Technologie redukcji zanieczyszczeń gazowych.doc

Technologie redukcji zanieczyszczeń gazowych – CH4

Metan CH4

Metan (CH4, znany także jako gaz błotny i gaz kopalniany) – organiczny związek chemiczny, najprostszy węglowodór nasycony (alkan). W temperaturze pokojowej jest bezwonnym i bezbarwnym gazem. Jest stosowany jako gaz opałowy i surowiec do syntezy wielu innych związków organicznych.

Wpływ na atmosferę

Metan jest gazem cieplarnianym, którego potencjał cieplarniany jest 72 krotnie większy niż dwutlenku węgla (w skali 20 lat) lub 25 (w skali 100 lat)[5], a średnia zawartość w atmosferze wynosi 1,7 ppm (w ciągu minionych dwustu lat wzrosła ponad dwukrotnie)[6]. Metan wpływa także w niewielkim stopniu na degradację ozonosfery[7].

Źródła metanu
CO2 jest najważniejszym gazem cieplarnianym ze względu na występowanie w stosunkowo dużych ilościach w atmosferze, ale nie jest on jedynym sprawcą efektu cieplarnianego. Metan (CH4) jest także gazem cieplarnianym, i to znacznie wydajniejszym niż CO2, choć utrzymuje się w atmosferze znacznie krócej. Tak jak w przypadku CO2, istnieją dwa źródła emisji metanu: naturalne to rozkładanie się (gnicie) drewna i procesy beztlenowe zachodzące na terenach bagiennych, natomiast antropogeniczne to uprawa ziemi, hodowla zwierząt i utylizacja odpadów. Działalność ludzka powoduje emisje także innych gazów cieplarnianych: podtlenku azotu (N2O) i licznych przemysłowych składników syntetycznych, zawierających fluor (są one znane jako HFC, PFC i SF6).

Źródła metanu

Źródła metanu

Wydobycie węgla > śmieci > produkcja ropy/gazu > pola ryżowe > hodowla zwierząt

Hydraty metanu
Ogromne ilości CH4 (wciąż nie używane wielkie źródło energii) są uwięzione w hydratach metanu, czyli mieszaninie lodu i metanu o konsystencji ciała stałego. Taka substancja może przetrwać bardzo długo w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury, np. na dnie oceanów lub głęboko w ziemi na obszarach wieloletniej zmarzliny. Szacuje się, że złoża te zawierają około 10 000 PgC, czyli dwa razy więcej niż tradycyjne paliwa kopalne (ropa naftowa, gaz, węgiel) dostępne na Ziemi. W ciągu ostatnich 400 000 lat (dane z rdzeni lodowych ze stacji Vostok) złoża te nie były źródłem emisji metanu do atmosfery. Jednakże postępujące ocieplenie może spowodować topienie się hydratów metanu w przyszłych stuleciach, co spowoduje dodatkową emisję metanu do atmosfery i nasilenie się efektu cieplarnianego. W przyrodzie hydraty mają postać tzw. uwodnionego gazu lub przypominają lód, ale – w przeciwieństwie do lodu – występują raczej w układzie regularnym niż heksagonalnym. Różnice widać

również na przykładzie przewodności cieplnej.

Efekt cieplarniany

Ziemia posiada atmosferę o grubości ponad 1000 kilometrów. Atmosfera zawiera masy powietrza, które zatrzymują i magazynują ciepło pochodzące ze słońca pod postacią promieniowania podczerwonego. Podwyższenie temperatury powierzchni Ziemi będące skutkiem zatrzymywania energii słonecznej przez gazy cieplarniane nazywane jest efektem cieplarnianym lub "szklarniowym", a także globalnym ociepleniem. Znaczna część promieniowania słonecznego (promieniowanie krótkofalowe o długości fali od 0,1 do 4 mm) jest przepuszczana przez atmosferę ziemską i pochłaniana przez powierzchnię Ziemi, co powoduje jej ogrzanie. Wskutek ocieplenia powierzchni Ziemi następuje emisja promieniowania podczerwonego (promieniowanie długofalowe o długości fali od 4 do 80 mm). Znaczna część tego promieniowania jest pochłaniana przez znajdujące się w atmosferze cząsteczki wody, dwutlenku węgla i innych gazów oraz przez drobne kropelki wody w chmurach. Energia cieplna jest teraz przekazywana przez atmosferę głównie z powrotem do powierzchni Ziemi w postaci tzw. promieniowania zwrotnego a tylko częściowo w przestrzeń kosmiczną. Promieniowanie zwrotne ogrzewa ponownie powierzchnię Ziemi, dlatego jest podstawową przyczyną występowania na naszej planecie efektu cieplarnianego. Energia oddawana przez naszą planetę jest mniejsza od energii przyjmowanej pochodzącej ze Słońca.
Dzięki ochronie atmosfery przed wychłodzeniem Ziemi średnia temperatura powietrza wynosi ok. +15°C. Gdyby atmosfera nie zawierała gazów cieplarnianych, nagrzana powierzchnia Ziemi wypromieniowywałaby swą energię w przestrzeń kosmiczną, dlatego średnia temperatura powietrza byłaby równa ok. -17°C.
Gazy cieplarniane są lotnymi substancjami chemicznymi występującymi w atmosferze, których budowa fizyko-chemiczna pozwala na zatrzymywanie i magazynowanie energii cieplnej oraz przekazywanie jej do powierzchni Ziemi w postaci promieniowania podczerwonego.

W powstawaniu efektu cieplarnianego najważniejszą rolę odgrywa dwutlenek węgla, którego udział wynosi 50%. Tak wysoki udział CO2 w efekcie cieplarnianym, mimo najmniejszej efektywności pochłaniania promieniowania podczerwonego jest możliwy dzięki jego wysokiej zawartości w atmosferze - ok. 0,03% (zaw. objętościowa). Rola dwutlenku węgla w efekcie cieplarnianym wciąż wzrasta, co jest skutkiem działalności człowieka: emisja CO2 związana z przemysłem, połączona z gwałtownym zmniejszaniem się powierzchni terenów zalesionych. Oblicza się, że globalna emisja CO2 wynosi ok. 1011 t/rok. W obecnym stuleciu stężenie tego gazu wzrosło od ok. 270 ppm na początku XX w. do 360 ppm w latach 80.
Wysoki udział w powstawaniu efektu cieplarnianego ma również metan (CH4) - 18%. Gaz ten powstaje i jest emitowany do atmosfery w wyniku licznych reakcji beztlenowego rozkładu szczątków roślin i zwierząt oraz beztlenowego rozkładu odchodów zwierzęcych. Metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego, dlatego też jego znaczne ilości są uwalniane do atmosfery wraz z wydobywanym węglem kamiennym i ropą naftową.

Zastosowanie metanu CH4

l                    jako paliwo do silników,

l                    jako surowiec do otrzymywania tworzyw sztucznych,

l                    w przemyśle energetycznym.

Metan w górnictwie
Zagrożenie metanowe i związane z nim zagrożenie wybuchem metanu i pyłu węglowego jest nadal jednym z najgroźniejszych zagrożeń towarzyszących wydobywaniu węgla kamiennego w Polsce. Wzrost zagrożenia metanowego jest wynikiem prowadzenia eksploatacji podziemnej na coraz większej głębokości w otoczeniu coraz bardziej metanowego złoża, przy wzrastającej koncentracji wydobycia, co jest przyczyną do skumulowania strumienia metanu wydzielającego się do kopalń z mniejszej liczby ścian, a tym samym do wzrostu ich metanowości. Co to dokładnie znaczy? Im mniej ścian wydobywczych (produkcja węgla w Polsce systematycznie spada), tym większe w nich stężenie metanu, bo jego wydzielanie to nieodłączny towarzysz wydobycia węgla kamiennego. Polskie kopalnie węgla kamiennego (jest ich 30) wydobyły 76,1 mln ton węgla kamiennego, z czego blisko 80 proc. wydobycia uzyskuje się z pokładów zaliczonych do metanowych. 26 kopalń zostało uznanych przez okręgowe urzędy górnicze za metanowe. Pomimo postępu w rozpoznawaniu i zwalczaniu zagrożenia metanowego obserwuje się jego narastanie w wielu obszarach górniczych kopalń. Z czego to wynika? Po pierwsze – wydobycie prowadzi się coraz głębiej (powstaje coraz więcej ścian ponad kilometr pod ziemią). A zawartość metanu w pokładach węgla zwiększa się wraz z głębokością ich zalegania. Po drugie – na dużych głębokościach metan jest pod dużym ciśnieniem w szczelinach czy uskokach, stąd jego nagłe wyrzuty.

Kopalnie Jastrzębskiej  Spółki Węglowej

l                    Jastrzębska Spółka Węglowa S.A. – największy  w Polsce producent węgla koksowego, powstała  1 kwietnia 1993 r.;

l                    Obecnie (2010) do spółki należy 6 kopalń oraz szereg podmiotów gospodarczych jak: Zakład Logistyki Materiałowej, Spółka Energetyczna Jastrzębie S.A., Jastrzębska Spółka Kolejowa Spółka z o.o., Polski Koks S.A. i inne. 

Kopalnie Jastrzębskiej Spółki Węglowej

l                   To kopalnie należące do najbardziej metanowych,

l                   Największa metanowość bezwzględna występowała w kopalni „Pniówek”.

Kopalnie JSW SA Ujęcie i wykorzystanie metanu; Slajd 14 - Kopalnie JSW SA Struktura wykorzystania ujętego metanu; Slajd 15 - Kopalnie JSW SA Układ energetyczno-chłodniczy

Kopalnia Krupiński

l                   Złoża kopalni znajdują się na terenie Suszca, Żor oraz Orzesza w województwie śląskim.

l                    to jedna z pierwszych, które stosowały silniki metanowe, pozwalające na wykorzystane wychwyconego gazu w celach energetycznych;

l                    Spośród kopalń stosujących odmetanowanie największą efektywność wykorzystania metanu uzyskano w kopalniach Brzeszcze, Silesia, Zofiówka, Pniówek, Jas-Mos i Jankowice;

l                    Kopalnie nie wykorzystują całego metanu, który uda im się wychwycić.

Cele podziemnego odmetanowania

Są dwa cele  podziemnego odmetanowania:  poprawa bezpieczeństwa w kopalniach silnie metanowych, oraz możliwość  wykorzystania  metanu przez kopalnie,  jako źródła energii na skalę przemysłową. Dla pracujących pod ziemią górników metan, który zmieszany z powietrzem wybucha w stężeniu od 5 do 15 proc., jest bardzo niebezpieczny. Jednak ujęty w instalacje odmetanowania może służyć do zasilania w ciepło i energię kopalnianych czy miejskich elektrociepłowni. Od wielu lat w polskich kopalniach węgla kamiennego następuje stopniowy rozwój odmetanowania podziemnego i gospodarczego wykorzystania ujętego metanu w instalacjach ciepłowniczo-energetycznych. Wiele samorządów gminnych rozpoczęło prace w celu wykorzystania metanu (po wtłoczeniu do sieci gazowych) w ogrzewaniu kompleksów budynków. Zaledwie 30 proc. wydzielającego się przy wydobyciu węgla metanu jest ujmowana w instalacje odmetanowania, zaś do gospodarczego wykorzystania trafia mniej niż 1/5 część całości - wynika z danych Wyższego Urzędu Górniczego (WUG). W Polsce instalacje odmetanowania funkcjonują w 20 kopalniach. Najwięcej metanu wydziela się w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej (JSW): Pniówek;  Zofiówka i Krupiński, a także Kompanii Węglowej - przede wszystkim Brzeszcze-Silesia i Sośnica-Makoszowy. Ujmując gaz w instalacje odmetanowania, kopalnie zmniejszają zagrożenie dla środowiska. Sprzedając go następnie spółce energetycznej, zarabiają. Wykorzystanie metanu zamiast węgla, zmniejsza emisję CO2. Metan z polskich złóż wykorzystywany np. w Czechach. Jego wydobyciem i przesyłem za granicę zajmuje się należąca do czeskiego inwestora spółka Karbonia Pl, działająca  w  Kaczycach na Śląsku Cieszyńskim. Gaz pochodzi ze złóż zlikwidowanej w latach 90. kopalni Morcinek.

Składowisko odpadów

Pierwszym najważniejszym elementem budowy składowiska odpadów jest geomembrana (folia o grubości 2-3 mm) zabezpieczająca przedostawanie się substancji toksycznych do warstw zawierających wody gruntowe. (warstwy wodonośne - wody do picia). Geomembrana w czasie eksploatacji podlega stałej kontroli szczelności. (system monitoringu wysypiska). Kolejnym z najważniejszych elementów jest "Pas zieleni ochronnej". Pas zieleni ochronnej musi zawierać przynajmniej dwa piętra zieleni tzn. drzewa wysokie oraz krzewy, aby spełniał swą rolę ochronną (np.: przechwytywanie odorów). Rola pasa ochronnego zieleni jest bardzo ważna, gdyż wysypisko odpadów komunalnych jest żerowiskiem dla ptaków i gryzoni roznoszących resztki po okolicy, wokół wysypiska, jest też ulubionym miejscem siedlisk much i komarów, co stwarza dodatkowe zagrożenie sanitarne! Do charakterystycznych czynników emitowanych przez składowisko odpadów komunalnych należą:

•              gazy : metan, dwutlenek węgla, oraz nieznaczne ilości siarkowodoru, azotu, tlenku węgla, wodoru, węglowodorów aromatycznych.

•              zanieczyszczenia mikrobiologiczne: bakterie, grzyby (w tym także zawierające mykotoksyny).

•              pyły zawierające metale ciężkie: Cd, Pb, Zn, Fe, Mn, Ni, Cr (składowanie popiołów).

•              odory: głównie organiczne związki siarki, azotu oraz niektóre węglowodory.

Schemat technologicznego wykorzystania bi...