ГЕЛИЕВЫЙ ЗАВОД НА ГАЗОВОМ ПРОМЫСЛЕ
В Сибирском отделении РАН ведутся работы по созданию
некриогенного способа извлечения гелия из природного газа,
основанного на селективном поглощении этого элемента полыми
стеклянными микросферами (ценосферами) при пропускании исходной
смеси через адсорбционную колонну с засыпкой из ценосфер.
Сделанные оценки показывают, что метод позволяет достигнуть
высоких коэффициентов обогащения смеси гелием при обычных
температурах. Вполне возможно, что колонны будут служить как
несложные недорогие установки для производства гелия прямо на
промыслах газа.
Галина Шпак,
«НВС»
В январе этого года научная общественность отмечала юбилей
академика А. Конторовича. В его честь проводилась конференция
«Актуальные фундаментальные и прикладные проблемы геологии и
геохимии нефти и газа» (Новосибирск, 26-27 января). В числе
авторов докладов — ученых-геологов, в основном
нефтяников — оказался член-корреспондент РАН В. Фомин, директор Института
теоретической и прикладной механики СО РАН. Он предложил для
обсуждения новый метод выделения гелия из природных газов, не
требующий глубокого охлаждения.
 |
| Член-корреспондент РАН В. Фомин и его молодые
соавторы — кандидат физико-математических наук С. Долгушев и аспирант
А. Верещагин. |
Позднее выяснилось, что уже выполняются исследования по
интеграционному проекту «Научное обоснование
диффузионно-сорбционной технологии выделения гелия из природного
газа в нестационарных условиях». Механики скооперировались с
химиками Института химии и химической технологии Красноярского
научного центра СО РАН (ИХХТ). Разумеется, для обоснования
проекта его руководитель член-корреспондент РАН В. Фомин и физик,
кандидат физико-математических наук С. Долгушев подготовили обзор
литературных и сетевых данных по производству и потреблению гелия
в различных странах, перспективам развития гелиевой
промышленности и расширению сферы применения «солнечного» газа,
методам его получения из природных источников (впервые гелий был
обнаружен на Солнце в 1868 г.). Месторождения с большими
ресурсами гелиеносных природных газов были открыты на территории
США в начале 20-го столетия, и с тех пор основная доля мирового
производства и потребления гелия приходится на эту страну (около
85 % сейчас, в 1964 году этот показатель составлял 95 %). В
настоящее время эти месторождения в основном выработаны, и хотя,
по оценкам экспертов, США обладают значительными запасами
гелиевого концентрата, произведенного и закаченного в подземные
резервуары, ученые и промышленники обеспокоены возможностью
возникновения кризисной ситуации в будущем, когда запасы гелия
закончатся. Указывается даже период предполагаемого кризиса:
20-50-е годы этого столетия.
По мнению академика А. Конторовича, разумное освоение
месторождений гелиеносных природных газов Восточной Сибири не
только решит «гелиевую задачу», но и выведет Россию в лидеры по
производству гелия. Интересно, как, при каких обстоятельствах
возникла эта «гелиевая задача» и почему?
 |
|
— В свое время, — как сказал в нашей беседе В. Фомин, — лет
пять тому назад, в случайном разговоре Алексея Эмильевича
спросили — почему не разрабатываются давно открытые газовые
месторождения Восточной Сибири? Оказывается, Собинское
нефтегазоконденсатное месторождение в Красноярском крае,
Ботуобинская группа месторождений в Якутии и особенно
Ковыктинское в Иркутской области отличаются очень большим
содержанием гелия в природном газе (0,25-1 % об.). И еще в
советское время на правительственном уровне было заявлено: пока
не научимся извлекать гелий, эти месторождения не будут
разрабатываться. Какие проблемы-то? Взять и заморозить газ до
температур конденсации его компонентов, как это обычно и делают.
Физический способ выглядит просто: начинаем постепенно охлаждать,
углеводородные компоненты газа конденсируются в виде капель или
жидкой пленки, а гелий остается в газообразном состоянии. Он
замерзает последним, сжижается при температуре близкой к
абсолютному нулю. Тогда академик Контрович спросил: «А вы
подумали, сколько понадобится энергии, чтобы весь этот газ
заморозить?» На каждой скважине придется иметь свою
электростанцию! А месторождения Восточной Сибири находятся вдали
от промышленных центров с мощными источниками электроэнергии. То
есть, классический способ не подходит. Алексей Эмильевич, как
всегда, азартно предложил разобраться в ситуации: есть исходные
параметры газового месторождения с высокодебитными
скважинами — миллион кубических метров газа в сутки и пластовое давление
150-200 атмосфер. «Вот и подумайте, как можно оттуда выделить
гелий!» Помнится, я объявил конкурс в нашем институте на эту
работу. Предложений было очень много, но их реализация
практически неосуществима из-за больших энергетических затрат.
Потом, когда в Сибирском отделении родились интеграционные
проекты (это была находка Президиума СО РАН!), когда стали
совместно работать ведущие ученые различных специальностей,
обсуждать общие вопросы и нетривиальные идеи, на одной такой
встрече была высказана мысль: нельзя ли найти такой материал,
который бы поглощал гелий. Нам помогли геологи — они предложили
использовать цеолиты, тем более, что эти алюмосиликаты
используются на промыслах в качестве осушителей природного газа
при его подготовке к транспорту. Однако при детальном
исследовании выяснилось, что цеолиты хорошо поглощают гелий, но
только когда он охлажден до криогенных температур. Поэтому
технологически применить их в поглощении гелия практически
невозможно. Но мы воспользовались только самой идеей твердого
поглощающего материала в ходе обсуждения интеграционного проекта
с красноярцами. С другой стороны, гелий обладает уникальной
способностью проникать сквозь стеклянные оболочки ценосфер при
обычных температурах, в то время как другие газы (за исключением
водорода) таким свойством не обладают.
— С кем вы конкретно работаете?
— С профессором Александром Аншицем. Он заведует отделом в
Институте химии и химической технологии. Кстати, у нас с ним идет
работа по созданию промышленных взрывчатых веществ. И уже создана
технология по получению микросфер (ценосфер), полых стеклянных
шариков. Профессор Аншиц в ценосферах понимает все, то есть как
их получать с определенными заданными свойствами. Наша
задача — как эти свойства использовать в соответствующих технологиях. И мы
догадались, что гелий может поглощаться из газового потока этими
стеклянными шариками (ценосферами).
— Каким образом? В трубах, прямо при течении газа в
трубопроводе?
— Так как вы говорите. Теоретически вышло красиво. Были написаны
математические модели. Пришлось построить теорию гетерогенных
сред, когда дисперсная фаза в виде стеклянных шариков поглощает
гелий из несущего природного газа. Мне помогали в работе Сергей
Долгушев и аспирант Антон Верещагин. Но когда мы стали
знакомиться с технологией очистки природного газа, а он выходит
из недр с различными включениями — с песком, конденсатом в виде
капель бензина, керосина, водой и под большим давлением, — мы
задумались. Потоки и давление большие. Почему я говорю об этом?
Потому что на промыслах никогда стеклянные шарики в трубу не
запустят. Стекло — очень прочное вещество. Шарики будут тереться
о стенки трубы и в результате…
— Шарики сработают как снаряды!
— Да, маленькие снаряды, но их миллионы…Они будут разрушать
трубопровод, к тому же надо уметь их извлекать оттуда после их
насыщения гелием. Хотя этот вопрос тоже решаемый. В институте
созданы машины трения, с применением которых выделить ценосферы
из газового потока достаточно просто. И все же мы не зря
работали. Получилась очень хорошая технология… Изучая, как на
газоразделительной станции в специальные емкости засыпают цеолиты
(естественные адсорбенты) для осушки природного газа, мы
подумали: а почему бы нам эти шарики не засыпать вместе с
цеолитами? В виде смеси с цеолитами или в виде последовательно
расположенных слоев цеолитов и стеклянных микросфер. Цеолиты
будут поглощать влагу, а наши шарики — гелий. Вот сейчас мы этим
как раз и занимаемся.
— С химиками?
— Нет, пока мы это делаем сами с помощью математических моделей.
У нас получилась необычная многофазная задача. Есть природный газ
с содержащимся в нем гелием, и есть твердые шарики, проницаемые
для гелия. Мы изучаем процесс, как слой шариков будет впитывать
гелий и как его потом из шариков извлечь.
— Задача уже решена?
— Мы вывели систему уравнений, решали ее аналитически для ряда
упрощенных ситуаций. Сейчас пришли к выводу, что необходимо
решать эти уравнения численно, чтобы рассчитывать все возможные
режимы работы колонны с микросферами.
— То есть, будете моделировать?
— Конечно.
— Коль скоро вы начали заниматься такой задачей, надо понимать,
что она возникла не случайно?
— Наш институт занимается физико-химической механикой. Это одно
из научных направлений. Этой тематикой институт всегда был
традиционно представлен. Но, несомненно, «гелиевая» задача
существенно отличается от тех, которые решались. Есть много видов
многофазных сред. В Институте гидродинамики, например, занимаются
системами газ-капли, в Институте теплофизики — системами
жидкость-пузырьки, а в ИТПМ — системами газ-твердые частицы
(они отражают рабочие процессы в ракетных двигателях). А сейчас
другое направление: частица поглощает гелий в себя. Это
качественно другие процессы, но все равно это физико-химическая
механика, математические модели которой объединяют уравнения
сохранения массы, импульса и энергии с уравнениями кинетики
физико-химических процессов различной природы. Кроме
математических и технологических проблем, появилась еще одна
преграда: производство стеклянных шариков очень дорого обходится.
Кстати, идея стеклянных шариков возникла в атомной
промышленности. Различные радиоактивные вещества запаивают в
стеклянные капсулы, чтобы их сохранить или обезвредить.
— Это известный способ капсулирования радиоактивных отходов.
— Мы этой идеей воспользовались, когда началась работа по
интеграционному проекту. Институт химии и химической технологии
предложил вместо стеклянных шариков из дорогого кварцевого стекла
использовать так называемые ценосферы — тоже микросферы-шарики,
получаемые в процессе горения низкосортных, пылевидных углей в
топках ТЭЦ — теплоэлектростанций.
— Попросту — это зола, отходы.
— Да, и нам остается только взять эти отходы, поместить их в
воду. Поскольку удельный вес ценосфер мал, они всплывут на
поверхность, тяжелые фракции осядут. Легкая фракция собирается и
может использоваться как сорбент гелия или для других целей.
— Легко, просто и дешево.
— Химики очень активно занимаются такого типа материалами. Они
изучают размеры, структуру, влияние горения или сжигания
каменного угля на свойства шариков, потому что этот материал
нужен не только для собирания гелия, ему можно найти множество
применений. Изучается целый класс подобных продуктов. Мы просто
воспользовались микросферами (ценосферами) в своих интересах.
Изучаем, как шарики будут впитывать гелий и как из них извлечь
этот газ. Химики провели классические эксперименты в лабораторных
условиях на специальных установках. Результаты экспериментов
помогли нам уточнить параметры математической модели. Мы уже
можем предлагать производству эффективный продукт, используя
ценосферы вместе с цеолитами на газоразделительных станциях, как
я уже говорил.
— И гелиевых заводов не надо строить? Но как будет выделяться
гелий? Как это произойдет — без охлаждения?
— При подготовке к транспорту в магистральном газопроводе
гелиеносный природный газ проходит через адсорбционные колонны,
где он должен быть очищен от избыточных паров воды и высших
(бензиновых) углеводородов. Пары воды и тяжелых углеводородных
фракций осаждаются на цеолитах, а шарики удерживают гелий. Он
оттуда просто так не выйдет. Чтобы его извлечь обратно, надо
нагреть слой шариков или значительно снизить давление исходной
газовой смеси. По нашей схеме получается не чистый гелий, а
гелиевый концентрат. Это уже не один процент гелия в
гелий-метановой смеси, а, например, восемьдесят процентов. С ним
можно дальше работать — очищать от примесей адсорбционным или
другим способом, получая продукт требуемой степени чистоты.
Вернемся к исходной задаче: если высокодебитная скважина дает
миллион кубических метров газа в сутки, а гелия всего один
процент… А мы решили задачу и получили концентрат, состоящий на
семьдесят-восемьдесят процентов из гелия. И фактически можем
«вписаться» в существующую технологию подготовки газа к
транспорту, не меняя ее существенно. Сейчас задача химиков и
математиков — согласовать параметры с технологией, которая
существует на производстве. Допустим, цеолиты собирают влагу
определенное количество времени, гелий тоже поглощается шариками
какое-то время, пока не будет исчерпана вся сорбционная емкость
слоя. Значит время заполнения микросфер гелием и время заполнения
цеолитов влагой должны совпадать, чтобы процесс шел оптимально.
То есть, слои цеолита и микросфер должны работать синхронно.
— Если обобщить, вы предлагаете станции подготовки газа к
транспорту, компрессорные станции как своеобразный цех или завод
для получения газовых смесей, обогащенных гелием?
— Совершенно верно. Как мы и предлагали еще в конце прошлого
века новый простой и эффективный способ выделения гелия и других
инертных газов из природного газа, основанный на принципах
мембранного разделения газовых смесей и механики многофазных
систем (коллектив авторов: химиков и математиков — А. Аншиц,
А. Верещагин, С. Долгушев, Л. Куртеева, В. Фомин, 1999 г. — Прим.
ред.).
— Извините, вы же можете хорошие деньги заработать.
— Деньги будут зарабатывать газовики. Мы сейчас все эти вещи
патентуем. Если воспользуются нашей технологией, то потенциальные
покупатели, разумеется, обязаны платить за идею и за патент. На
международном рынке гелий дороже природного газа. Вы думаете,
почему Япония и Китай так заинтересованы в разработке
месторождений Восточной Сибири и транспорте газа на свои
предприятия? По этому поводу в прессе, в специализированных
журналах уже появлялись статьи на тему: должна ли Россия делать
подарок Китаю в виде гелия, содержащегося в природном газе
Восточной Сибири? Небольшая примесь гелия по стоимости
перевешивает всю теплотворную способность углеводородов.
— А сибирские территории, как сейчас говорят, понимают
экономическую выгоду?
— В начале года, в феврале, на очередном совещании «Сибирского
соглашения» обсуждался вопрос о газификации Сибирского региона и
как раз говорилось о нетрадиционных способах выделения гелия из
природного газа. По крайней мере, эта проблема уже поставлена на
уровне руководства Сибирского Федерального округа.
— Василий Михайлович, вы сами не налаживали связи с российскими
нефтяными и газовыми компаниями? И здесь вам помог бы академик
Конторович.
— Институт Конторовича будет к нам подключаться. Как только у
нас будет проведено научное обоснование, тогда вместе с
Институтом геологии нефти и газа и промышленными компаниями
начнем заниматься новой технологией на газовых промыслах. Без
научного обоснования идеи практическая реализация бессмысленна.
Это будет попросту технической авантюрой.
— И еще один вопрос, ради любопытства. Кажется, в 1987 году в
Москве, на всемирном форуме «Энергетика XXI века» (я там была)
обсуждался проект о добыче гелия на Луне и что гелий — лучшее
топливо для термояда.
— Это другой гелий. Мы работаем над проблемой производства гелия
вообще. Этот газ на Земле в основном представлен изотопом
гелий-4, а там речь идет об изотопе гелий-3. Этот гелий
перспективен как ядерное горючее, его использование в этом
качестве снижает выход радиации при эксплуатации реактора. Но
такой изотоп нужно сначала добыть на Луне, доставить на Землю, а
дальше — использовать в термоядерных реакторах, действительно,
самых безопасных. В этом-то вся соль! Американцы туда заглядывали
не просто так. Но до Луны далеко, и зачем? Видимо, можно найти
другие источники гелия-3, но этим уже физики должны заниматься. У
нас же другая задача: получение этого элемента из природного
газа, а область применения гелия и так очень большая и
постоянно расширяется.
Хотя Василий Фомин отмахивался от обзора «Гелий: его значение в
промышленности, современные и перспективные способы производства»
(препринт № 5-2003 г. ИТПМ СО РАН), я все-таки воспользуюсь
некоторой информацией.
Гелий потребляется в больших количествах при запуске космических
аппаратов на жидком водороде, во взрывоопасных технологических
процессах, криогенной технике, при плавке, резке и сварке
металлов, в водолазных работах, медицине (особенно в томографии),
газовой хроматографии, волоконно-оптическом производстве, поиске
мест утечки газа (!), порошковой металлургии. Предполагается, что
потребность в гелии резко возрастет в связи с возможным
расширением применения дирижаблей, сверхпроводящих материалов,
увеличением работ на космических объектах. И такое богатство
выбрасывать в атмосферу при сжигании природного газа? Тем более,
что гелий не удерживается полем тяготения Земли (очень легкий и
химически инертный!) и неизбежно уносится в космическое
пространство. Это угрожает дефицитом гелия уже в наши дни. В
ближайшее время крупномасштабное производство гелия в России на
Оренбургском гелиевом заводе, скорее всего, может прекратиться
(одноименное газоконденсатное месторождение истощается). Одна
надежда — на Восточную Сибирь, тем более, что производство гелия
экономически выгодно для развития сибирских регионов.
Фото В. Новикова.
стр. 9-10
|
