Водород из подземелья
Топливо будущего начнут добывать с помощью газификации угля непосредственно в шахтах.
В одном из центров угледобывающей промышленности южной Польши — на шахте «Барбара» на окраине г. Катовице — успешно финишировал крупномасштабный эксперимент в рамках европейского исследовательского проекта HUGE — «Водородно-ориентированная подземная газификация угля для Европы». В проложенных на глубине 20 м галереях работали не шахтеры, а ученые.
В проекте стоимостью 3,6 млн евро и продолжительностью три года были задействованы 12 научно-исследовательских учреждений из семи стран Европы. Национальный горный университет (НГУ, г. Днепропетровск) «прописан» в нем как равноправный партнер. В Польше работала большая группа днепропетровских ученых: профессора В. Бондаренко, Н. Табаченко, доценты Р.Дычковский, В. Фальштинский, Е. Светкина, молодые ученые В. Лозинский, П. Саик, Е.Тимошенко.
Когда пожар в лаве — на пользу
Какие цели преследовал эксперимент и что такое подземная газификация угля, рассказывает его участник, доцент кафедры подземной разработки месторождений НГУ Роман Дычковский.
— Ученые стремились применить технологию добычи угля радикально новым способом с получением топлива для энергетики, а также сырья для химической промышленности. С этой целью использовали технологию шахтной скважинной подземной газификации угля (СПГУ). В угольный пласт непосредственно в шахтных условиях подавали дутьевую смесь из кислорода, водородного пара и других газов. Сам процесс происходил при температуре 1000–1100°С. Причем во время воспламенения пласта температуру угля доводили до 1600°С. В пласте фактически нет открытого пламени, а происходит процесс «сжаривания» твердого горючего. Это и есть так называемая подземная газификация угля.
Днепропетровцы — пионеры этого метода. Впервые термин «СПГУ» использован в работах профессора кафедры подземной разработки месторождений НГУ Николая Табаченко. Суть технологии заключается в бурении вертикальных, наклонногоризонтальных или горизонтальных скважин по угольному пласту. Дальше происходит разжигание и запуск геореактора под землей и создание управляемого огневого забоя с окислительной и восстановительной зонами. Это позволяет получать смесь горючих газов с дальнейшим их использованием как источника энергии и химического сырья. Замкнутый цикл подземной газификации угля дает возможность решить актуальную экологическую проблему утилизации и переработки дымовых газов и отходов энергетических предприятий.
В НГУ разработана технологическая концепция такого энергохимического предприятия с учетом геологических и техногенных факторов. Особое внимание уделяется безопасности процесса и созданию экологически чистого цикла при утилизации и переработке дымовых газов, шлама и золоуноса. Еще один ученый этой же кафедры — доцент Владимир Фальштинский разработал технологию герметизации подземного газогенератора и проект комплексной геореакторной системы. Также созданы технологические схемы когенерационного предприятия по производству электрической, механической и тепловой энергии от одного источника топлива — газа ПГУ на базе свободнопоршневых агрегатов и аккумуляторов тепла. Специалисты НГУ модернизировали процессы газификации маломощных, тонких угольных пластов, комплексного извлечения и переработки химических веществ из угля на промышленной площадке шахты.
Тройной эффект
ПГУ ориентирована на получение трех основных газов: метана, углекислого газа и водорода, а также на добычу больших объемов химического сырья. Кроме фенолов, аммиачной воды, в газовой смеси содержатся соединения редкоземельных и благородных металлов. Процентное соотношение газов зависит от многих факторов. Целью подземной газификации на шахте «Барбара» было максимальное получение водорода, считающегося топливом будущего. Задача сложная и рискованная.
В эксперименте доля водорода достигала почти 50%. Финансовые затраты оказались существенно ниже в сравнении с технологией электролизного получения этого газа. Поскольку исследование проводили в рамках производственно-экспериментальной установки, водород не отделяли от других газов, и вся смесь шла на производство электроэнергии в газовых турбинах.
Было доказано, что подземная газификация повышает экономическую эффективность угледобычи, позволяет значительно облегчить трудную и опасную работу шахтеров, а также задействовать запасы угля, сконцентрированные в некондиционных пластах и залежах, разработка которых невозможна или неэффективна.
Весьма перспективно использование газов и продуктов газификации угля в химической промышленности для получения серы, аммиака и метанола. Газ ПГУ намного дешевле природного, не нуждается в дополнительной подготовке и является энергоресурсом для получения тепловой и электрической энергии непосредственно на месте добычи. Продукты его сгорания не содержат окиси углерода, твердых частичек, сернистого ангидрида, имеют очень незначительную составляющую окислов азота.
По словам Романа Дычковского, украинские и польские ученые надеются, что им удастся усовершенствовать этот метод — максимально увеличить добычу чистого водорода и свести к минимуму образование других газов.
Как проводился эксперимент
На шахту «Барбара» доставлялась цистерна с жидким кислородом, которым наполняли специально оборудованный герметичный бассейн. Там он постепенно испарялся, превращаясь в газ, который по трубопроводу вдувался к месту угольных залежей.
Наблюдали за ходом эксперимента с помощью датчиков и видеокамер, установленных под землей. Образцы газов поступали непосредственно с места реакции. Химический анализ осуществляли методом хроматографии. Компьютер обрабатывал данные и строил графики процессов. Это позволяло легко определить, с какими соединениями имеют дело ученые. В большинстве это были смесь углеводных соединений, углекислый газ, водород, азот, кислород и некоторые примеси, например соединения серы. Эти измерения были ключевым элементом исследований, так как в процессе ПГУ выделяется много взрывоопасных газов. На поверхности измерения проводили химики и геологи. Хотя вход в шахту тщательно запечатали, исследователи опасались, что некоторые газы могут просочиться через пористый грунт, ведь процесс газификации проходит на глубине всего двух десятков метров.
Также в распоряжении ученых был георадар, чтобы с поверхности наблюдать за процессами в шахте. Он фиксировал изменения структуры земной пустоты, где проходила газификация.
Эксперимент подтвердил возможность получать топливные газы при ПГУ. Утечек вредных веществ не зафиксировано.
130 лет на доказательства
Идея подземной газификации твердого топлива выдвинута еще в 1880 году Д.И.Менделеевым. Первый проект ее реализации предложил в 1912-м англичанин Вильям Рамсей, но воплотить его не удалось. В 20-х годах ХХ столетия профессор НГУ Александр Терпигорев сформулировал основные принципы работы подземных газогенераторов. Он принимал активное участие в строительстве и промышленной эксплуатации первых станций «Подземгаз» в Украине — на Лисичанском каменноугольном месторождении.
Профессор кафедры подземной разработки месторождений НГУ Олег Колоколов усовершенствовал теоретические основы ПГУ и разработал пилотные проекты их внедрения. Но все упиралось в средства.
В 2007 году последователи Терпигорева и Колоколова начали сотрудничество с Главным институтом горного дела (Польша). Дело сдвинулось с мертвой точки, когда днепропетровским и польским ученым удалось убедить Европейский Союз в том, что эта технология перспективна.
За границей первые проекты подземной газификации угля проведены в 1946 году в Алабаме (США), в 1947-м — в Италии. Но с середины 1970-х годов интерес к ПГУ снизился — метод не выдерживал экономической конкуренции с традиционной добычей угля. Впрочем, в начале XXI столетия технология снова приобрела актуальность. Эксперименты с ПГУ проводятся в США, Индии, Австралии. А в Китае уже работают 10 промышленных станций подземной газификации угля.
