Nagrodzona technologia utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego

Opracowana w Instytucie Inżynierii Chemicznej PAN w Gliwicach technologia do utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń węgla kamiennego w Termicznym Reaktorze Rewersyjnym (TFRR) została wyróżniona złotym medalem na XIII Międzynarodowych Targach Wynalazków i Innowacji INTARG®2020 Online, oraz złotym medalem i nagrodą specjalną na International Invention and Trade Expo 2020 Online w Londynie.

Przedmiotem wynalazku jest sposób utylizacji niskostężonych mieszanek: składnik palny-powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej i urządzenie rewersyjne do realizacji tego sposobu. Wynalazek szczególnie nadaje się do spalania mieszanek metan-powietrze o stężeniach metanu występujących w powietrzu wentylacyjnym kopalń węgla kamiennego (tzw. VAM - Ventilation Air Methane) w termicznym urządzeniu z regeneracją ciepła uzyskiwaną przez cykliczną rewersję kierunku przepływu przez urządzenie. Sposób i urządzenie według wynalazku zapewniają utylizację ciepła spalania w aparacie odbioru ciepła, w warunkach pracy urządzenia zapewniających wysoką sprawność (konwersję) spalania oraz wystarczającą symetrię profili temperatur wzdłuż wypełnienia urządzenia a także stabilność odbioru energii, polegającą na tym, że strumień energii dostarczanej odbiorcom jest w przybliżeniu stały w czasie pracy urządzenia. Uzyskane patenty, w zależności od wersji krajowej zawierają 15 do 20 zastrzeżeń, które chronią oryginalne elementy sposobu i urządzenia, dające przewagi nad podobnymi urządzeniami konkurencji.

Ideą zastosowania VAMOXID jest zmniejszenie emisji metanu do atmosfery z szybów wentylacyjnych kopalń. Emisja VAM przez przemysł górniczy jest istotnym problemem z środowiskowego punktu widzenia. Metan będący gazem cieplarnianym negatywnie oddziałuje na środowisko. Potencjał cieplarniany (GWP) dla metanu jest co najmniej 21 razy większy niż GWP dla CO2. Gdyby tylko część tego metanu spalić, do CO2 to ekwiwalentny wpływ tej emisji na efekt cieplarniany zmniejszyłby się znacząco. Głównym problemem związanym z redukcją VAM stanowi niskie stężenie metanu w mieszaninie z powietrzem. VAM zawiera od 0,1 do 1 % obj. składnika palnego i ta wartość jest różna dla różnych kopalń. Mimo to VAM może być również cennym nośnikiem energii. Taką ubogą mieszankę można uznać za alternatywne paliwo do produkcji energii dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii spalania, takich jak VAMOXID.

Kluczową jednostką VAMOXID jest termiczny reaktor rewersyjny (TFRR), składający się z dwóch części: Sekcji I i Sekcji II połączonych ze sobą za pomocą tzw. łącznika umiejscowionego w ich górnej części. Część gorącego strumienia gazu przepływającego pomiędzy Sekcjami I i II, może być odprowadzana do aparatu odbioru ciepła. Obie Sekcje wypełnione są ceramicznymi blokami monolitycznymi, z dużą ilością prostych i równoległych, co zapewniała niskie opory przepływu gazu przez wypełnienie. Zawory rewersyjne odpowiedzialne za zmianę kierunku przepływu gazu umieszczone są w dolnej części reaktora. Badania prowadzone były w środowisku zbliżonym do rzeczywistego. W badaniach mieszaninę metanowo-powietrzną przygotowywano w mieszalniku, w zakresie stężeń 0,1 do 1 %obj. Reaktor TFRR pracował w zakresie przepływów 200-580 m3/h. W górnej części sekcji zamocowano grzałki pozwalające rozgrzać reaktor w fazie rozruchu do temperatury inicjacji reakcji spalania. Skala gotowości technologicznej (TRL) dla VAMOXID to VI. VAMOXID może być wykorzystywany w kopalniach węgla, w których powietrze wentylacyjne zawiera odpowiednią ilość metanu. Badania wykazały, że reaktor pracuje autotermicznie gdy stężenie metanu jest równe lub wyższe niż 0,2 %obj. Istotną zaletą opracowanej technologii jest to, że już od stężeń powyżej 0,4 %obj. metanu można skutecznie odzyskiwać ciepło do dalszego wykorzystania, co dobrze wróży dla przyszłych przemysłowych instalacji. Prognozowany odzysk dla przeciętnego szybu wentylacyjnego może wynieść 4,3 MWt dla stężenia 0,43 % obj. a dla stężenia 0,77 %obj. nawet 20,2 MWt. Odzyskane ciepło z powodzeniem może być wykorzystywane do produkcji chłodu lub energii elektrycznej.

VAMOXID ma istotne zalety w stosunku do rozwiązań konkurencyjnych:

  • brak katalizatora znacznie obniża koszt inwestycyjny oraz wydłuża czas eksploatacji urządzenia,
  • wysoka temperatura spalania pozwala na produkcję wysokoparametrowych nośników energii i  podniesienie  sprawności produkcji energii elektrycznej,
  • opracowanie algorytmów sterowania czasem przełączeń i innymi parametrami, zapewniających symetrię termiczną reaktora i zabezpieczenia przed stanem awaryjnym,
  • sposób odbioru ciepła, wytwarzanego w procesie spalania metanu, w zewnętrznym aparacie odbioru ciepła korzystnie wpływa na zwiększenie stabilności procesu spalania, zmniejszenie cyklicznych wahań odbieranego ciepła, symetryczną pracę obu sekcji reaktora,
  • większa stabilność pracy reaktora w niskich stężeniach, kiedy odbiór ciepła staje się nieopłacalny, poprzez całkowite zamknięcie upustu gorących spalin do aparatu odbioru ciepła, co powoduje zatrzymanie całego wytwarzanego ciepła w reaktorze, chroniąc przed utratą autotermii,
  • wypełnienie obu sekcji reaktora materiałem inertnym o małej zdolności adsorpcji gazowej, co minimalizuje wydmuchy niespalonego gazu w czasie zmiany kierunku przepływu gazu z chłodnych stref reaktora,
  • optymalne parametry geometryczny i materiałowe ceramicznych bloków monolitycznych dostosowanych do warunków operacyjnych,
  • dynamiczne modele procesu reakcji i quasi-statycznych modele  matematyczne pozwalające na optymalizację parametrów projektowych i ruchowych instalacji.

Warto wspomnieć, iż współtwórca VAMOXID, firma KATALIZATOR Sp. z o.o. z Krakowa, posiadająca duże doświadczenie w kwestiach oczyszczania przemysłowych gazów odlotowych i technologicznych z zanieczyszczeń organicznych, jest przygotowana do zbudowania instalacji VAMOXID o przepustowości kilkudziesięciu tysięcy m3/h.

Efekt ekologiczny i środowiskowy:

- utylizacja metanu za pomocą VAMOXID obniża negatywny wpływ emisji VAM na środowisko.

Efekt ekonomiczny:

- przy stężeniach metanu w powietrzu wentylacyjnym 0,4 %obj. i wyższych, można skutecznie odzyskiwać ciepło a następnie wykorzystać je do produkcji chłodu czy energii elektrycznej.

Efekt społeczny:

- ciepło z VAMOXID można wykorzystać do produkcji chłodu, redukując zapotrzebowanie na energię elektryczną do klimatyzacji wyrobisk górniczych.

Jesteś tutaj: Home Aktualności Instytut Nagrodzona technologia utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego