Водень із підземелля
Паливо майбутнього видобуватимуть за допомогою газифікації вугілля безпосередньо в шахтах.
В одному з центрів вугледобувної промисловості південної Польщі – на шахті «Барбара», що в околицях м. Катовіце, успішно фінішував великомасштабний експеримент в рамках європейського дослідного проекту HUGE — «Воднево орієнтована підземна газифікація вугілля для Європи». У прокладених на глибині 20 м галереях працювали не шахтарі, а вчені.
У проекті вартістю 3,6 млн євро та тривалістю три роки були задіяні 12 науково-дослідних установ із семи країн Європи. Національний гірничий університет (НГУ, м. Дніпропетровськ) «прописаний» у ньому як рівноправний партнер. У Польщі працювала велика група дніпропетровських науковців: професори В. Бондаренко, М. Табаченко, доценти Р. Дичковський, В. Фальштинський, О. Свєткіна, молоді вчені В. Лозинський, П.Саїк, Є.Тимошенко.
Коли пожежа у лаві – на користь
Які ідеї досліджував експеримент і що таке підземна газифікація вугілля, розповідає його учасник, доцент кафедри підземної розробки родовищ НГУ Роман Дичковський.
— Учені прагнули застосувати технологію видобування вугілля радикально новим способом із отриманням палива для енергетики, а також сировини для хімічної промисловості. Із цією метою задіяли технологію шахтної свердловинної підземної газифікації вугілля (СПГВ). У вугільний пласт безпосередньо в шахтних умовах подавали дуттєву суміш із кисню, водневої пари й інших газів. Сам процес відбувався за температури 1000–1100°С. Причому під час запалення пласта температура вугілля доводилася до 1600°С. У пласті фактично немає відкритого полум’я, а відбувається процес «зжарення» твердого пального. Це і є так звана підземна газифікація вугілля.
Слід сказати, що дніпропетровці — піонери цього методу. Уперше термін «СПГВ» було використано у працях професора кафедри підземної розробки родовищ НГУ Миколи Табаченка. Суть технології полягає у бурінні вертикальних, похилогоризонтальних або горизонтальних свердловин по вугільному пласту. Далі провадиться розпалювання та запуск геореактора під землею та створення керованого вогневого вибою з окислювальною та відновлювальною зонами. Це дозволяє отримувати суміш горючих газів із подальшим їх використанням як джерела енергії та хімічної сировини. Замкнутий цикл підземної газифікації вугілля дає можливість вирішити актуальну екологічну проблему утилізації та переробки димових газів та відходів енергетичних підприємств.
У НГУ розроблена технологічна концепція такого енергохімічного підприємства з урахуванням геологічних та техногенних чинників. Особлива увага приділяється безпеці й створенню екологічно чистого циклу в процесі утилізації та переробки димових газів, шламу і золоуносу. Ще один учений цієї ж кафедри — доцент Володимир Фальштинський розробив технологію герметизації підземного газогенератора та проект комплексної геореакторної системи. Також створено технологічні схеми когенераційного підприємства з виробництва електричної, механічної й теплової енергії від одного джерела палива — газу ПГВ на базі вільно-поршневих агрегатів та акумуляторів тепла. Фахівці НГУ модернізували процеси газифікації малопотужних, тонких вугільних пластів, комплексного видобування та переробки хімічних речовин із вугілля на промисловому майданчику шахти.
Потрійний ефект
ПГВ орієнтована на отримання трьох основних газів: метану, вуглекислого газу та водню, а також на видобування великих обсягів хімічної сировини. Крім фенолів, аміачної води, у газовій суміші містяться сполуки рідкісноземельних та благородних металів. Відсоткове співвідношення газів залежить від багатьох факторів. На шахті «Барбара» підземна газифікація мала на меті максимальне отримання водню, який вважають паливом майбутнього. Завдання складне й ризиковане.
В експерименті частка водню досягала майже 50%. Фінансові затрати виявились суттєво нижчими у порівнянні з технологією електролізного отримання цього газу. Оскільки дослідження проводили у рамках виробничо-експериментальної установки, водень не відокремлювали від інших газів, і вся суміш йшла на виробництво електроенергії в газових турбінах.
Було доведено, що підземна газифікація підвищує економічну ефективність вуглевидобутку, дозволяє значно полегшити важку й небезпечну працю шахтарів, а також задіяти запаси вугілля, сконцентровані в некондиційних пластах і покладах, розробка яких неможлива або неефективна.
Вельми перспективне використання газів і про»дуктів газифікації вугілля в хімічній промисловості для одержання сірки, аміаку та метанолу. Газ ПГВ набагато дешевший від природного, не потребує додаткової підготовки та є енергоресурсом для отримання теплової та електричної енергії безпосередньо на місці видобутку. Продукти його згоряння не містять окису вуглецю, твердих частинок, сірчистого ангідриду, мають дуже незначну складову окислів азоту.
За словами Романа Дичковського, українські й польські вчені сподіваються, що їм удасться вдосконалити цей метод — максимально збільшити видобуток чистого водню й мінімізувати утворення інших газів.
Як проводився експеримент
На шахту «Барбара» доставлялася цистерна з рідким киснем, яким наповнювали спеціально обладнаний герметичний басейн. Там він поступово випаровувався, перетворюючись на газ, який через трубопровід вдувався до місця вугільних покладів.
Спостерігали за перебігом експерименту за допомогою датчиків та відеокамер, встановлених під землею. Зразки газів надходили безпосередньо з місця реакції. Хімічний аналіз здійснювали методом хроматографії. Комп’ютер обробляв дані й будував графіки процесів. Це дозволило легко визначити, з якими сполуками мають справу вчені. Здебільшого це були суміш вуглеводневих сполук, вуглекислий газ, водень, азот, кисень і деякі домішки, наприклад, сполуки сірки.
Ці виміри були ключовим елементом досліджень, бо в процесі ПГВ виділяється багато вибухонебезпечних газів. На поверхні виміри проводили хіміки і геологи. Хоча вхід у шахту ретельно запечатаний, дослідники побоювалися, що деякі гази можуть просочитися крізь пористий ґрунт, адже процес газифікації проходить на глибині лише два десятки метрів.
Також у розпорядженні вчених був георадар, щоб із поверхні стежити за процесами в шахті. Він фіксував зміни структури земної порожнини, де відбувалася газифікація.
Експеримент підтвердив можливість отримувати паливні гази під час ПГВ. Витоків шкідливих речовин зафіксовано не було.
130 років на докази
Ідея підземної газифікації твердого палива була висунута ще у 1880 році Д. І. Менделєєвим. Перший проект її реалізації запропонував у 1912-му британець Вільям Рамсей, але втілити його не вдалося. У 20-х роках ХХ століття професор НГУ Олександр Терпигорєв сформулював основні принципи роботи підземних газогенераторів. Він брав активну участь у будівництві та промисловій експлуатації перших станцій «Підземгаз» в Україні — на Лисичанському кам’яновугільному родовищі.
Професор кафедри підземної розробки родовищ НГУ Олег Колоколов удосконалював теоретичні основи ПГВ і розробляв пілотні проекти їх упровадження. Але все упиралося в кошти.
У 2007 році послідовники Терпигорєва та Колоколова почали співробітництво з Головним інститутом гірництва (Польща). Справа зрушила з місця, коли дніпропетровським і польським ученим удалося переконати Європейський Союз у тому, що ця технологія є перспективною.
За кордоном перші проекти з підземної газифікації вугілля проведені в 1946 р. в Алабамі (США), у 1947 році – в Італії. Але з середини 1970 років інтерес до ПГВ зменшився — метод не витримував економічної конкуренції з традиційним видобутком вугілля. Утім, на початку XXI століття технологія знов набула актуальності. Експерименти з ПГВ проводяться у США, Індії, Австралії. А в Китаї вже працюють 10 промислових станцій підземної газифікації вугілля.
