Magazynowanie CO2 w pokładach węgla i jego konkurencyjna sorpcja z CH4 - analiza teoretyczna

• Autorzy: Jodłowski G. S.

Warianty tytułu

EN

Storage of CO2 in the coal beds and its competitive sorption with CH4 – theoretic analysis

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedmiotem badań była symulacja izoterm sorpcji mieszanin gazowych CO2+CH4, której wyniki ewaluowane były na eksperymentalnych izotermach sorpcji tych gazów w zakresie ciśnień do 3,4 MPa. Wyniki obliczeń zostały wykorzystane do zgrubnego szacowania pojemności magazynowej złóż węgla w Polsce ze względu na dwutlenek węgla na poziomie 30 do 200 milionów Mg oraz potencjalnych możliwości odzyskania metanu. Rzeczywista pojemność może być wyższa, ze względu na wyższe ciśnienia panujące na większych głębokościach zalegania złoża. Do obliczeń wykorzystano Model Sorpcji Wielorakiej (MSW) wraz z jego rozszerzeniem do sorpcji mieszanin gazowych. Przeanalizowano zestaw siedmiu próbek węgli kamiennych o różnym stopniu uwęglenia z klas od 31 do 42. Potwierdzono występowanie mechanizmu konkurencyjnej sorpcji, tak ze względów energetycznych, jak i geometrycznych, dla metanu i dwutlenku węgla. Symulacje izoterm indywidualnych gazów pozwalają stwierdzić efekty różnych wariantów permeacji gazów w złożu i ich wpływ na pojemność magazynową złoża. Natomiast symulowane izotermy sorpcji z mieszaniny CO2+CH4 dają obraz potencjalnych możliwości odzyskiwania metanu. Wstępne wyniki pozwalają stwierdzić, że złoża węgli w Polsce pozwalają zmagazynować 10 – 30-letnią produkcję dwutlenku węgla (przy ciśnieniu zatłaczania około 3 MPa) przeciętnej elektrociepłowni o mocy rzędu 300 MW z możliwością odzyskania naturalnie zmagazynowanego w złożu metanu.

EN

The present study was designed to simulate sorption isotherms gas mixture of CH4 + CO2, the results were evaluated with experimental sorption isotherms of the gases in the pressure up to 3.4 MPa. The calculation results are used for rough estimation of the storage capacity of coal deposits in Poland In the relation to carbon dioxide on the level of 30 to 200 million Mg and the potential to recover methane. Actual capacity may be higher due to the higher pressure prevailing at deeper layers of deposit. The Multiple Sorption Model (MSW) and its extension to the sorption of gas mixtures are used for calculations. Set of seven samples of coals of different ranks from 31 to 42 (accordingly to Polish Coal Classification) was analyzed. The presence of competitive adsorption mechanism for both energy and geometric reasons for methane and carbon dioxide is confirmed. Simulations isotherms of individual gases allow to estimate the effects of different variants of permeation of gases in the coal bed and their effect on the gas storage capacity of the deposit. Moreover, the simulated sorption isotherms of the mixture CO2 + CH4 exemplify of the potential methane recovery. Preliminary results allow to conclude that the deposits of coal in Poland gives the possibility to store 10 - 30 years of production of carbon dioxide (with injection pressure of about 3 MPa) for average power plant with a power capacity of 300 MW with the possibility to recover naturally stored in the bed methane.

Słowa kluczowe

PL

sorpcja; modelowanie; węgiel kamienny; dwutlenek węgla; sekwestracja; odzysk metanu

EN

sorption; modeling; hard coal; carbon dioxide; sequestration; methane recovery

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa
• Czasopismo: Przegląd Górniczy
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 73, nr 2
• Strony: 32--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Jodłowski G. S.

• AGH w Krakowie

Bibliografia

• [1] BARAN P., JODŁOWSKI G.S., WÓJCIK M., ZARĘBSKA K. 2014a - Deponowanie gazów kopalnianych CO2,CH4 oraz ich mieszaniny w węglu kamiennym. Górnicze Zagrożenia Naturalne 2014, XXI międzynarodowa konferencja naukowo-techniczna: zagrożenia naturalne a bezpieczne i efektywne kopalnie, Targanice k.Żywca.
• [2] BARAN P., ROGOZIŃSKA J., ZARĘBSKA K., PORADA S. 2014b - Analiza układu węgiel kamienny–gaz pod kątem intensyfikacji wydobycia metanu z użyciem ditlenku węgla. „Przemysł Chemiczny” 93 nr 12, s. 2008–2012.
• [3] BARAN P., ZARĘBSKA K., KRZYSTOLIK P., HADRO J., NUNN A. 2014c - CO2−ECBM and CO2 sequestration in Polish coal seam – experimental study. Journal of Sustainable Mining 13 no. 2, s. 22–29.
• [4] CEGLARSKA-STEFAŃSKA G. 1990 - Współzależność procesów sorpcyjnych i dylatometrycznych zachodzących w układach: węgle kamienne - para wodna, dwutlenek węgla, metan. Zeszyty Naukowe AGH, Chemia, z. 16, Kraków.
• [5] CORUM M.D., JONES K.B., WARWICK P.D. 2013 - CO2 Sequestration Potential of Unmineable Coal – State of Knowledge. Energy Procedia 37, 5134 – 5140.
• [6] DUDA J.T.; MILEWSKA-DUDA J., KWIATKOWSKI M., ZIÓŁKOWSKA M. 2013 - A geometrical model of random porous structures to adsorption calculations. Adsorption 19 (2), 545-555.
• [7] GENTZIS T. 2006 - Economic coalbed methane production in the Canadian Foothills: Solving the puzzle. International Journal of Coal Geology, 65 (1-2): 79-92.
• [8] HALJASMAA I.V. i inni. 2011 - North Dakota lignite and Pittsburgh bituminous coal: a comparative analysis in application to CO2 sequestration. Int. J. of Oil Gas and Coal Technology 4 (3), 264-281.
• [9] JODŁOWSKI G.S. 2000 - Modelowanie struktury węgla kamiennego. „Karbo”, R. 45, nr 10, s. 319–324.
• [10] JODLOWSKI G.S., BARAN P., WOJCIK M., NODZENSKI A., PORADA ST., MILEWSKA-DUDA J. 2007 -Sorption of methane and carbon dioxide mixtures in Polish hard coals considered in terms of adsorption-absorption model. Applied Surface Science 253, 5732–5735.
• [11] JODŁOWSKI G., WÓJCIK M. 2013 - Comparative analysis of sorption of small molecule hydrocarbons and polar substances in polish hard coals. Adsorption, 19 ( 2), 813-819.
• [12] JODŁOWSKI G.S., WÓJCIK M. 2014 - Identyfikacja struktury węgla kamiennego z wykorzystaniem sorpcji wielu sorbatów. „Przemysł Chemiczny”, 93 (12), 1000-1003.
• [13] JODŁOWSKI G.S., DAVIDOVÁ M. 2015 - Environmental impact and mitigation of carbon dioxide. Technical University of Košice.
• [14] JODŁOWSKI G.S., WÓJCIK M., ORZECHOWSKA-ZIĘBA A. 2016 - Identification of hard coal surface structure using polar and apolar small molecule substances. Adsorption 22 (4), 847-854.
• [15] KRZEMIEŃ A., SKIBA J., KOTERAS A., DUDA A. 2015 - Technologia produkcji metanu z pokładów węgla poprzez zatłaczanie CO2 – przegląd doświadczeń uzyskanych w trakcie realizacji projektu CARBOLAB. „Przegląd Górniczy” nr 1, 37-45.
• [16] MAJEWSKA Z., MAJEWSKI ST., ZIĘTEK J. 2014 - Zastosowanie zjawiska emisji akustycznej do badania układu węgiel kamienny-gazy kopalniane w aspekcie sekwestracji CO2 w pokładach węgla. „Przegląd Górniczy” nr 7, 1-11.
• [17] MILEWSKA-DUDA J., DUDA J.T., JODŁOWSKI G., KWIATKOWSKI M. 2000 - A Model for Multilayer Adsorption of Small Molecules in Microporous Materials. Langmuir 16 (18), 7294-7303.
• [18] MOKRZYCKI E., ULIASZ-BOCHEŃCZYK A. 2014 - Mineralna karbonatyzacja przy zastosowaniu surowców naturalnych – metodą redukcji CO2? „Gospodarka surowcami mineralnym”, 30, 3, 99-110.
• [19] MOORE T.A. 2012 - Coalbed methane: A review. International Journal of Coal Geology 101, 36–81.
• [20] NODZEŃSKI A. 1996 - A method for the measurement of carbon dioxide desorption from coal in the elevated pressure range. Ads.Sci.&technol., 13, 2, 71-84.
• [21] NODZEŃSKI A. 1998 - Sorption and desorption of gases (CH4, CO2) on hard coal and active carbon at elevated pressures. Fuel, 77 (11), 1243-1246.
• [22] PASZCZA H. 2012 - Ocena stanu zasobów węgla kamiennego w Polsce z uwzględnieniem parametrów jakościowych i warunków zalegania w aspekcie zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego kraju. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk 83, 147-162.
• [23] PERERA M.S.A., RANJITH P.G., RANATHUNGA A.S., KOAY A.Y.J., ZHAO J., CHOI S.K. 2015 -Optimization of enhanced coal-bed methane recovery using numerical simulation. J. Geophys. Eng. 12, 90–107.
• [24] RODRIGUES C.F., LAIGINHAS C., FERNANDES M., LEMOS DE SOUSA M.J., DINIS M.A.P. 2014 - The coal cleat system: A new approach to its study. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 6 (3), 208–218.
• [25] ŚWINDER H., ULIASZ-BOCHEŃCZYK A. 2010 - Kinetyczny model sekwestracji dwutlenku węgla w wodnych roztworach wybranych odpadów przemysłowych. Prace naukowe GIG, „Górnictwo i środowisko” 4, 75-85.
• [26] SZTEKLER K., WÓJCIK T.M. 2014 - Potencjalne możliwości zastosowania powietrza o niskiej koncentracji metanu na potrzeby układów energetycznych. Paliwa i energia XXI wieku, red. G.S. Jodłowski, Wydawnictwo Naukowe „Akapit”, Kraków, s. 93–101.
• [27] SZTEKLER K., WÓJCIK T.M. 2015 - Wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego z kopalń na cele energetyczne. „Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie” nr 6, s. 15–21.
• [28] TARKOWSKI R., ULIASZ-MISIAK B. 2003 - Podziemne magazynowanie dwutlenku węgla. „Przegląd Geologiczny” 51, 5, 402-409.
• [29] ULIASZ-BOCHEŃCZYK A., MOKRZYCKI E. 2013 - Mineralna sekwestracja CO2 przy zastosowaniu odpadów energetycznych – próba oszacowania potencjału w Polsce. „Gospodarka Surowcami Mineralnymi”, 29, 3, s. 179-189.
• [30] ZARĘBSKA K., BARAN P., DUDZIŃSKA A., CYGANKIEWICZ J. 2010 - Analiza sorpcji metanu i dwutlenku węgla na węglach kamiennych w aspekcie zatłaczania CO2. „Wiadomości Górnicze”, 61, nr 9, 502–505.
• [31] ZHANG B.B., SONG X.C. 2012 - Geological Storage of CO2 to Enhance Coalbed Methane Production, Advanced Materials Research 524-527, 1173-1177.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).