Ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политехнического университета при поддержке программы Минобрнауки России “Приоритет” изучают процесс пожаротушения и локализации возгораний с помощью газовых гидратов, или искусственного горючего льда. Они провели больше 200 экспериментов, которые показали эффективность их применения. Основная задача политехников — разработать технологии для транспортировки, хранения и подачи гидрата в зону горения. Результаты исследований ученых опубликованы в журнале Thermal Science and Engineering Progress (Q1, IF: 4,56). Газовые гидраты — это соединения из газа в ледяной и водной оболочке, которые добывают со дна морей и океанов и называют замерзшим топливом будущего, или горючим льдом. Одно из направлений их использования — локализация и подавления возгораний.
«Главная задача системы пожаротушения — снизить температуру, вытеснить кислород из зоны горения и предотвратить доступ продуктов сгорания. На сегодняшний день широко используются газовые, жидкостные и пенные системы. То есть основным сырьем для успешной ликвидации возгорания являются лед, вода и инертный газ. Все это есть в составе газового гидрата: инертный газ вытесняет кислород из зоны горения, а лед позволят снизить температуру в очаге пожара и прекратить распространение фронта горения», — говорит руководитель лаборатории тепломассопереноса, профессор Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Павел Стрижак.
Политехники провели более 200 экспериментов по локализации и подавлению горения древесины, керосина, бензина, дизельного топлива, спирта, сырой и очищенной нефти, индустриальных масел, разных марок угля, отходов углеобогащения и природных газовых гидратов метана. Для этого они воспроизвели условия возгорания в четырех наиболее распространенных ситуациях: неосторожное обращение с огнем, нарушение правил эксплуатации нагревательного оборудования, замыкание электрических сетей и локальные источники пожара. Эксперименты проводились как с очагами в помещениях, так и на открытой местности.
«Мы установили, что для блокирования и подавления горения в состав гидрата должен входить инертный газ. Самые доступные по стоимости и эффективности — углекислый газ и фреон. Эксперименты проводились с газовым гидратом в форме порошка и таблетированных образцов. Его мы сбрасывали на очаг горения сверху и делали из него заградительную полосу. Результаты показали эффективность технологии. Стоит уточнить, что это ранние стадии исследования, и работы проводятся с малыми очагами возгораний и гидратов. Главная задача — доказать эффективность технологии», — добавляет инженер-исследователь Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Никита Шлегель.
На основе экспериментальных данных ученые разработали физические и математические модели локализации и подавления горения разных веществ и материалов, а также начали работы по созданию гидратов, в состав которых входят поверхностно-активные вещества. При диссоциации такой гидрат помимо вытеснения кислорода из зоны горения и снижения температуры позволяет создать на его поверхности пену. Она является блокиратором кислорода и способствует локализации горения и термического разложения материала.
В будущем политехники планируют разработать несколько устройств, в которых получаемый гидрат при соприкосновении с горящим материалом будет эффективно блокировать и локализовать горение.
«Основная причина, почему газовые гидраты до сих пор не используют для тушения пожаров, — отсутствие данных о том, в каких условиях горения они эффективны, и технологий для транспортировки, хранения и подачи гидрата в зону горения. Сейчас эти вопросы носят основной научный и практический интерес, и именно этим заняты ученые нашей лаборатории», — поясняет Павел Стрижак.
Справка:
Газовые гидраты – твердые кристаллические вещества – классические представители клатратных соединений, внешним видом напоминающие снег или рыхлый лед. Способностью образовывать гидраты обладают все гидрофобные газы и легколетучие органические жидкости, молекулы которых имеют размеры в пределах 3,8-9,2 (Ar, N2, O2, CH4, C2H4, C2H6, C3H8, изо-С4Н10, Cl2, CS2, галогенопроизводные углеводородов С1-С4 и т.д.), а также некоторые гидрофильные соединения (СО2, SO2, окись этилена, тетрагидрофуран (ТГФ), ацетон), взаимодействие которых с водой достаточно слабое и не может препятствовать клатратообразованию.
Встречается в донных отложениях морей и океанов, в Арктике в районах распространения многолетнемерзлых пород и в пределах суши, в толщах мерзлых пород и подмерзлотных горизонтах, а также с глубин 300 м (в северных морях) и 600 м (в южных морях).
Газогидратные образования очень чувствительны к изменению внешних условий (температуры, давления, засоленности и т.д.), что способно вызывать их разложение и освобождение огромных количеств газа.
Такой необратимый процесс может вызвать катастрофические последствия, такие как, подводные оползни, выбросы метана при бурении, пожары, аварии, а также способствовать усилению парникового эффекта.
Газовые гидраты (или газовые клатраты) представляют собой нестехиометрические кристаллические твердые вещества, состоящие из углеводородных газов, захваченных в полостях жесткой «клетчатой» решетки молекул воды.
Эти соединения содержат кластеры (2 или более) газозахватывающих многогранников, образованных 5-угольными и 6-гранно расположенными водородно-связанными молекулами воды.
Ван-дер-ваальсовы взаимодействия между захваченной (инкапсулированной) молекулой-гостем и окружающими стенками водной клетки стабилизируют и поддерживают отдельные многогранники, образующие гидратную решетку, и ограничивают поступательное движение молекулы-гостя.
Структуры гидратов подразделяются на 3 категории в зависимости от геометрии составляющих их водных клеток: кубические структуры I и II и гексагональной структуры H.
Каждая кристаллическая структура содержит геометрически различные водяные клетки с полостями разного размера, которые обычно вмещают только 1 гостевую молекулу в диаметре от 0,40 – 0,90 нм.
Гидраты структуры I (sI) представляют собой наиболее часто встречающиеся в природе гидратные структуры, которые заключают в себе молекулы малого диаметра (0,40-0,55 нм), такие как метан или газообразный этан.
Структуры II (sII) и H (sH) гидраты содержат большие гостевые молекулы, обычно пропан или изобутан для sII или комбинации метана и нексогексана или циклогептана для sH, но менее распространены в природе.
Для sI гидратов элементарная ячейка состоит из 46 молекул воды, расположенных в 2 небольших додекаэдрических клетках (каждая с двенадцатью 5-угольными гранями) и 6 больших тетрадекаэдрических клетках (каждая с 2 шестиугольными и 12 пятиугольными гранями).
При условии полной занятости идеальное молярное отношение гостя к воде для гидрата sI составляет 1: 5,75.
Газовые гидраты образуются в условиях высокого давления и низких температур, где присутствует достаточное количество газа и воды. Требования по образованию гидратов ограничивают распространение гидратов природного газа 2 типами геологических мест:
- – в условиях вечной мерзлоты на полярных континентальных шельфах
- – в отложениях под дном океана.
Несмотря на то, что было разработано несколько различных моделей для описания механизмов, участвующих в образовании гидратов газа, существует общее мнение, что происхождение метана, сконцентрированного в природных гидратах, является либо микробным (генерируется анаэробным разложением органического вещества) или термогенный (образуется при термическом разложении органических веществ).
Отражательная сейсмология и отобранные образцы керна в основном используются для оценки запасов гидрата метана. Хотя образцы керна являются прямым доказательством наличия гидратов, их часто трудно получить в регионах с благоприятными условиями для гидратов.
И наоборот, отражательная сейсмология обычно используется в качестве косвенного метода для обнаружения отложений гидратов в недрах Земли.
Этот метод исследования отслеживает изменения в скоростях отраженных сейсмических волн, чтобы показать переходы между материалами с различной плотностью.
Расположение отложений гидрата метана определяется путем определения отражающих донных отражателей (BSR) на сейсмических профилях.
BSR интерпретируются как граница между областями гидратов и свободных газов в недрах.
В целом, оценки, основанные строго на BSR, считаются спекулятивными, так как гидратсодержащий осадок был извлечен из регионов без BSR и наоборот.
Таким образом, оценки глобальных скоплений гидратов метана варьируются в пределах 3 порядков (0,15 x 1015 – 3,05 x 1018 м3 метана на STP).
Тем не менее, даже консервативные оценки показывают, что значительное количество метанового газа сосредоточено в мелководной геосфере.
Несмотря на относительную величину и глобальное распространение месторождений газовых гидратов, существование природных газовых гидратов было впервые признано в 1965 г., когда буровики обнаружили резервуар гидратов метана во время бурения в Сибири тогда в СССР.
До этого открытия газовые гидраты были известны только в лабораторных условиях и в термодинамически благоприятных условиях, обнаруженных в нефтепроводах.
С момента этого открытия газовые гидраты привлекают интерес как потенциальный энергетический ресурс.
Источники: https://www.nanonewsnet.ru/, https://neftegaz.ru/
