Научно-обоснованные предложения по разработке и методам внедрения инновационных технологий утилизации выбросов, содержащих метан (стр. 2 )

При углеводородном финансировании появляется дополнительная экономическая выгода, так как метан является одним из основных парниковых газов, а ценность каждой тонны сохраненного метана может быть высока. Кроме того, законодательством Российской Федерации установлены значительные экологические платежи за выбросы метана, которые могут быть сокращены путем применения мер по снижению выбросов метана в атмосферу.

Настоящий отчет содержит материалы по характеристике метана, источникам выбросов метана в атмосферу от организованных и неорганизованных выбросов метана в атмосферу. Отчет включает материалы по текущим и перспективным зарубежным и отечественным работам по внедрению инновационных технологий утилизации выбросов, содержащих метан.

Рассмотрены потенциальные возможности по реализации инвестиционных проектов в нефтегазовом секторе России и наилучших доступных технологий, обеспечивающих сокращение выбросов метана по всем секторам нефтегазовой отрасли России. Использование этих проектов обеспечивает экономическую эффективность и экологический эффект.

Целью работы является научно-методическое обеспечение реализации Климатической доктрины Российской Федерации, включая разработку мероприятий по адаптации и смягчению антропогенного воздействия на климат.

В соответствии с техническим заданием для достижения указанной цели подготовлены предложения по разработке и методам внедрения инновационных технологий утилизации выбросов, содержащих метан, содержащие:

-  научно-систематизированные аналитические материалы о существующих отечественных и зарубежных технологиях утилизации выбросов, содержащих метан;

-  научно-обоснованные рекомендации по внедрению технологий утилизации выбросов, содержащих метан;

-  анализ применения инновационных технологий утилизации выбросов, содержащих метан («положительный эффект»);

-  три научно - и финансово - обоснованных метода внедрения инновационных технологий утилизации выбросов, содержащих метан;

-  расчет эффективности финансовых затрат от внедрения предлагаемых инновационных технологий утилизации выбросов, содержащих метан.

Следует отметить, что при выполнении работ по проекту в части, касающейся текущих глобальных изменений и прогноза состояния климата, авторы опирались на опубликованные данные, Четвертого обобщающего доклада МГЭИК (2007 г.) [8] и доклады Росгидромета. В ходе подготовки отчета постепенно появлялись материалы пятого Обобщающего доклада МГЭИК (2013-2014 гг.).

1  ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАНА

1.1  Сведения о метане и его характеристики. Роль метана в атмосфере

Метан – наиболее важный представитель органических веществ в атмосфере. Его концентрация существенно превышает концентрацию остальных органических соединений. Содержание метана в атмосфере росло очень быстро на протяжении последних двух столетий.

Метан является одним из основных парниковых газов. Увеличение его содержания в атмосфере способствует усилению парникового эффекта, так как метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли в инфракрасной области спектра на длине волны 7,66 мкм. Вклад метана в создание парникового эффекта составляет примерно 30% от величины, принятой для углекислого газа. Метан занимает второе место после углекислого газа по эффективности поглощения теплового излучения Земли. С ростом содержания метана изменяются химические процессы в атмосфере, что может привести к ухудшению экологической ситуации на Земле.

До настоящего времени направленное воздействие на атмосферные процессы удавалось осуществлять только путем изменения мощности антропогенных источников. Поэтому важно понимать природу естественных и антропогенных источников метана и оценивать их мощность с достаточной степенью достоверности. Управление процессами непосредственно в атмосфере в глобальном масштабе практически исключено.

В настоящее время концентрация атмосферного метана достигла нового максимума и составила в 2011 г. около 1,813 ppm (1,278 мг/м3). И хотя это в 200 раз меньше, чем содержание углекислого газа (CO2) в расчете на одну молекулу газа парниковый эффект от метана (его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей) существенно выше, чем от СО2. Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. Без парниковых газов (СO2, пары воды, метан и некоторые другие примеси) средняя температура на поверхности Земли была бы всего – 23°C, а сейчас она – около +15°C. Общее количество метана в атмосфере оценивают в пределах 4600-5000 Тг (Тг =1012 г.). В южном полушарии концентрация метана несколько ниже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшей мощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основные источники метана расположены на континентах, а океаны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8-12 лет [2].

Метан находится в атмосфере в основном в приземном слое, который называется тропосферой и толщина которого составляет 11-15 км. Концентрация метана мало зависит от высоты в интервале от поверхности Земли до тропопаузы, что обусловлено большой скоростью перемешивания по высоте в пределах 0-12 км (1 месяц) в сравнении со временем жизни метана в атмосфере. Молекула метана довольно устойчива в атмосфере. Удаление его из атмосферы с помощью осадков не происходит вследствие его малой растворимости в воде (30 см3/л). Для реального выведения из атмосферы метан необходимо переводить в нелетучие соединения или другие газообразные соединения.

Химический сток в атмосфере - это основной канал вывода метана из атмосферы. Из других стоков некоторое значение имеют поглощение метана почвенными бактериями и уход в стратосферу. Оба стока вносят вклад менее 10 % в общий сток метана.

Метан попадает в атмосферу как из естественных, так и из антропогенных источников, мощность которых в настоящее время существенно превышает мощность естественных. С воздухом метан образует взрывоопасные смеси, что является основной причиной взрывов на угольных шахтах. К естественным источникам метана относятся болота, тундра, водоемы, насекомые (главным образом термиты), метангидраты, геохимические процессы. К антропогенным - рисовые поля, шахты, животные, потери при добыче газа и нефти, горение биомассы, свалки. Распределение источников метана по мощности приведено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Распределение источников метана по мощности

Такие источники метана как болота, рисовые поля и животные вносят доминирующий вклад в образование общего потока в атмосферу. Вклад природного газа в эмиссии метана в атмосферу составляет по данным [2] около 8%.

1.2  Физико-химические свойства метана

Метан – простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха и вкуса, химическая формула - CH4. Молекула метана имеет тетраэдрическое строение (sp-гибридизация углеродного атома) [3-17].

Малорастворим в воде, легче воздуха. Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека. Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. ПДК метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/м3. Класс опасности –четвёртый [3].

Метан – наиболее важный представитель органичес­ких веществ в атмосфере. Основной компонент природных (77-99 %), попутных нефтяных (31-90 %), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана – болотный или рудничный газ, (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Болота, как основной источник образования и выделения в окружающую среду болотного газа

В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, рубце жвачных животных) образуется биогенно. Получается также при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

Основные физические свойства метана даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Физические свойства метана [3-17]

Параметр	Размерность	Значение
Молекулярная масса	г/моль	16,04
Критическая температура	°С	-82.25
Критическое давление	атм	45.8 (по другим данным 46)
Соотношение октанол/вода		log Kow= 1.09
Растворимость в воде (низкая)	г в 100 мл	0,005563 при 0 °С 0,003308 при 20 °С 0,00170 при 100 °С
В этиловом спирте при 20 °С	мл/г	0,6
Растворяется в бензоле, метаноле, толуоле, малорастворим в ацетоне
В эфирах при 20 °С	Мл/г	0,91
Относительная плотность пара (воздух = 1)		0,554
Давление паров, при -82,5 °C	кПа	46700
Теплота сгорания	кДж/моль	-890.8
Теплота испарения	кДж/моль	8.19
Температура кипения	°С	-162
Температура плавления	°С	-183
Температура воспламенения	°С	650 - 7500
Скорость взрывной волны	м/с	500 - 600
Взрывоопасность:
-горит голубым пламенем	%	до 5 и после 15
-взрывоопасен при концентрации в воздухе		от 5 до 15
-наиболее взрывоопасная концентрация	%	9,5
Люди, попавшие в зону взрыва, подвергаются механическому действию взрывной волны и высокой температуре

1.3  Токсикологические свойства метана

Метан является наиболее инертным соединением из группы парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан оказывает лишь в очень высокой концентрации (из-за малой растворимости метана в воде и крови). Так, при содержании в воздухе 25-30 % объема (в подземных выработках не допускается содержание метана выше 0,75 % объема) появляются первые признаки асфиксии (учащение пульса, увеличение объёма дыхания, нарушение координации тонких мышечных движений и т. д.). Более высокие концентрации метана в воздухе вызывают у человека головную боль. Наиболее сильное токсическое действие проявляется при повышенном давлении (2-3 атм).