Gaseificação de carvão subterrâneo - Underground coal gasification

Gaseificação de carvão subterrâneo
Tipo de processo químico
Setor (es) industrial (es) indústria de petróleo e gás indústria de
carvão
Matéria-prima carvão
Produtos) gás de carvão
Empresas líderes Africary
Linc Energia
Carbono Energia
Instalações principais Angren Power Station ( Uzbequistão )
Majuba Power Station (África do Sul)
Chinchilla Demonstration Facility (Austrália)
Inventor Carl Wilhelm Siemens
Ano de invenção 1868
Desenvolvedor (s) African Carbon Energy
Ergo Exergy Technologies
Skochinsky Institute of Mining

A gaseificação subterrânea do carvão (UCG) é um processo industrial que converte o carvão em produto gasoso. UCG é um processo de gaseificação in-situ , realizado em camadas de carvão não mineradas usando injeção de oxidantes e vapor. O produto gasoso é trazido à superfície por meio de poços de produção perfurados na superfície.

Os gases de produto predominantes são metano , hidrogênio , monóxido de carbono e dióxido de carbono . As proporções variam dependendo da pressão de formação, profundidade do carvão e equilíbrio oxidante. A saída de gás pode ser queimada para produção de eletricidade. Alternativamente, a saída de gás pode ser usada para produzir gás natural sintético, ou hidrogênio e monóxido de carbono podem ser usados ​​como matéria-prima química para a produção de combustíveis (por exemplo, diesel), fertilizantes, explosivos e outros produtos.

A técnica pode ser aplicada a recursos de carvão que, de outra forma, não são lucrativos ou são tecnicamente complicados de extrair pelos métodos tradicionais de mineração . O UCG oferece uma alternativa aos métodos convencionais de mineração de carvão para alguns recursos. Tem sido associada a uma série de preocupações de ativistas ambientais.

História

A primeira menção registrada da ideia de gaseificação de carvão subterrâneo foi em 1868, quando Sir William Siemens em seu discurso para a Sociedade Química de Londres sugeriu a gaseificação subterrânea de resíduos e carvão residual na mina. O químico russo Dmitri Mendeleyev desenvolveu ainda mais a ideia da Siemens nas duas décadas seguintes.

Em 1909-1910, patentes americanas, canadenses e britânicas foram concedidas ao engenheiro americano Anson G. Betts por "um método de usar carvão não minerado". O primeiro trabalho experimental em UCG foi planejado para começar em 1912 em Durham , no Reino Unido , sob a liderança do ganhador do Prêmio Nobel Sir William Ramsay . No entanto, Ramsay não conseguiu iniciar o trabalho de campo da UCG antes do início da Primeira Guerra Mundial , e o projeto foi abandonado.

Testes iniciais

Em 1913, o trabalho de Ramsay foi notado pelo exilado russo Vladimir Lenin, que escreveu no jornal Pravda um artigo "Grande Vitória da Tecnologia" prometendo libertar os trabalhadores do trabalho perigoso em minas de carvão por gaseificação de carvão subterrâneo.

Entre 1928 e 1939, testes subterrâneos foram conduzidos na União Soviética pela organização estatal Podzemgaz. O primeiro teste usando o método de câmara começou em 3 de março de 1933 na bacia de carvão de Moscou na mina de Krutova. Este teste e vários testes seguintes falharam. O primeiro teste bem-sucedido foi realizado em 24 de abril de 1934 em Lysychansk , Donetsk Basin, pelo Donetsk Institute of Coal Chemistry.

O primeiro processo em escala piloto começou em 8 de fevereiro de 1935 em Horlivka , Bacia de Donetsk. A produção aumentou gradualmente e, em 1937-1938, a fábrica de produtos químicos local começou a usar o gás produzido. Em 1940, plantas experimentais foram construídas em Lysychansk e Tula . Após a Segunda Guerra Mundial , as atividades soviéticas culminaram na operação de cinco unidades UCG em escala industrial no início dos anos 1960. No entanto, as atividades soviéticas posteriormente diminuíram devido à descoberta de extensos recursos de gás natural . Em 1964, o programa soviético foi rebaixado. Em 2004, apenas a unidade de Angren no Uzbequistão e a unidade de Yuzhno-Abinsk na Rússia continuaram operando.

Experimentos pós-guerra

Após a Segunda Guerra Mundial, a escassez de energia e a difusão dos resultados soviéticos despertaram novo interesse na Europa Ocidental e nos Estados Unidos. Nos Estados Unidos, os testes foram realizados em 1947–1958 em Gorgas, Alabama . Os experimentos foram realizados em parceria entre o Alabama Power e o US Bureau of Mines . Os experimentos em Gorgas continuaram por sete anos até 1953, quando o Bureau of Mines dos Estados Unidos retirou seu apoio depois que o Congresso dos Estados Unidos retirou o financiamento. No total, 6.000 toneladas de carvão foram queimadas em 1953 nesses experimentos. Os experimentos tiveram sucesso na produção de gás sintético combustível. Os experimentos foram reativados após 1954, desta vez com hidrofratura usando uma mistura de óleo e areia, mas finalmente descontinuados em 1958 por não serem econômicos. De 1973 a 1989, testes extensivos foram realizados. O Departamento de Energia dos Estados Unidos e várias grandes empresas de petróleo e gás realizaram vários testes. O Laboratório Nacional Lawrence Livermore conduziu três testes em 1976–1979 no local de teste Hoe Creek em Campbell County, Wyoming .

Em cooperação com Sandia National Laboratories e Radian Corporation, Livermore conduziu experimentos em 1981–1982 na mina WIDCO perto de Centralia, Washington . Em 1979-1981, uma gaseificação subterrânea de costuras de mergulho acentuado foi demonstrada perto de Rawlins, Wyoming . O programa culminou no julgamento das Montanhas Rochosas em 1986-1988 perto de Hanna, Wyoming .

Na Europa, o método do fluxo foi testado em Bois-la-Dame, Bélgica , em 1948 e em Jerada , Marrocos , em 1949. O método do poço foi testado em Newman Spinney e Bayton , Reino Unido, em 1949-1950. Alguns anos depois, foi feita uma primeira tentativa de desenvolver um plano piloto comercial, o P5 Trial, em Newman Spinney Derbyshire em 1958–1959. O projeto Newman Spinney foi autorizado em 1957 e compreendia uma caldeira a vapor e um turbo alternador de 3,75 MW para gerar eletricidade. O National Coal Board abandonou o esquema de gaseificação no verão de 1959. Durante a década de 1960, o trabalho europeu parou, devido à abundância de energia e aos baixos preços do petróleo, mas recomeçou na década de 1980. Os testes de campo foram conduzidos em 1981 em Bruay-en-Artois, em 1983–1984 em La Haute Deule, França, em 1982–1985 em Thulin, Bélgica e em 1992–1999 no sítio El Tremedal, Província de Teruel , Espanha . Em 1988, a Comissão das Comunidades Européias e seis países europeus formaram um Grupo de Trabalho Europeu.

Na Nova Zelândia, um teste em pequena escala foi operado em 1994 na Huntly Coal Basin. Na Austrália, os testes foram realizados a partir de 1999. A China opera o maior programa desde o final dos anos 1980, incluindo 16 testes.

Processar

O processo de gaseificação do carvão subterrâneo.

A gaseificação do carvão subterrâneo converte o carvão em gás enquanto ainda está na camada de carvão ( in-situ ). O gás é produzido e extraído por meio de poços perfurados na camada de carvão não minerada. Poços de injeção são usados ​​para fornecer os oxidantes (ar, oxigênio ) e vapor para inflamar e abastecer o processo de combustão subterrânea. Poços de produção separados são usados ​​para trazer o produto gasoso para a superfície. A combustão de alta pressão é conduzida à temperatura de 700–900 ° C (1.290–1.650 ° F) , mas pode atingir até 1.500 ° C (2.730 ° F).

O processo decompõe o carvão e gera dióxido de carbono ( CO
2), hidrogênio ( H
2), monóxido de carbono (CO) e metano ( CH
4) Além disso, pequenas quantidades de vários contaminantes, incluindo óxidos de enxofre ( SO
x), óxidos de mononitrogênio ( NO
x), e sulfeto de hidrogênio ( H
2S ) são produzidos. Conforme a face do carvão queima e a área imediata se esgota, os volumes de oxidantes injetados são controlados pelo operador.

Há uma variedade de projetos para gaseificação de carvão subterrâneo, todos os quais fornecem um meio de injetar oxidante e possivelmente vapor na zona de reação, e também fornecem um caminho para os gases de produção fluírem de maneira controlada para a superfície. Como o carvão varia consideravelmente em sua resistência ao fluxo, dependendo de sua idade, composição e história geológica, a permeabilidade natural do carvão para transportar o gás geralmente não é adequada. Para a quebra de alta pressão do carvão, o hidrofraturamento , a ligação elétrica e a combustão reversa podem ser usados ​​em vários graus.

O projeto mais simples usa dois poços verticais: uma injeção e uma produção. Às vezes é necessário estabelecer comunicação entre os dois poços, e um método comum é usar a combustão reversa para abrir caminhos internos no carvão. Outra alternativa é perfurar um poço lateral conectando os dois poços verticais. UCG com poços verticais simples, poços inclinados e poços longos desviados foi usado na União Soviética. A tecnologia UCG soviética foi desenvolvida pela Ergo Exergy e testada no local de Linc em Chinchilla em 1999–2003, na fábrica UCG Majuba (2007) e no piloto UCG falhado da Cougar Energy na Austrália (2010).

Nas décadas de 1980 e 1990, um método conhecido como CRIP (retração controlada e ponto de injeção) foi desenvolvido (mas não patenteado) pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore e demonstrado nos Estados Unidos e na Espanha . Este método usa um poço de produção vertical e um poço lateral estendido perfurado direcionalmente no carvão. O poço lateral é utilizado para injeção de oxidantes e vapor, e o ponto de injeção pode ser alterado retraindo o injetor.

A Carbon Energy foi a primeira a adotar um sistema que utiliza um par de poços laterais em paralelo. Este sistema permite uma distância de separação consistente entre os poços de injeção e produção, enquanto mineração progressiva do carvão entre os dois poços. Essa abordagem visa fornecer acesso à maior quantidade de carvão por poço definido e também permitir maior consistência na qualidade do gás de produção.

Uma nova tecnologia foi anunciada em maio de 2012 pelo desenvolvedor Portman Energy, em que um método chamado SWIFT (Single Well Integrated Flow Tubing) usa um único poço vertical para entrega de oxidante e recuperação de gás de síntese. O projeto tem um único invólucro de colunas de tubos fechados e preenchidos com um gás inerte para permitir o monitoramento de vazamentos, prevenção de corrosão e transferência de calor. Uma série de linhas de distribuição de oxidante lateral perfuradas horizontalmente no carvão e um ou vários dutos de recuperação de gás de síntese permitem que uma área maior de carvão seja queimada de uma só vez. Os desenvolvedores afirmam que este método aumentará a produção de gás de síntese em até dez (10) vezes acima das abordagens de design anteriores. O projeto de poço único significa que os custos de desenvolvimento são significativamente mais baixos e as instalações e cabeças de poço estão concentradas em um único ponto, reduzindo a superfície das estradas de acesso, dutos e pegada das instalações. [9] O escritório de patentes do Reino Unido informou que o pedido de patente completo GB2501074 da Portman Energy seja publicado em 16 de outubro de 2013.

Uma grande variedade de carvões são passíveis de processo UCG e os tipos de carvão desde a linhita até o betuminoso podem ser gaseificados com sucesso. Muitos fatores são levados em consideração na seleção de locais apropriados para UCG, incluindo condições de superfície, hidrogeologia, litoglogia, quantidade e qualidade de carvão. De acordo com Andrew Beath, da CSIRO Exploration & Mining, outros critérios importantes incluem:

  • Profundidade de 100 a 600 metros (330 a 1.970 pés)
  • Espessura superior a 5 metros (16 pés)
  • Conteúdo de cinzas inferior a 60%
  • Descontinuidades mínimas
  • Isolamento de aqüíferos valorizados .

De acordo com Peter Sallans da Liberty Resources Limited, os critérios principais são:

  • Profundidade de 100-1.400 metros (330-4.590 pés)
  • Espessura superior a 3 metros (9,8 pés)
  • Conteúdo de cinzas inferior a 60%
  • Descontinuidades mínimas
  • Isolamento de aqüíferos valorizados.

Economia

A gaseificação do carvão subterrâneo permite o acesso a recursos de carvão que não são economicamente recuperáveis ​​por outras tecnologias, por exemplo, veios que são muito profundos, de baixo teor ou que têm um perfil de estrato fino. Segundo algumas estimativas, o UCG aumentará as reservas economicamente recuperáveis ​​em 600 bilhões de toneladas. O Laboratório Nacional Lawrence Livermore estima que a UCG pode aumentar as reservas recuperáveis ​​de carvão nos EUA em 300%. Livermore e Linc Energy afirmam que os custos operacionais e de capital UCG são mais baixos do que os da mineração tradicional.

O gás de produto UCG é usado para disparar usinas de turbina a gás de ciclo combinado (CCGT), com alguns estudos sugerindo eficiências de ilhas de energia de até 55%, com uma eficiência de processo combinada UCG / CCGT de até 43%. As usinas de energia CCGT que usam gás de produto UCG em vez de gás natural podem alcançar saídas mais altas do que usinas de carvão pulverizado (e processos upstream associados), resultando em uma grande redução nas emissões de gases de efeito estufa (GEE) .

O gás de produto UCG também pode ser usado para:

  • Síntese de combustíveis líquidos;
  • Fabricação de produtos químicos, como amônia e fertilizantes;
  • Produção de gás natural sintético;
  • Produção de hidrogênio .

Além disso, o dióxido de carbono produzido como subproduto da gaseificação do carvão subterrâneo pode ser redirecionado e usado para recuperação aprimorada de petróleo .

O gás de produto subterrâneo é uma alternativa ao gás natural e potencialmente oferece economia de custos ao eliminar a mineração, o transporte e os resíduos sólidos. A economia de custos esperada pode aumentar devido aos preços mais altos do carvão impulsionados pelo comércio de emissões , impostos e outras políticas de redução de emissões, por exemplo, o Esquema de Redução da Poluição de Carbono proposto pelo governo australiano .

Projetos

Cougar Energy e Linc Energy conduziram projetos-piloto em Queensland, Austrália, com base na tecnologia UCG fornecida pela Ergo Exergy até que suas atividades fossem proibidas em 2016. Yerostigaz, uma subsidiária da Linc Energy, produz cerca de 1 milhão de metros cúbicos (35 milhões de pés cúbicos) de gás de síntese por dia em Angren, Uzbequistão . O gás de síntese produzido é usado como combustível na Central Elétrica de Angren.

Na África do Sul , a Eskom (com a Ergo Exergy como fornecedora de tecnologia) está operando uma planta de demonstração em preparação para o fornecimento de quantidades comerciais de gás de síntese para a produção comercial de eletricidade. A African Carbon Energy recebeu aprovação ambiental para uma estação de energia de 50 MW perto de Theunissen na província de Free State e está pronta para participar do programa de gás do Produtor Independente de Energia (IPP) do DOE, onde UCG foi marcado como uma opção de fornecimento de gás doméstico.

A ENN operou um projeto piloto de sucesso na China.

Além disso, existem empresas desenvolvendo projetos na Austrália, Reino Unido, Hungria, Paquistão, Polônia, Bulgária, Canadá, EUA, Chile, China, Indonésia, Índia, África do Sul, Botswana e outros países. De acordo com a Zeus Development Corporation, mais de 60 projetos estão em desenvolvimento em todo o mundo.

Impactos ambientais e sociais

A eliminação da mineração elimina os problemas de segurança da mina. Em comparação com a mineração e processamento de carvão tradicional, a gaseificação de carvão subterrâneo elimina os danos superficiais e a descarga de resíduos sólidos e reduz o dióxido de enxofre ( SO
2) e óxido de nitrogênio ( NO
x) emissões. Para efeito de comparação, o teor de cinzas do gás de síntese UCG é estimado em aproximadamente 10 mg / m 3 em comparação com a fumaça da queima tradicional de carvão, onde o teor de cinzas pode ser de até 70 mg / m 3 . No entanto, as operações UCG não podem ser controladas com tanta precisão quanto os gaseificadores de superfície. As variáveis ​​incluem a taxa de influxo de água, a distribuição de reagentes na zona de gaseificação e a taxa de crescimento da cavidade. Eles só podem ser estimados a partir de medições de temperatura e análise da qualidade e quantidade do gás de produto.

A subsidência é um problema comum em todas as formas de indústria extrativa. Enquanto UCG deixa as cinzas para trás na cavidade, a profundidade do vazio deixado após UCG é normalmente maior do que com outros métodos de extração de carvão.

Subterrâneo combustão produz NO
xe SO
2e reduz as emissões, incluindo a chuva ácida .

Em relação às emissões de CO atmosférico
2, os proponentes do UCG argumentaram que o processo tem vantagens para o armazenamento geológico de carbono . A combinação da tecnologia UCG com CCS ( captura e armazenamento de carbono ) permite reinjetar parte do CO
2no local, na rocha altamente permeável criada durante o processo de queima, ou seja, a cavidade onde o carvão costumava estar. Contaminantes, como amônia e sulfeto de hidrogênio , podem ser removidos do produto gasoso a um custo relativamente baixo.

No entanto, até o final de 2013, o CCS nunca havia sido implementado com sucesso em escala comercial, pois não estava dentro do escopo dos projetos UCG e alguns também resultaram em preocupações ambientais. Na Austrália, em 2014, o governo apresentou acusações sobre alegados danos ambientais graves decorrentes da planta piloto de gaseificação subterrânea de carvão da Linc Energy, perto de Chinchilla, no depósito de alimentos de Darling Downs em Queensland. Quando UCG foi banido em abril de 2016, o Ministro de Minas de Queensland, Dr. Anthony Lynham, afirmou "Os riscos potenciais para o meio ambiente de Queensland e nossas valiosas indústrias agrícolas superam em muito qualquer benefício econômico potencial. A atividade de UCG simplesmente não se acumula para uso posterior em Queensland."

Enquanto isso, como um artigo no Bulletin of Atomic Sciences apontou em março de 2010, o UCG poderia resultar em emissões massivas de carbono. "Se mais 4 trilhões de toneladas [de carvão] fossem extraídos sem o uso de captura de carbono ou outras tecnologias de mitigação, os níveis de dióxido de carbono atmosférico poderiam quadruplicar", afirmou o artigo, "resultando em um aumento da temperatura média global entre 5 e 10 graus Celsius".

A contaminação de aquíferos é uma preocupação ambiental potencial. Materiais orgânicos e muitas vezes tóxicos (como fenol ) podem permanecer na câmara subterrânea após a gaseificação se a câmara não for desativada. O descomissionamento e a reabilitação do local são requisitos padrão nas aprovações de desenvolvimento de recursos, sejam UCG, óleo e gás ou mineração, e o descomissionamento das câmaras UCG é relativamente simples. O lixiviado de fenol é o risco ambiental mais significativo devido à sua alta solubilidade em água e alta reatividade à gaseificação. O Instituto Lawrence Livermore do Departamento de Energia dos Estados Unidos conduziu um experimento UCG inicial em profundidade muito rasa e sem pressão hidrostática em Hoe Creek, Wyoming . Eles não desativaram o local e os testes mostraram contaminantes (incluindo o benzeno cancerígeno ) na câmara. A câmara foi posteriormente lavada e o local foi reabilitado com sucesso. Algumas pesquisas mostraram que a persistência de pequenas quantidades desses contaminantes nas águas subterrâneas tem vida curta e que a água subterrânea se recupera em dois anos. Mesmo assim, a prática apropriada, apoiada por requisitos regulatórios, deve ser a descarga e descomissionamento de cada câmara e a reabilitação de locais de UCG.

Novas tecnologias e práticas de UCG afirmam abordar questões ambientais, como questões relacionadas à contaminação de águas subterrâneas, implementando o conceito de "Caverna Limpa". É o processo pelo qual o gaseificador é autolimpante por meio do vapor produzido durante a operação e também após o descomissionamento. Outra prática importante é manter a pressão do gaseificador subterrâneo abaixo daquela das águas subterrâneas circundantes. A diferença de pressão força a água subterrânea a fluir continuamente para o gaseificador e nenhum produto químico do gaseificador pode escapar para os estratos circundantes. A pressão é controlada pelo operador por meio de válvulas de pressão na superfície.

Veja também

Referências

Leitura adicional

"Beyond fracking", artigo de recurso da New Scientist (Fred Pearce), 15 de fevereiro de 2014

links externos