№12 декабрь 2024

Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

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.

Клатрат метана или "огненный лёд" представляет собой газовый гидрат метана. Фото: J. Pinkston and L. Stern (USGS), Flickr.com

– 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.

230920_113936_1271_low.jpg
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.

230920_111448_1234_low.jpg
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.

Автор: Наталия Лескова


Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie и рекомендательные технологии. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie и рекомендательных технологий на вашем устройстве. Подробнее