Развитие промышленности, разработка новых технологий и отраслей техники в наше время сопровождаются увеличением масштабов производства и использования горючих газов, а также расширением их ассортимента. Газом, широко используемым сегодня и перспективным с точки зрения будущего применения, является водород.

Водород — самый распространенный элемент космоса. Для многих звезд, в том числе для Солнца, он служит главным источником энергии.

Современная жизнь на Земле возникла при участии кислорода. Но все же началом всех начал на нашей планете мы обязаны водороду. Именно динамический цикл водорода, процесс его поступления из недр Земли, а не углерода, как было принято считать раньше, и стал источником зарождения жизни на Земле.

Водород достаточно просто получать: из воды он добывается с помощью реакции электролиза; его получают также из природного газа (метана). В больших количествах водород образуется как побочный продукт в различных промышленных производствах (металлургическом, хлорном).

В наши дни водород нашел широкое применение. Его активно применяют в химической промышленности, в том числе, при синтезе аммиака, метанола и высших спиртов. В пищевой промышленности водород используют для гидрогенизации жиров — превращения жидких жиров в твердые — при производстве маргарина, например. Высокая температура горения водорода — 3000°С — обеспечивает расплав даже самых тугоплавких металлов. Поэтому кислородно-водородные горелки используют для сварки и резки металлов. В цветной металлургии восстановлением водородом получают особо чистые металлы из оксидов. Учитывая малую плотность водорода, им заполняли и заполняют оболочки летательных аппаратов. Сначала это были воздушные шары, позднее — аэростаты и дирижабли, сегодня (вместе с гелием) — метеорологические зонды. Сейчас мировое производство водорода возрастает экспоненциально с годовым коэффициентом 1,12-1,13.

В настоящее время на фоне катастрофического ухудшения экологического состояния планеты и истощения ресурсов углеводородного сырья многие передовые в экономическом отношении страны все более пристально рассматривают водород не только в его традиционном применении, но и как основу водородной энергетики. Согласно прогнозам Американского института нефти, 95% доступных источников нефти в мире будут исчерпаны в ближайшие 60 лет, оставшиеся 5% иссякнут через 90 лет. Таким образом, человечеству дано 30-50 лет, чтобы найти замену традиционному углеводородному топливу – нефти и ее производным.

В качестве энергоносителя водород имеет ряд важнейших достоинств. Основное его преимущество — большая теплотворность по сравнению с углеводородным топливом: из водорода можно произвести в три раза больше энергии, чем из того же по массе количества бензина. Концентрационные пределы горения (коэффициент избытка воздуха) значительно шире, чем аналогичные параметры для углеводородного топлива, что позволяет варьировать соотношение горючего и воздуха в гораздо более широкой области. Водород имеет большую энергетическую мощность благодаря большим скоростям горения. Продуктом сгорания его является лишь вода, что важно с точки зрения экологии. Малая вязкость водорода облегчает транспортировку по трубопроводам, что уже осуществляется в США и Германии.

Сегодня водород используется как топливо в космической технике — в ракетных двигателях. Например, российская ракета-носитель «Энергия» работает на водородном топливе. Интересно заметить, что в природе существуют бактерии, использующие водород в качестве единственного источника энергии.

Однако практическое использование водорода связано с рядом серьезных проблем, вызванных его значительно большей горючестью по сравнению с углеводородами, взрывоопасностью, большими скоростями распространения пламени и высокой чувствительностью к малым источникам зажигания (в том числе к статическому электричеству). Это сильно затрудняет и ограничивает его использование, к примеру, в двигателях внутреннего сгорания и приводит к тому, что сегодня огромное количество этого возможного топлива и энергоносителя просто выбрасывается в воздух.

Проблема использования водорода в энергетике не нова, и над ее решением ученые из разных стран мира работают уже много лет. Так в США первые исследования по использованию водорода в качестве топлива были начаты в 1944 году, и их курировало Министерство обороны США, заинтересованное в создании водородного топлива для ракет. В 1950-е годы предпринимались попытки построить реактивные самолеты на водородных двигателях. В 1970-е годы, после того как в мире разразился беспрецедентный нефтяной кризис, аналогичные исследования стал проводить военно-морской флот США. В общей сложности за последние три десятилетия на исследования в этой области государственные и частные организации США затратили более 15 млрд. долл. В прошлом году на разработку новых подходов и способов использования водорода в качестве энергоносителя США затратили около 800 млн. долларов, Япония — 150 млн. долларов. Систематически собираются международные симпозиумы по водородной энергетике, на которых важной выделяемой проблемой обсуждения является проблема управления горением и взрывом водорода.

В России затраты на подобные научные изыскания существенно ниже. Для сравнения - в 2004 году были выделены 40 млн. долларов, но исследования в этой области ведутся также давно и актуальность их возрастает.

До последнего времени для предотвращения воспламенения и взрыва смесей водорода с воздухом использовались в основном не химические, а инженерные методы: огнепреградители, искрогасители, ограничение контакта с окислителем, разбавление инертными газами и т.п. Но они далеко не всегда применимы и мало эффективны. Веществами, обладающими некоторым огнегасящим свойством, являются также галогенопроизводные углеводородов — галоны (хладоны). Но и их применение ограничено коррозионной агрессивностью, токсичностью, нестойкостью при хранении, высокой стоимостью и опять же недостаточной эффективностью (их действие не без основания приписывают к разбавлению смеси).

Отсутствие эффективных средств по предотвращению воспламенения и взрыва газов во многом обусловлено состоянием теории горения и сложившимися представлениям о газофазном горении. Горение водорода во многом является модельным, и многие закономерности этого процесса — общие для газофазного горения. Известно, что режим газофазного горения способны вызвать как быстро ускоряющийся саморазогрев реакционной системы, так и лавинное размножение активных промежуточных продуктов — свободных атомов и радикалов. Реакции этих осколков молекул с исходными реагентами и между собой образуют разветвляющиеся реакционные цепи. Длительное время было общепринятым считать, что роль цепной лавины в горении существенна только в области крайне низких давлений — в десятки и сотни раз ниже атмосферного, в условиях фактического отсутствия саморазогрева. В области сколько-нибудь заметных давлений, при которых саморазогрев значителен, единственной причиной горения считали только усиливающееся повышение температуры. В процессах горения в этих условиях, реально встречающихся и важных для практики, определяющая роль разветвления цепей отрицалась — в том числе учеными-основоположниками теории горения (в частности, Н.Н. Семеновым, Д.А. Франк-Каменецким, Б. Льюисом – B.Lewis). И в наши дни — в энциклопедиях, курсах химической кинетики и физической химии — область цепного воспламенения ограничивают давлениями в сотни и десятки раз ниже атмосферного.

Между тем, в сериях исследований специалистов ИСМАН было показано, что в отличие от сложившихся представлений, лавинообразное размножение активных промежуточных частиц (атомов и радикалов) в ходе их реакций с исходными реагентами и между собой является основным фактором горения и взрыва газов не только при экзотически низких давлениях, но также при атмосферном и повышенных давлениях при любом режиме саморазогрева. Саморазогрев становится существенным в ходе цепного горения и усиливает цепную лавину. Было показано также, что даже в развившемся горении при искусственном прекращении разветвления цепей процесс горения немедленно прекращается. В ходе исследований обнаружено сильное влияние малых примесей определенного типа веществ на воспламеняемость горючих смесей, причем степень влияния зависела от химической природы добавки. Была установлена также зависимость критических условий воспламенения от свойств контактирующей с газами твердой поверхности. Все эти закономерности не могли быть объяснены на основе традиционных представлений о «чисто» тепловой природе горения.

Полученные результаты позволили ученым наряду с разработкой теории неизотермических цепных процессов приступить к развитию методов и эффективных химических средств регулирования всех режимов горения газов, в первую очередь горения водорода в воздухе.

В работах члена-корреспондента РАН, проф. В.В. Азатяна, академика РАН А.Г. Мержанова с соавторами были предложены высокоэффективные средства, позволяющие регулировать закономерности горения и взрыва водородо-воздушных смесей: скорость горения, критические условия воспламенения, перехода горения в детонацию. В качестве эффективных ингибиторов применительно к горению смесей водорода в воздухе, содержащих более 10% водорода, учеными были предложены и испытаны олефиновые соединения, в частности пропилен. Измерения показали, что для предотвращения воспламенения водородо-воздушных смесей, реально встречающихся на практике составов, достаточная концентрация предлагаемого ингибитора — 2%. Для сравнения — инертного газа аргона требуется 80%. Наличие 1% ингибитора предотвращает переход горения во взрыв любых смесей водорода в воздухе. Было установлено также, что ингибиторы сильно повышают минимально необходимую мощность поджигающего импульса и тем самым сокращают число возможных источников неконтролируемого воспламенения. С помощью ингибиторов удается эффективно управлять распространением пламени, переходом горения в детонацию, характеристиками детонации и даже разрушать стационарную детонационную волну.

Предложенные авторами исследований ингибиторы коррозионно безопасны, не токсичны и недороги. Они успешно прошли тестовые испытания, проведенные межведомственной комиссией, в состав которой входили представители Росэнергоатом, ВНИИПО МВД России, Ленинградской атомной электростанции.

Разработанный учеными ИСМАН подход для использования активных присадок открывает новые возможности для более безопасного и рационального использования водорода в различных областях промышленности и техники. Использование предлагаемых ингибиторов позволяет управлять горением водорода в силовых установках, в том числе в двигателях внутреннего сгорания (данный метод испытан и запатентован авторами). Присадки могут применяться при хранении и транспортировке водорода, для безопасного использования водорода в качестве легкого наполнителя в дирижаблях и аэростатах вместо гораздо более дорогого гелия (методика испытана и запатентована).

Исследователями был также разработан метод управления горением широко используемого в технике синтез-газа, представляющего собой смесь водорода и оксида углерода. Предложен и запатентован способ его получения и безопасного использования в качестве топлива в силовых установках. Данная горючая смесь имеет ряд преимуществ по сравнению с углеводородным топливом: горение можно провести с большей скоростью, и получить большую мощность. В процессе горения не образуются вредные органические продукты, меньше выделяется окислов азота и СО. По мнению ученых, предлагаемое топливо способно конкурировать с углеводородным топливом по своей экономичности, небольшой стоимости исходных компонентов и ингибитора.

В настоящее время в ИСМАН созданы специальные помещения с современным оборудованием для изучения процессов горения, взрывов и детонации и развития методов эффективного управления ими. Исследования проводятся с использованием вакуумированных установок с реакторами, выдерживающими давления до 1500 бар. Отлажена система скоростной киносъемки горения и прецизионного хроматографического анализа исходных и конечных продуктов смеси.

После патентования части результатов предложенные ингибиторы и методика их применения были успешно использованы в совместных работах в Институте им. М. Планка (Германия) и в Центральном институте авиационного моторостроения (Москва). В настоящее время работы ИСМАН по регулированию горения и взрыва водорода проводятся совместно с рядом академических и отраслевых институтов (ИНХС РАН, ИТЭС, ФГУ ВНИИПО МЧС России). Эти исследования получили поддержку и проводятся в рамках проекта Президиума РАН, а также масштабного договора с российской инновационной компанией «СФИНКС».

Ученые уверены, что полученные результаты открывают новые возможности для развития работ в данном перспективном направлении. Как знать, ведь до того как бензин, природный газ, солнечную энергию стали использовать в промышленных масштабах, было также преодолено немало технических трудностей и решено множество научных задач.

Ольга Лиханова