И согреют, и пожар потушат

Что такое газогидраты? Где они «водятся» и как их можно использовать? Об этом рассказывает Никита Шлегель, кандидат технических наук, сотрудник лаборатории тепломассопереноса, доцент исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета.

– Никита, почему вы занялись именно газогидратами?

– Это чрезвычайно перспективная тема. Мы, в частности, занимаемся исследованием и использованием газовых гидратов в энергетической промышленности, технологиях пожаротушения, сепарации жидкостей и газов и в других областях. Также в нашей лаборатории создаются различные виды топлив для энергетического сектора и двигателей внутреннего сгорания. Мы проводим исследования по изучению характеристик горения, распыления и стабильности.

– А что это вообще такое – газогидрат? Существуют ли они в природе?

– Это кристаллические соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и газа. Т.е. это небольшой кусочек льда, в котором находится закачанный туда газ. Это может быть инертный или горючий газ. В природе газогидраты существуют, они находятся под землёй или на морском дне и, как правило, мешают нефте- и газодобыче. Обычно они образуются именно при перекачке нефти и газа, закупоривая трубопроводы.

– А в качестве топлива газогидраты можно использовать? В них же есть природный газ...

– Установки для применения газогидратов как источника топлива на сегодняшний день пока отсутствуют. Хотя к газогидратам появляется интерес, поскольку они в ряде случаев могут заменить собой сжиженный природный газ. Можно создать гидрат горючего газа (например, метана), перевезти его в отдалённое место, заставить выходить из него газ (это так называемый процесс диссоциации), после чего подавать газ и сжигать его в энергоустановках совместно с низкосортными топливами и отходами угля и нефти обогащения. Такое сжигание будет способствовать получению энергии и утилизации таких отходов.

– Какие тут ещё есть преимущества?

– В гидратообразовании участвует только вода, и все примеси, которые там есть (например, вода может быть замазученной), отделяются. Образуется чистый гидрат. После того как его перевезли и заставили диссоциировать, в реакторе образуется вода чистого качества, пригодная для работы теплового оборудования. Подача газа совместно с паром в котельную установку способствует снижению антропогенных выбросов.

Никита Шлегель, кандидат технических наук, сотрудник лаборатории тепломассопереноса, доцент исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета. Фото: Андрей Афанасьев.

Также с помощью гидратов может производиться сепарация газов. Скажем, в природном газе много азота. Мы делаем гидрат метана, азот остаётся в газообразном состоянии, после чего мы можем закачать его в баллон и отдать потребителю, тем самым очистив газ.

– А что это за технологии пожаротушения, о которых вы упомянули?

– Мы в нашей лаборатории разрабатываем два устройства, которые обеспечат подачу газогидрата в зону горения. Первое устройство – это самосрабатывающий гидратный огнетушитель. Гидрат помещается в сосуд, за счёт нагревания сосуда происходит диссоциация, растет давление, после чего происходит небольшой взрыв и взрывная волна сносит пламя, при этом сам гидрат попадает в очаг, а инертный газ вытесняет из зоны горения окислитель. Таким образом, горение уже не поддерживается, а температура снижается. Второе устройство представляет собой стационарный огнетушитель.

Здесь двойной эффект. Все мы знаем, что у воды большая теплоёмкость, и это позволяет нам забрать температуру от объекта и использовать её для процесса парообразования. Здесь же происходит так: попадает лёд, который плавится, после чего вода должна нагреться и испариться. Эффект в том, что температуры от очага горения можно забрать намного больше и эффективнее её снизить.

Также мы делаем газогидраты с добавлением поверхностно-активных веществ, которые позволяют после их диссоциации устанавливать пенную шапку. Из зоны горения окислитель – кислород – вытеснили, а за счёт того, что там есть ПАВ, пена не даёт новому окислителю туда попасть.

– Это касается только бытовых пожаров или таким образом можно тушить лесные пожары, которые для Сибири стали настоящим бедствием?

– Пока это касается бытовых пожаров. Лесные пожары – тема, которую в будущем будем изучать, но пока применить наши технологии тут трудно. Здесь уже совсем другие расходы газогидратов, в связи с чем мы уже сейчас начинаем проектировать и создавать установки, которые позволят собирать газогидраты из дымовых газов при сжигании топлив, основанных на отходах и гидратах. Например, привезли на станцию гидрат метана, сожгли его совместно с отходами угле и нефти добычи получили дымовые газы и создали из них гидрат двуокиси углерода.

– Сжигать метан – разве это хорошо?

– Тут плюс в том, что его достаточно легко поджечь, а чтобы бороться с загрязнением территории, у нас есть установки, где мы моделируем процесс газогидратного горения и подаём в факел горения отходы углеобогащения. В Кузбассе они занимают огромные территорий. Годятся и отходы нефтедобычи. Когда мы всё это сжигаем, получаются дымовые газы, в которых есть двуокись углерода, другие инертные газы. Мы подаём их в реактор, делаем гидрат, который используется для пожаротушения. Думаю, в будущем мы будем рассматривать и лесные пожары, и горящие скважины. А сейчас мы разрабатываем огнетушитель на основе газогидратов.

– Обычный огнетушитель, который можно повесить где угодно?

– Пока что где угодно его не повесишь – нужно, чтобы температура была от нуля до плюс двух градусов. В него закачан гидрат, который находится в равновесном состоянии, а ниже его находится вода. После нажатия на ручку огнетушителя открывается мембрана, происходит мгновенная диссоциация, и из огнетушителя вылетает водо-ледяная пенная смесь с инертным газом, который блокирует огонь.

– Какие газы вы используете?

– Мы используем метан, пропан, двуокись углерода, фреоны и сейчас начинаем переходить к природному газу.

– Все ваши установки вы сами создаёте?

– Да, своими руками. Первая установка, на которой мы сейчас работаем, моделирует процесс сжигания газового гидрата вместе с жидкими топливами. Вторая позволяет сжигать газовый гидрат непосредственно в полёте, то есть мы можем в свободном падении изучать процесс горения. Третья установка моделирует котёл, в который подаётся газ и отходы углеобогащения. Также у нас есть реакторы для создания газогидратов. Сейчас работают два реактора – один маленький, а другой большой, способный производить до 400 граммов вещества. Этот процесс занимает 30-40 минут. Сейчас мы спроектировали огромный реактор, который будет позволять делать до 20 кг. за 15-30 минут.

Исследовательский реактор для создания газогидратов. Фото: Андрей Афанасьев.

– Идея взять у природы то, что мешает, и сделать что-то полезное, замечательна. Какие возможности в будущем тут могут открыться?

– Главные возможности здесь связаны с тем, что мы можем газ довезти в те районы, куда раньше он не мог попасть. Мы можем отопить этим газом коттеджные посёлки, какие-то важные стратегические объекты, полярные станции, сложно доступные территории. Отработанные дымовые газы мы можем пустить в рекуперацию, а не просто выкинуть в атмосферу, создать из них пожаротушащий гидрат, который будет ждать своего часа.