1 Хавкин А Я 2011 ГАЗИФИКАЦИЯ

1 © Хавкин А. Я. , 2011 ГАЗИФИКАЦИЯ РЕГИОНОВ РОССИИ НА ОСНОВЕ ГАЗОГИДРАТОВ А. Я. Хавкин, Сопредседатель бюро секции «Нанотехнологии для нефтегазового комплекса» Нанотехнологического общества России, гл. н. с. ИПНГ РАН, д. т. н. , Почетный нефтяник РФ, Лауреат Медали ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонауки и нанотехнологий» Москва, 20 апреля 2011 г.

2 u u u Газификация мест жизнедеятельности российских граждан в регионах России является основой повышения качества их жизни. На сегодня – только 20 -30% домов в регионах России газифицировано, хотя Россия является крупнейшим экспортером природного газа! При этом существует государственная программа газификации России. В соответствии с закрепленными сферами ответственности, ООО «Газпром межрегионгаз» осуществляет строительство межпоселковых газопроводов согласно утверждаемой ОАО «Газпром» Программой газификации регионов Российской Федерации, которая формируется на основе предложений администраций регионов. В период 2001 -2010 гг. эти цели ОАО «Газпром» были направлены средства в объеме 126, 77 млрд. рублей и построено более 21, 3 тысяч километров газораспределительных сетей.

3 u u u За период 2005 -2010 гг. количество регионов-участников Программы газификации возросло с 25 до 71. На строительство межпоселковых газопроводов в этот период инвестировано более 115 млрд. рублей, построено 1048 межпоселковых газопроводов протяженностью более 16 тысяч км. Уровень газификации природным газом за период 20052010 гг. увеличился в среднем по России с 54, 2% до 63, 1%, в городах и поселках городского типа возрос с 60, 9% до 69, 8%, а населенных пунктов в сельской местности – с 36, 1% до 46, 7%. При этом, для увеличения объема газификации России с 54% до 63% израсходовано 90 млрд. рублей. Только в 2010 году объем инвестиций ОАО «Газпром» в газификацию России составил свыше 25 млрд. руб. Получается, что на газификацию России до 90% потребуется не менее 270 млрд. рублей.

4 u u u При этом только в Московской области до конца 2012 года необходимо обеспечить природным газом 214 населенных пунктов, для чего требуется провести 1420 км трубопроводов. Для финансирования программы газификации предусматривается специальная надбавка за транспорт газа в размере 70 руб/1000 м 3+НДС. Температура образования сжиженного газа равна минус 160 о. С, и сжиженный газ хранят в баллонах при давлении 200 атм. Все это требует создания мощной криогенной техники, а нахождение газовых баллонов в помещении взрывоопасно.

Для использования газогидрата в быту требуется 5 последующий перевод газогидрата в газообразное состояние непосредственно в жилом помещении (или на блоке в центре жилого массива). Преимущества использования метангидрата: u Газогидрат менее взрывоопасен, чем сжиженный и газообразный природный газ. u Энергетически технология использования газогидрата более выгодна, чем использование сжиженного газа. u При использовании газа традиционным способом требуется не менее 100 тыс. рублей на подвод газовой трубы в дом. При применении метангидрата потребитель будет только приобретать морозильник для метангидрата с редуктором за 20 -25 тыс. рублей. u Затраты ОАО «Газпром» на газификацию с применением метангидрата значительно меньше, чем при других способах. u Практически во всех регионах России есть либо объемы природного газа в виде магистрального трубопровода, либо попутный газ нефтяного месторождения. u

6 u. Газогидрат (ГГ) метана – это огромный энергетический ресурс и важнейший объект исследований. u. Для высвобождения метана из ГГ метана требуется примерно в 15 раз меньше энергии, чем содержащаяся в самом метане тепловая энергия, а в 1 м 3 ГГ метана содержится 160 м 3 метана и 850 л воды. u. Плотность гидрата метана равна 913 кг/м 3, гидрата этана 967 кг/м 3, гидрата пропана 899 кг/м 3. u. Метан находится в твердой гидратной форме при атмосферном давлении ниже температуры (-80)о. С. При умеренных давлениях ГГ природных газов существуют вплоть до +(20÷ 25)о. С (Современное состояние газогидратных исследований в мире и практические результаты для газовой промышленности / Материалы совещания, г. Москва, 29 апреля 2003 г. // М. , ООО «ИРЦ Газпром» , 2004, 112 с. ).

7 u u Найденные условия образования и стабильности ГГ метана позволили прогнозировать возможные зоны ГГ залежей на суше на глубине 200 -1100 м при температуре от (-10)о. С до (+15)о. С, и в придонных слоях водоемов на глубине 1200 -1500 м при температуре +(0÷ 17)о. С. Эти прогнозы начали подтверждаться с 1969 г. Такие залежи найдены в северных районах Западной Сибири, на Дальнем Востоке, и на шельфе, затем на Аляске и в Канаде, а позднее во многих других странах. На основании прогноза по геотермическим данным найдены газогидратные отложения в пресноводном водоеме при бурении в южной котловине о. Байкал на глубине 1433 м (Первая находка газогидратов в осадочной толще озера Байкал / Кузьмин М. И. , Калмычков Г. Б. , Конторович А. Э. и др. // ДАН СССР, 1998, т. 362, № 4, с. 541 -543).

8 u u u Большой вклад в исследования структуры газогидратов сделан российским ученым Б. А. Никитиным в период 1936 -1952 гг. Он ввел понятие «газовые клатраты» , в которых молекулы газа ( «гости» ) включаются в полость, образованную молекулами воды за счет водородных связей ( «хозяевами» ). Клатраты (в переводе с латинского – защищенный решеткой, заключенный) - такие соединения, которые образованы включением молекул (гостевых) в полость каркаса из других молекул (хозяева). Считается, что между молекулами «гостя» и «хозяина» не может существовать никакого взаимодействия кроме незначительных сил Ван-дер-Ваальса, а также сил типа водородной связи между атомами молекулы «хозяина» . Молекулы гидратообразователей в полостях между узлами ассоциированных молекул воды гидратной решетки удерживаются с помощью Ван-дер-Ваальсовых сил.

9 u u При таком понимании механизма гидратообразования вода должна предварительно замерзнуть с поглощением значительного количества энергии. Но известны факты существования ГГ при положительных температурах, например, в газовых трубопроводах выше температуры замерзания воды (Истомин В. А. , Якушев В. С. Газовые гидраты в природных условиях // М. , Недра, 1992, 236 с. ).

10 u u В молекуле воды, за счет высокой электроотрицательности атома кислорода, электрон атома водорода практически полностью смещен в сторону кислорода. Поэтому атом водорода с «периферийной стороны» (по отношению к атому кислорода) можно условно рассматривать как свободный протон, который может проникнуть в зону влияния атома углерода с образованием донорноакцепторной связи. По гомологическому ряду предельных углеводородов число молекул воды для создания гидрата должно расти, причем эти соединения должны быть более стабильны по сравнению с гидратом метана, что и наблюдается на практике. Известно, что вода диссоциирует на ионы водорода (протон) и гидроксила. Абсолютное количество протонов в воде составляет 10 -7 г-ион/л. Внедрение протона в молекулу метана еще более вероятный процесс по сравнению с внедрением молекулы воды. Однако протон может существовать только в жидкой фазе.

11 u u Поэтому вполне возможен такой донорно-акцепторный механизм образования газового гидрата: сначала происходит конденсация паров воды, затем происходит ее диссоциация, затем она взаимодействует с углеводородом, и в итоге - образование газогидрата за счет внедрения протона. Существование иона СН 5+ (этот ион носит название метоний) доказано экспериментально в 1952 г. (Тальрозе В. Л. , Любимова А. К. Вторичные процессы в ионном источнике масс-спектрометра // ДАН СССР, 1952, т. 86, с. 909 -912. ).

12 u u u При этом молекула СН 4 в целом электронейтральна, т. к. внутри правильной тетраэдрической пирамиды имеет повышенную электронную плотность и четыре иона водорода компенсируют этот заряд. Межплоскостное расстояние трех атомов водорода в тетрагональной молекуле метана превышает 0, 22 нм, что позволяет проникнуть в эту тетраэдрическую полость протону, имеющему размеры менее 0, 05 нм, и приводит к образованию метастабильного иона метония СН 5+, который может существовать только в присутствии жидкой водной фазы за счет диссоциации. При последующей гидратации ион метония образует ГГ – метастабильное молекулярное соединение типа СН 4∙n. Н 2 О, где n, может быть больше 3 (Некрасов Б. А. Курс неорганической химии // М. , Мир, 1968, 352 с. ). Исследования подтвердили донорно-акцепторной наномеханизм образования и разрушения, который представляется наиболее достоверным.

13 Донорно-акцепторный механизм образования ГГ на суше и в водных средах (моря, озера) позволяет предположить наличие плавающих слоев (суспензии) газогидратов (СГГ) в водных средах. Связано это с тем, что ряд ГГ, как отмечено выше, имеет плотность близкую к плотности воды, а подток природного газа из геологических структур обеспечивает баланс подтока природного газа для образования суспензии газогидратов и оттока газа из-за разрушения ГГ. u Оз. Байкал на глубине более 100 м имеет температуру 3 -4 о. С и в придонных слоях 3, 1 о. С (Соколов А. А. Гидрография СССР // Гидрометеоиздат, Л. , 1952). u Равновесная кривая образования ГГ метана (Временная инструкция по предупреждению и ликвидации гидратов в системах добычи и транспорта газа / Ю. Ф. Макогон, А. Г. Малышев, А. Д. Седых и др. // ВНИИГАЗ, 1983 г. , 132 с. ) имеет вид: lg P = 14, 71 -3630/T, T=273+to. C u

14 Видно, что верхняя граница образования ГГ метана в оз. Байкал находится на глубине 380 -400 м. Образующиеся ГГ с плотностью близкой к плотности воды будут создавать плавающие слои в водной среде, а ГГ с плотностью выше плотности воды (например, при образовании ГГ из смеси газов) будут оседать на дно. Так, гидрат H 2 S имеет плотность 1046 кг/м 3, а гидрат СО 2 – 1107 кг/м 3. 1 2 3

15 u u Нами разработана технология уменьшения энергозатрат на перевод метана в газогидратную форму, принципы перевозки метангидрата и использования его в бытовых условиях. Имеются запросы на изготовление необходимого оборудования и газификации с применением метангидрата из таких регионов, как Удмуртия, Якутия, Дагестан, и многие другие. Газификация России на основе метангидрата будет стоить в разы дешевле традиционного способа и может быть проведена в разы быстрее. Создание газогидратной отрасли ТЭК позволит превратить нанотехнологию регулирования свойств газогидрата в доходное производство, ускорит газификацию России, создаст рабочие места, повысит уровень жизни населения и уменьшит возможность трагедий при пожарах.

16 Спасибо за внимание!