych.
CTiPT jest spółką celową tzw. SPV (z ang. Special Purpose Vehicle).
Zobacz film, kliknij w LINK
W projekcie realizowano całkowicie nowe podejście do zagadnienia metanu w kopalniach węgla kamiennego. Instalację do dopalania metanu oparto na koncepcji autotermicznego reaktora modułowego. Reaktor wyposażono w systemy tłoczenia i odpylania powietrza, został sprzężony z układem do konwersji energii. Cały proces optymalizowano, aby w danych warunkach uzyskać maksymalną energię możliwą do przemiany w pracę. Instalację wyposażono w sterowanie automatyczne z wykorzystaniem systemów monitoringu, w tym temperatury, zapylenia, wilgotności powietrza i stężenia metanu.
Jak stwierdził dr inż. Janusz Rosikowski, kierownik B+R projektu VAMPiRE, między innymi istotne było uzyskanie niskiej temperatury obudowy reaktora katalitycznego oraz wysokiego stopnia utylizacji metanu. Badania instalacji pilotażowej na dole kopalni KD Barbara wykazały że reaktor jest dobrze zaprojektowany i zaizolowany. Przy pracy reaktora z udziałem powietrza wentylacyjnego o zawartości 1,2 proc. metanu temperatura obudowy reaktora nie przekracza 38 st. C. Utylizacja metanu dochodzi do 100 proc. i jest tym większa, im większa jest ilość metanu w powietrzu.
Osiągnięcie celów projektu było zapewnione przez dobór odpowiedniej kadry reprezentującej specjalistów z dziedziny inżynierii reaktorów i chemików katalityków, górnictwa, energetyki i automatyki, a także kontakty z przemysłem górniczym.
Nowość rezultatu – nowe cechy projektu
Nowość rezultatu – nowe cechy innowacyjnej technologii wynikają ze zidentyfikowanych problemów technologicznych oraz eksploatacyjnych instalacji, a przyjęto jako miary rezultatu:
* ograniczenie emisji metanu VAM do atmosfery,
* produkcję chłodu z wykorzystaniem energii zawartej w metanie dla celów chłodzenia,
* obniżenie temperatury w klimatyzowanych wyrobiskach,
* wzrost efektywności zatrudnienia w miejscu wydobycia,
* modułowość rozwiązania, gabaryty i wymiary – łatwość zastosowania, transportu.
Zaprojektowano reaktor katalityczny pracujący w jak najniższej temperaturze gazów wylotowych, tj. 240 st. C. Wśród problemów, jakie zostały rozwiązane w projekcie, jest m.in. minimalizacja gabarytów urządzeń, pozwalająca na ich transport pionowy szybami i poziomy w wyrobiskach górniczych oraz łatwość ich zabudowy, eksploatacji. Zbudowano instalację o konstrukcji modułowej, umożliwiającej dobór niezbędnych parametrów dla efektywnej pracy tego urządzenia. Reaktor modułowy, skonstruowany z jednostek o małych gabarytach, ułatwia transport i montaż urządzeń, a ponadto umożliwia dobór wymaganej konfiguracji dla parametrów powietrza wentylacyjnego oraz potrzeb wytwarzania chłodu dla poprawy mikroklimatu.
W każdej z jednostek składających się na budowę reaktora modułowego realizowane są następujące funkcje:
* kaskadowe podgrzanie gazu,
* reakcja katalityczna,
* wymiana ciepła pozwalająca na stosunkowo łatwe sprzężenie z układem przewietrzania i regeneracji energii (PiRE).
Stąd nazwa instalacji do utylizacji powietrza VAM – VAMPiRE.
Koszt i finansowanie realizacji projektu
CTiPT wystąpiło do Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR) o dofinansowanie projektu, a umowa z NCBiR zawierała poziom kosztów kwalifikowanych około 21 mln PLN, przy wsparciu około 15,5 mln PLN oraz udziale własnym spółki około 5,5 mln PLN.
Ochrona praw własności intelektualnej
CTiPT dokonało dwóch zgłoszeń patentowych rozwiązań w zakresie kluczowych podzespołów instalacji (katalizator, konstrukcja reaktora, układ wymiany ciepła, system wentylacji). Ochrona własności przemysłowej w postaci zgłoszenia wynalazku w procedurze międzynarodowej, przy czym właścicielem uzyskanych patentów jest spółka.
Technologia i etapy realizacji projektu
Zastosowana technologia VAMPiRE – oferuje innowacyjną metodę utylizacji metanu ze strumienia VAM. Technologia opiera się na przetwarzaniu i regeneracji energii pochodzącej z katalitycznego spalania metanu. Powstałą energię cieplną można dalej wykorzystać, przekształcając ją w chłód w wodzie lodowej, w układzie adsorpcyjnym umieszczonym tuż za reaktorem. Woda lodowa wykorzystana jest dalej w instalacji klimatyzacyjnej do schładzania powietrza w wyrobiskach eksploatacyjnych. Klimatyzacja powietrza obiegowego w wyrobiskach to istotna poprawa warunków pracy górników.
Sercem systemu jest reaktor katalityczny, który musi spełniać kilka istotnych wymogów, a w tym: 1) małych rozmiarów związanych z koniecznością transportu naczyniami wyciągowymi szybów, 2) wysokiej wydajności w stosunku do metanu, a także 3) dużej mocy ze względu na energetyczne potrzeby układu klimatyzacji. To są podstawowe trzy kryteria optymalizacyjne używane do zaprojektowania i konstrukcji reaktora katalitycznego.
Bardzo ważnym etapem prac były prace badawcze nad instalacją laboratoryjną prowadzone na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie na Wydziale Chemicznym przez zespół badawczy pod kierownictwem prof. Joanny Paczkowskiej, na terenie Alpha Fluidic Associates Edmonton, Alberta Canada pod nadzorem prof. Boba Hayesa, w laboratoriach Kopalni Doświadczalnej Barbara przez pracowników naukowych GIG pod kierownictwem dr. Roberta Hildebrandta.
Następnym etapem był dobór i kompletacja wszystkich urządzeń górniczych, całego ciągu technologicznego, systemy AKPiA wraz z projektem technicznym i wykonaniem „serca” instalacji – katalizatora, transportem całości do podziemi Kopalni Doświadczalnej Barbara GIG w Mikołowie, montażem i próbami ruchowymi w wyrobiskach górniczych pilotażowej instalacji VAMPIRE. To wszystko przy współudziale specjalistycznych firm z zakresu klimatyzacji wyrobisk dołowych, systemów sterowania i automatyki oraz licznej kadry inżynieryjnej z wielu ośrodków badawczych.
Zbudowana demonstracyjna pilotażowa instalacja spełnia następujące założenia:
* całość urządzenia umieszczona pod ziemią w kopalni, w specjalnie wyznaczonym chodniku, w pobliżu przodka, z którego pobierany jest strumień VAM,
* stężenie metanu od 0,4 do 1,2 proc. obj. Jest to wartość orientacyjna, jednak wiadomo, że warunki autotermiczne pracy reaktora nie będą zachowane w całym zakresie stężeń,
* przepływ powietrza od 40-1000 m3/min,
* temperatura otoczenia 28 st. C,
* praca urządzenia w środowisku pyłu w strumieniu VAM,
* zawartość pary wodnej – wilgotność względna max. (RH) = 100 proc. (1-2 proc. wag.),
* moc reaktora około 0,1 MW w celu zapewnienia energii dla układu chłodniczego – zapewnienie gorącego strumienia spalin z reaktora, który wykorzystany jest w zabudowanym do instalacji pilotażowej systemie klimatyzacji,
* urządzenie mieści się w chodnikach kopalni.
Wymiary korytarzy ograniczają rozmiar instalacji: wysokość = 1,6 m, szerokość = 1,1 m (nie ma ograniczenia długości chodnika).
Efekty projektu
Układ pilotażowy VAMPiRE spełnia poziom 7 gotowości technologicznej, jest zainstalowany w chodniku Doświadczalnej Kopalni Węgla Barbara.
Instalacja przeszła szereg poziomów projektowania, począwszy od skali laboratoryjnej.
W wyniku realizacji projektu udało się stworzyć działającą jednostkę do utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego o stężeniu 0,5 proc. do 1,2 proc.
Uzyskano autotermię.
Na wyjściu z reaktora uzyskano temperaturę powietrza mniejszą od 250 st. C, niezbędnego do przetworzenia ciepła na wodę lodową.
Układ reaktora wyposażono w elektryczny system inicjacji reakcji o mocy 24 kW.
Zmontowana instalacja pilotażowa VAMPiRE jest układem skalowalnym poprzez multiplikację modułów.
Podsumowanie projektu
Cel projektu w postaci zaproponowania na rynku nowego produktu i zaoferowania przez CTiPT innowacyjnego produktu na rzecz przemysłu wydobywczego został zrealizowany.
Jak podkreśla Daniel Borsucki, Członek Komitetu Sterującego Projektu i Specjalista ds. metanu – uwalnianie się metanu w kopalniach głębinowych węgla kamiennego stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa załogi, bardzo negatywnie oddziałuje na środowisko naturalne. Niestety, aż około 82 proc. uwolnionego z węgla kamiennego metanu jest zawarte w powietrzu wentylacyjnym (około 475,4 mln m sześc. czystego CH4 za 2022 rok), a do tego o bardzo niskich stężeniach na dole kopalni średnio 0,7-1,2 proc., zaś na powierzchni przy dyfuzorze szybu wydechowego 0,2-0,35 proc. Ten główny strumień metanu wraz z powietrzem wentylacyjnym (VAM) bezpośrednio trafia w całości do atmosfery, bowiem dotychczas jest brak efektywnej techniczno-ekonomicznej technologii do jego utylizacji (zagospodarowania).
Oczywiście pozostały emitowany z węgla metan (o stężeniu najczęściej od 32 do 75 proc. obj.) uchwycony systemem rurociągów i pomp ze stacji odmetanowania, coraz skuteczniej przez kopalnie jest wykorzystywany energetycznie jako paliwo do instalacji ciepłowniczo-energetycznych na powierzchni.
Zaoferowanie na rynku rezultatów projektu znacząco zmienia sytuację, wykorzystując pozornie dotąd nieużyteczne (i wręcz niepożądane) źródła energii do zasilania instalacji chłodzących rejony eksploatacji górniczej, z ograniczaniem zagrożeń klimatycznych – w rozumieniu ochrony środowiska i poprawą komfortu pracy pod ziemią.
Dodatkowo, w świetle mocnej presji UE na wdrożenie restrykcyjnego Rozporządzenia Metanowego, bezdyskusyjnie spodziewać się należy silnego impulsu inwestycyjnego ze strony bardzo wielu branż mających niskoprocentowe wycieki metanu, a więc przede wszystkim górnictwa węgla kamiennego, rolnictwa, gazownictwa, na wdrożenia dostępnego z projektu, nowatorskiego rozwiązania do eliminacji wycieków niskoprocentowego metanu do atmosfery – instalacji VAMPiRE.
Unijne rozporządzenie wprowadzi bowiem szereg obowiązków i dotkliwych kar, by koszty społeczne i środowiskowe emisji metanu znalazły odzwierciedlenie w bardzo wysokich kosztach opłat za korzystanie ze środowiska, w unijnym mechanizmie wyceny opłat za emisje EU ETS, w planie skutecznej eliminacji wszelkich emiterów tego gazu.
Wprowadzi również rygorystyczne zasady weryfikacji miejsc emisji, szczegółowe raportowanie do wskazanych instytucji o wyciekach metanu, by docelowo wypuszczania gazu do atmosfery jak najszybciej bezwzględnie zakazać.
Zawartych w nim początkowych dopuszczalnych jednostkowych wolumenów wycieku metanu, choć dziesięciokrotnie zwiększonych po interwencji polskiego rządu, nadal polskie górnictwo węgla kamiennego na dziś nie spełnia, a przecież z roku na rok wolumeny dopuszczalne mają ostro maleć dla wszystkich emitentów.
Dlatego należy jeszcze raz podkreślić, że projekt potwierdził przy użyciu instalacji typu VAMPiRE efektywną utylizację niskoprocentowego metanu VAM. Dla górnictwa węgla kamiennego szczególnie, gdy jego stężenie w procesie eksploatacji węgla jest jeszcze na poziomie 0,7-1,2 proc., a więc w wyrobiskach dołowych.
Redukcja metanu w powietrzu wentylacyjnym to jedyna droga do obniżenia ogólnego wycieku metanu do atmosfery we wszystkich branżach, droga do efektywności i dalszego istnienia.
Więcej o innowacyjnej instalacji można przeczytać na www.vampire.com.pl
Jeżeli chcesz codziennie otrzymywać informacje o aktualnych publikacjach ukazujących się na portalu netTG.pl Gospodarka i Ludzie, zapisz się do newslettera.
