СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА МАНТИИ ЗЕМЛИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА Российский патент 2005 года по МПК E21B43/295 C01B3/06 

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при получении дешевых и экономичных источников энергии, в частности водорода, используемого в качестве энергоносителя для энергетики и транспорта.

Известен способ производства водорода, заключающийся в использовании глубинных высокотермальных вод в местах подводной вулканической деятельности для производства электроэнергии, подаваемой на электролиз воды, в результате которого получают водород (см. SU 1624162, МПК Кл. 5 Е 21 С 45/00, опубл. 30.01.1991).

К недостаткам данного способа следует отнести сложность его аппаратурного оформления.

Известен способ получения водорода, заключающийся в подаче в реактор порошкообразного алюминия или гидрида алюминия и водной среды и последующем осуществлении их взаимодействия, при этом перед подачей в реактор порошкообразного алюминия или гидрида алюминия их покрывают водорастворимой полимерной пленкой на основе раствора полиэтиленоксида в диоксане или метиловом спирте, при этом для обеспечения возможности протекания процесса послойного горения металлосодержащих веществ с выделением водорода процесс ведут при давлении более 22,12 МПа и температуре - выше 647,3 К (см RU №2165388, МПК Кл. С 01 В 3/06).

К недостаткам данного способа следует отнести значительные энергетические затраты на его реализацию, обусловленные высокими затратами энергии на получение алюминия и дополнительными затратами энергии на получение полимеров, поддержание высокого давления и температуры.

Известен также способ производства экологически чистого химического горючего, в котором осуществляют реакции низкотемпературного ядерного синтеза в ядерном реакторе. В качестве исходного реагента используют радиоактивные отходы ядерных реакторов и дейтерий для производства нейтронов. Ядерный синтез осуществляют путем радиационного захвата реагентом медленных нейтронов, выделяемую ядерную энергию преобразуют в электрическую, которую используют для осуществления электролиза воды с получением водорода и кислорода (см. RU №2180366, МПК Кл. С 25 В 1/04, опубл. 03.10.2002).

Недостатком данного способа является высокая опасность радиационного заражения местности, на которой будет расположено производство.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ использования вещества мантии Земли для получения водорода, включающий поиск континентальных или океанических зон рифтогенеза, подпертых диапирами аномальной мантии с выходом языков вещества мантии в земную кору, бурение скважины в вещество мантии, подачу воды в скважину и вывод на поверхность через скважину газообразного водорода, образующегося в результате реакции интерметаллических соединений (силицидов) и сплавов на основе Si, Мg, Fe (кремния, магния и железа), содержащихся в веществе мантии, с водой (см. Химия и жизнь №10, 2000, стр.46-51).

Недостатком данного способа является относительно низкая производительность и, как следствие, высокие энергетические затраты, сопоставимые с энергетическими затратами, необходимыми для получения водорода традиционными способами, например электролизом воды.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в повышении экономической эффективности водородной энергетики.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в снижении удельных энергетических затрат на производство водорода.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе использования вещества мантии Земли для получения водорода, включающем поиск континентальных или океанических зон рифтогенеза, подпертых диапирами аномальной мантии с выходом языков вещества мантии в земную кору, бурение скважины в вещество мантии, подачу воды в скважину и вывод на поверхность газообразного водорода, образующегося в результате реакции интерметаллических соединений, содержащихся в веществе мантии, с водой, согласно изобретению после входа скважины в мантийное вещество в нем формируют реакционную полость, выход водорода регулируют путем изменения объема находящейся в реакционной полости воды, при этом поверхность реакционной полости, участвующую в реакции, периодически регенерируют.

Данная совокупность признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны. В частности, формирование реакционной полости позволяет получить большую поверхность контакта воды с веществом мантии и, соответственно, увеличить выход водорода. Периодическая регенерация поверхности, участвующей в реакции, позволяет поддерживать эту поверхность в реакционном состоянии и даже увеличивать ее. Таким образом, при постоянных затратах энергии на бурение скважин, подачу воды и т.д. увеличивается выход водорода, что приводит к снижению удельных затрат энергии на его производство.

В частных случаях (в конкретных формах выполнения или при особых условиях его использования) изобретение характеризуется следующей совокупностью признаков:

Бурение скважин осуществляют с помощью турбобуров.

Бурят дополнительную скважину и реакционную полость образуют путем сбойки основной и дополнительной скважин.

Реакционную полость образуют путем расширения основной и/или дополнительной скважин.

Расширение скважины осуществляют посредством взрыва зарядов взрывчатых веществ.

Регенерацию реакционной поверхности осуществляют высоконапорным потоком воды.

Высоконапорный поток воды подают через форсунки, размещенные в реакционной полости, на дистанционно управляемых манипуляторах.

В скважине или на выходе устанавливают сепаратор для разделения образующегося газообразного водорода и паров воды.

Тепловую энергию, выделяющуюся при производстве работ по получению водорода, утилизируют.

Способ использования вещества мантии Земли для получения водорода осуществляют следующим образом.

Современными методами поиска и разведки, например аэрокосмическими, производят поиск континентальных или океанических зон рифтогенеза. Из найденных зон выделяют зоны рифтогенеза, подпертые диапирами аномальной мантии. Наиболее перспективными с точки зрения постановки работ по получению водорода являются зоны рифтогенеза, подпертые диапирами аномальной мантии, у которых языки вещества мантии выходят в земную кору на глубину 3-5 км (до 10 км). По мере совершенствования методов глубокого и сверхглубокого бурения эта глубина может увеличиваться.

Установив перспективные зоны, подготавливают площадки для размещения бурового оборудования. Если перспективной признана океаническая зона рифтогенеза, то производят установку морской или океанической буровой платформы. После окончания подготовительных работ производят бурение, по меньшей мере, одной скважины в вещество мантии, основанной на технологии вращательного бурения, например, с помощью турбобуров или роторного бурения.

Спуск-подъем бурильной колонны осуществляют с удлиненными “свечами” при максимальной механизации и автоматизации процесса. Удаление буровой мелочи осуществляют циркуляцией бурового раствора. В качестве буровых растворов в начале сооружения скважины используют растворы на водной основе. С повышением температуры в скважине от 240 до 300°С переходят на нефтеэмульсионные, а свыше 300 применяют растворы на нефтяной основе. В зависимости от конкретных геолого-технических условий используют бурильные головки как шарошечного, так и истирающего типа.

По мере углубки сохранение устойчивости горных пород на стенках ствола скважины в условиях проявления горного и пластового давления достигают поддержанием необходимого противодавления столба бурового раствора и его качества, а при встрече пластов с низким давлением ствол скважины обсаживают колонной обсадных труб, которую цементируют.

Наиболее предпочтительным следует считать вариант, при котором бурятся несколько скважин - основная и дополнительные, одну из которых можно использовать для подачи воды, т.е. в качестве закачной, а остальные - в качестве выдачных, по которым на поверхность отводится полученный в результате реакции водород. После входа скважин в вещество мантии стволы освобождают от бурового раствора и формируют реакционную полость, в которой собственно и будет происходить реакция интерметаллидов, содержащихся в веществе мантии, с водой и выделение водорода. Использование соленой (например, морской) воды повышает кинетику реакции.

Реакционная полость может быть образована путем сбойки закачной и выдачной скважин или путем расширения закачной и/или выдачной скважин. В свою очередь расширение скважины может быть осуществлено посредством взрыва зарядов взрывчатых веществ, спущенных на забой скважины.

Производят монтаж устьевого оборудования, предназначенного для герметизации устьев закачной и выдачной скважин, распределения и регулирования потока закачиваемой в них воды и получаемого водорода, соответственно. В качестве устьевого устанавливают трубные головки, колонные головки, запорную и регулирующую арматуру.

Затем осуществляют подачу воды в оборудованную закачную скважину и вывод на поверхность через оборудованную выдачную скважину газообразного водорода, образующегося в результате реакции интерметаллических соединений с водой. Для направления выделяющегося водорода в выдачную скважину ствол закачной скважины герметизируют у устья и перед ее сопряжением с реакционной полостью, обеспечивая только пропуск воды. В этом случае образующийся в результате реакции водород будет выходить через открытую с поверхности выдачную скважину.

Возможно также и оборудование выдачной скважины вакуумными установками, создающими разрежение в стволе выдачной скважины. В этом случае образующийся в результате реакции водород будет выходить в выдачную скважину под действием создаваемого разрежения.

Количество получаемого водорода (выход водорода) регулируют путем изменения объема подаваемой в скважину воды и, соответственно этому, изменения объема воды, находящейся в реакционной полости. Такое регулирование может быть осуществлено, например, уменьшением проходного сечения запорной арматуры на устье выдачной скважины и уменьшением потока возвращаемой воды при постоянной ее подаче в закачную скважину. В результате количество воды, вступающей в реакцию с интерметаллидами, в реакционной полости увеличивается и, соответственно, увеличивается выход водорода.

О необходимости увеличения или уменьшения количества находящейся в реакционной полости воды судят по количеству выделяющегося водорода.

По мере окисления интерметаллических соединений, находящихся на поверхности реакционной полости, поверхность, участвующую в реакции, периодически регенерируют. Регенерацию указанной поверхности осуществляют, например, высоконапорным потоком воды. Высоконапорный поток воды подают через форсунки, размещенные в реакционной полости, на дистанционно управляемых манипуляторах. Продукты окисления потоком подаваемой воды удаляют из реакционной полости и выводят на поверхность, где производят их утилизацию.

Для разделения образующегося газообразного водорода и паров воды в выданной скважине может быть установлен сепаратор.

Тепловую энергию, выделяющуюся при производстве работ по получению водорода, утилизируют любыми известными способами, например используют для производства электроэнергии или для обогрева промышленных и гражданских зданий.

Область использования: получение дешевых и экономичных источников энергии, в частности топлива для двигателей внутреннего сгорания. Способ включает: поиск континентальных или океанических зон рифтогенеза, подпертых диапирами аномальной мантии с выходом языков вещества мантии в земную кору, бурение с помощью турбобуров скважин в вещество мантии. После входа скважины в мантийное вещество в нем путем сбойки закачной и выдачной скважин или путем расширения закачной и/или выдачной скважин формируют реакционную полость. Подают воду в закачную скважину и выводят на поверхность через выдачную скважину газообразный водород, образующийся в результате реакции интерметаллических соединений, содержащихся в веществе мантии, с водой. Воду подают в количестве, регулирующем выход водорода, при этом реакционную поверхность реакционной полости периодически регенерируют, например высоконапорным потоком воды, подаваемым через форсунки, размещенные в реакционной полости, на дистанционно управляемых манипуляторах. Расширение скважины может быть осуществлено посредством взрыва зарядов взрывчатых веществ. Возможно разделение в выдачной скважине образующегося газообразного водорода и паров воды установленным в ней сепаратором. Технический результат: снижение энергетических затрат на производство водорода. 8 з.п. ф-лы.

1. Способ использования вещества мантии Земли для получения водорода, включающий поиск континентальных или океанических зон рифтогенеза, подпертых диапирами аномальной мантии с выходом языков вещества мантии в земную кору, бурение скважины в вещество мантии, подачу воды в скважину и вывод на поверхность через скважину газообразного водорода, образующегося в результате реакции интерметаллических соединений, содержащихся в веществе мантии, с водой, отличающийся тем, что после входа скважины в мантийное вещество в нем формируют реакционную полость, выход водорода регулируют путем изменения объема находящейся в реакционной полости воды, при этом поверхность реакционной полости, участвующую в реакции, периодически регенерируют.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что бурение скважин осуществляют с помощью турбобуров.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что бурят дополнительную скважину и реакционную полость образуют путем сбойки основной и дополнительной скважин.4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что реакционную полость образуют путем расширения основной и/или дополнительной скважин.5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что расширение скважины осуществляют посредством взрыва зарядов взрывчатых веществ.6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что регенерацию поверхности, участвующей в реакции, осуществляют высоконапорным потоком воды.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что высоконапорный поток воды подают через форсунки, размещенные в реакционной полости, на дистанционно управляемых манипуляторах.8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в скважине устанавливают сепаратор для разделения, образующегося газообразного водорода и паров воды.9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что тепловую энергию, выделяющуюся при производстве работ по получению водорода, утилизируют.