Wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła i chłodu z metanu zawartego w powietrzu wentylacyjnym kopalń węgla kamiennego

• Autorzy: Piekarczyk W. , Gosiewski K.

Warianty tytułu

EN

Generation of electricity, heat and cooling from methane contained in the ventilation air of hard coal mines

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Blisko 70 % metanu uwalnianego z pokładów węgla kamiennego jest emitowane do atmosfery z powietrzem wentylacyjnym kopalń. Stanowi to dużą stratę paliwa energetycznego, stanowiąc ponadto problem z jego emisją do atmosfery ziemskiej. Celem artykułu jest analiza jego możliwości w rzeczywistych warunkach kopalń. Artykuł przedstawia możliwość spalania metanu z powietrza wentylacyjnego w termicznym reaktorze rewersyjnym, z jednoczesną utylizacją uzyskiwanego ciepła spalania. Problematykę emisji metanu zawartego w powietrzu wentylacyjnym przez krajowy i zagraniczny przemysł wydobywczy oraz zasadę działania reaktora rewersyjnego omówiono tylko skrótowo. Na tym tle wykazano, że ten typ reaktorów może stanowić atrakcyjne źródło energii do dalszego wykorzystania. Autorzy proponują trójgeneracyjną produkcję energii elektrycznej, ciepła i chłodu do klimatyzacji wyrobisk górniczych. Na przykładzie wybranej kopalni przedstawiono analizę rzeczywistego zapotrzebowania na chłód. Analizę energetyczną zagadnienia przeprowadzano dla wydatków powietrza wentylacyjnego 720 000 mn3/h jako wartości średniej dla szybów wentylacyjnych w Polsce. Dla tak przyjętych założeń przedstawiono analizę wskaźników energetycznych dla układu trójgeneracyjnego z turbiną upustowo-kondensacyjną oraz wyznaczono efekty energetyczne odzysku ciepła. Wyniki obliczeń wykazały, że przy zapotrzebowaniu na chłód na poziomie 5,8–9,7 MW możliwe jest osiągnięcie mocy elektrycznej wynoszącej 2,9–3,7 MW. W przypadku braku zapotrzebowania na chłód osiągalna moc elektryczna wyniosłaby około 4,9 MW.

EN

Nearly 70 % of methane released from hard coal seams is emitted into the atmosphere with the ventilation air of the mines. This represents a major loss of energy fuel and constitutes additionally a problem with its emission to the atmosphere of the Earth. The aim of the article is to analyze its possibilities in real conditions of mines. The article presents the possibility of burning methane from ventilation air in a reversible thermal reactor, with simultaneous utilization of the generated heat from the combustion. The issue of methane emissions contained in the ventilation air by domestic and foreign extractive industries and the principle of operation of a reversible reactor was only briefly discussed. Against this background, it has been demonstrated that this type of reactor can be an attractive source of energy for further use. The authors propose a tri-generation production of electricity, heat and cooling for the airconditioning of mining workings. On the example of a selected mine, an analysis of the actual cold demand for cooling is presented. The energy analysis of the issues was conducted for ventilation air volume of 720,000 mn3/h as the average value for ventilation shafts in Poland. For such adopted assumptions, the analysis of energy indices for the tri-generation system with a bleed-condensing turbine was presented and the energy effects of heat recovery were determined. The results of the calculations showed that with a demand for cooling at the level of 5.8-9.7 MW it is possible to achieve an electrical power of 2.9—3.7 MW. If there is no demand for cooling, the achievable electrical power would be about 4.9 MW.

Słowa kluczowe

PL

wskaźnik energetyczny; układ trójgeneracyjny; turbina upustowo-kondensacyjna

EN

energy indices; tri-generation system; bleed-condensing turbine

• Wydawca: Wydawnictwo Górnicze Sp. z o.o.
• Czasopismo: Wiadomości Górnicze
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 68, nr 11
• Strony: 536--545
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Piekarczyk W.

• Zakłady Pomiarowo-Badawcze Energetyki "ENERGOPOMIAR" Sp. z o.o., Gliwice

autor

Gosiewski K.

• Instytut Inżynierii Chemicznej PAN, Gliwice

Bibliografia

• 1.Ocena stanu bezpieczeństwa pracy, ratownictwa górniczego oraz bezpieczeństwa powszechnego w związku z działalnością gómiczo-geologiczną w 2015 roku WUG. Wyższy Urząd Górniczy, Katowice 2016
• 2.Assessment of the Worldwide Market Potential for Oxidizing Coal Mine Ventilation Air Methane. United States Environmental Protection Agency. July 2003
• 3.Nawrat S., Gatnar K.: Ocena stanu i możliwości utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń węgla kamiennego. Polityka Energetyczna 2008, t. 11, z. 2
• 4.U.S. Underground Coal Mine Ventilation Air Methane Exhaust Characterization. United States Environmental Protection Agency. July 2010
• 5.Butler N.: Global VAM Project Opportunities. GMI Partnership-Wide Meeting. Global methane initiative, Kraków, 11-14.10.2011
• 6.Hager M.: Presentation MEGTEC Systems: Long-Term Experience of VAM Processing. Methane Expo 2013. Vancouver, 12-15.03.2013
• 7.Best Practice Guidance for Effective Methane Drainage and Use in Coal Mines, Second edition, United Nations Economic Commission for Europe. Geneva, October 2016
• 8.Gosiewski K., Pawlaczyk A., Jaschik M.: Energy recovery from ventilation air methane via reverse-flow reactors. Energy 2015, vol. 92
• 9.Su S., Beath A., Guo H.. Mallett C: An assessment of mine methane mitigation and utilization technologies. Progress in Energy and Combustion Science 2005, vol. 31
• 10.Gosiewski K., Pawlaczyk A.: Catalytic or thermal reversed flow combustion of coal mine ventilation air methane: What is better choice and when? Chemical Engineering Journal 2014, vol. 238
• 11.Zgłoszenie patentowe P-394701: Sposób utylizacji nisko- stężonych mieszanek: składnik palny - powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej i urządzenie rewersyjne do realizacji tego sposobu. Instytut Inżynierii Chemicznej PAN & Katalizator Sp. z o.o., PL, twórcy: Gosiewski K., Jaschik M., Pawlaczyk A., Warmuziński K., Tańczyk M., Gielzak K., Wojdyla A., Machęj T., Michalski L.
• 12.Patent Application PCT/PL2011/000128: Method for utilization of low-concentration gas mixtures of combustible gas and air with stable heat energy recovery and flow reversal device for implementation of the method. Instytut Inżynierii Chemicznej PAN & Katalizator Sp. z o.o., PL, founders: Gosiewski K., Jaschik M., Pawlaczyk A., Tańczyk M., Gielzak K., Wojdyla A., Machej T., Michalski L.
• 13.Gosiewski K., Pawlaczyk A., Jaschik M.: Spalanie metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń w termicznym reaktorze rewersyjnym. Przemysł Chemiczny 2011, t. 90
• 14.Nieken U., Kolios G., Eigenberger G.: Control of the ignited steady state in autothermal fixed-bed reactor for catalytic combustion. Chemical Engineering Science 1994, vol. 49
• 15. Gosiewski K., Warmuziński K.: Effect of the mode of heat withdrawal on the asymmetry of temperature profiles in reverse-flow reactors. Catalytic combustion of methane as a test case. Chemical Engineering Science 2007, vol. 62
• 16.Unger J., Kolios G., Eigenberger G.: On the Efficient Simulation and Analysis of Regenerative Process in Cyclic Operation. Chemical Engineering Journal 1997, vol. 21
• 17.Gosiewski K.: Cykliczny stan ustalony w symulacjach reaktorów rewersyjnych na przykładzie katalitycznego spalania metanu. Inżynieria Chemiczna i Procesowa 2003, t. 24
• 18.Gatnar K.: Układy energetyczne wykorzystujące metan z odmetanowania kopalń JSW SA jako element lokalnego rynku energii. Polityka Energetyczna 2007, t. 10, z. 2
• 19.Pawlaczyk A., Gosiewski K.: Termiczna rewersyjna utylizacja metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń węgla kamiennego - prace doświadczalne. Seminarium „Utylizacja metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń", Gliwice 27.03.2015
• 20.Piekarczyk W.: Wykorzystanie ciepła odpadowego powstałego w instalacji utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń węgla kamiennego. Seminarium „Utylizacja metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń". Gliwice, 27.03.2015
• 21.Piekarczyk W., Gosiewski K., Gladysz P., Stonek W.: Combined Cooling, Heat and Power from Ventilation Air Methane-An Energy and Thermo-Ecological analysis. Proceedings of the 4th International Conference on Contemporary Problems of Thermal Engineering, Katowice, 14-16.09.2016

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).