Становление гелиевой промышленности в России - ООО «Газпром газэнергосеть гелий»
ООО «Газпром газэнергосеть гелий»

Становление гелиевой промышленности в России

В 1911 году Владимир Вернадский в специальном докладе в Академии наук назвал природный газ могучим источником энергии, посетовал, что «эта энергия у нас в России или нетронута, или безумно растрачивается даром и без пользы» и призвал изучать природный газ научно, чтобы разумно распоряжаться природными богатствами нашей страны.

К сожалению, на тот момент перспективы использования природного газа были неочевидны широкой общественности, а также руководству государства. Более того, после нескольких лет успехов в деле добычи нефти и применения её на транспорте в России начался энергетический кризис. По ряду причин стране пришлось частично отказаться от нефти в пользу угля. И вдруг на этом фоне учёные начинают агитировать за поиск и изучение месторождений природного газа.

В 1914 году началась Первая мировая война, которая принесла с собой не только невообразимое на тот момент горе всем воюющим сторонам, но и подстегнула научно-технический прогресс. Во время войны активно использовались дирижабли. Наполненные водородом они становились лёгкой добычей для противника, поэтому взрывоопасный водород стали заменять на инертный гелий. А производится гелий из природного газа.

Таким образом даже самым недальновидным государственным деятелям того времени стало очевидно, что изучение месторождений природного газа – это не просто удовлетворение академического интереса нескольких учёных, это насущная необходимость, без которой невозможно ни выиграть войну, ни обеспечить развитие экономики.

В 1915 году Владимир Вернадский создаёт Комиссию по изучению естественных и производительных сил (КЕПС) России. В неё вошли как видные учёные, так и представители профильных государственных ведомств. Задачей комиссии было поставить природные богатства нашей страны на службу фронта.

Уже в следующем, 1916 году, ученик Владимира Вернадского, член КЕПС Николай Тихонович обнаружил следы гелия в юго-восточной части Саратовской губернии.

Во время Первой мировой войны гелий был интересен в первую очередь как замена взрывоопасного водорода, использовавшегося в дирижаблях. Но опыт войны показал, что дирижабли менее эффективны, чем самолёты, которые начали производиться тысячами. Вместе с тем экономики воюющих государств, не рассчитывавших на столь продолжительные боевые действия, надрывались. В том числе и экономика нашей страны. На этом неблагополучном фоне роль дирижаблей снижалась.

Новый 1917 год принёс с собой новые кровопролитные сражения, которые унесли сотни тысяч жизней, а в России, кроме того, свершились две революции. Вслед за этим началась Гражданская война. Развитие газовой отрасли и её гелиевого сегмента застопорилось.

Но значение газовой отрасли было настолько велико, что молодое Советское государство вернулось к ней ещё до формального окончания Гражданской войны и образования СССР – в сентябре 1922 года. Тогда вопрос о производстве гелия поднял в химической секции Русского технического общества заведующий научно-технической частью Военной воздухоплавательной школы Рабоче-крестьянской Красной армии Александр Воробьев. Пользуясь новейшими разработками, он описал технологию выделения гелия из природных газов. Гелий виделся как средством развития собственного воздушного флота, так и востребованным экспортным товаром, который позволит государству заработать десятки миллионов рублей.

Была выдвинута инициатива произвести анализ природных газов имеющихся месторождений на наличие гелия и оценить возможности его производства. Инициативу поддержал КЕПС.

В 1923 году при финансовой поддержке Научного комитета воздушного флота была организована первая советская газовая экспедиция. Выбор пал на ранее разведанные гелиевые запасы Саратовской губернии. 

Добытые пробы газа передали в Газовый отдел КЕПС. Окончательно подтвердить наличие гелия в образцах удалось только в середине 1924 года. Интересно, что существовавшие на тот момент методы были рассчитаны на более богатый гелием природный газ и требовали дорогостоящего оборудования. Поэтому сотрудникам КЕПС Александру Лукашуку и Виталию Хлопину пришлось конструировать свой прибор, который оказался эффективнее и дешевле зарубежных аналогов. Он позволял определять содержание гелия в пределах десятых долей процента. 

В сентябре 1924 года Центральный исполнительный комитет СССР и Совет народных комиссаров СССР объявили о государственной монополии на хранение и распоряжение гелием. Но монополии на производство введено не было.
Примерно в то же время в Ленинграде было создано сразу несколько ячеек, изучающих природные газы СССР. Одним из учреждений, организовавшим такую ячейку, стал созданный в 1922 году Государственный радиевый институт. Этим учреждением (как и упоминавшимся ранее газовым отделом Комиссии по изучению естественных и производительных сил России), руководил Владимир Вернадский.

Исследованиями редких газов занимались и другие организации. К примеру, лаборатория Высшей воздухоплавательной школы РККА и лаборатория при секции неметаллических ископаемых Геологического комитета. Представители этих организаций сформировали специальный Научный совет по гелию.

При Главном экономическом управлении ВСНХ СССР в ноябре 1924 года была создана Комиссия по добыче гелия и других благородных газов. Через год организация получила более короткое и ёмкое название – Гелиевый комитет. Комитет по сути стал координатором работ всех советских организаций, исследовавших тему гелия. А также финансовым центром.

В конце 1924 года «Общество друзей воздушного флота» выделило на газовые исследования 65,5 тыс. рублей. За несколько следующих месяцев исследователи взяли образцы газа в традиционных на тот момент нефтегазовых регионах – Апшерон, Грозный, Дагестан, Ставрополье. Позже экспедиции направились в район Керчи, Тамани и т.д. Собственно, каждый из этих районов уже внёс к тому моменту свою лепту в нефтегазовую отрасль страны. Практически в каждом из них добывалась нефть. Интересно, что, к примеру, керченская нефть была известна ещё со времён греческой колонизации Крыма.

Но исследователи не ограничивались только теми местами, где однозначно присутствовали углеводороды. Они исследовали также восточное побережье озера Байкал. Количество образцов быстро превысило имевшиеся лабораторные мощности. Тогда было решено открыть ещё две лаборатории – в Москве и Одессе. Это позволило расширить географию поисков. Она охватила как разрабатывавшийся со второй половины XIX века Ухтинский нефтеносный район (купцы Набатов и Прядуновьдаже создавали здесь нефтяные производства «полного цикла»), так и Туркестан, Центральную Азию и др. С 1924 по 1929 год были обследованы около 60 газоносных районов СССР.

В ходе исследований было открыто порядка 10 перспективных районов с содержанием редких газов.

По сумме признаков приоритет был отдан району Мельниково (Нижне-Волжский край, позже – Саратовский край). Здесь обнаружили природные газы, содержащие до 0,12% гелия. Сравните этот показатель с 0,055% – именно такова доля гелия в газе, который перерабатывает сегодня единственный в России Оренбургский гелиевый завод.

Индустриализация начала 1930-х годов была уникальным временем для газовой промышленности. Газы были важнейшим сырьём для различных отраслей промышленности, и их требовалось всё больше с каждым годом. Это становилось настоящим вызовом для отечественных учёных. 

Развивающаяся промышленность требовала всё больше инертных газов – аргон, неон и гелий. В самом начале 1930-х их приходилось импортировались из Веймарской республики (Германия). Та оценивала 1 куб. м гелия в 50,5 марок. По имеющимся у нас данным, в тот момент 1 доллар обменивался на 4,2 марки. Для сравнения, Ford Model T 1927 года стоил 360 долларов. На тот момент гелий можно было назвать не солнечным, а золотым газом.

Одному только «Дирижаблестрою», по имевшимся планам, в 1933 году необходима была 1 тыс. куб. м гелия, а в 1934-м уже 30 тыс., в 1935-м – 95 тыс., в 1936-м – 730 тыс., в 1937-м (конец второй пятилетки) – почти 2 млн куб. м гелия. Инертные газы требовались и электротехнической промышленности.

При этом в СССР были обнаружены значительные запасы гелия. Как тут не постараться создать собственное производство?

Горно-химический трест редких элементов ВСНХ «Редэлем», которому с 1927 года были переданы все работы по созданию промышленной технологии выделения гелия, к началу 1930-х обозначил три перспективных газогелиевых района – Саратовский, Семиреченский и Ухтинский. После их сравнения наиболее перспективным для создания газового промысла и гелиевого завода был определён район Мельниковского газового месторождения (Нижне-Волжский край, позже – Саратовский край).

Но одно дело – геологоразведка. А организация производства – совсем другое. Необходимых специалистов у треста не было. Его руководство просило передать гелиевое направление Всесоюзному объединению химической промышленности ВСНХ – «Всехимпрому». Но в 1928 году «Редэлем» заключил договор с Государственным физико-техническим институтом (руководитель – академик Абрамом Иоффе). Необходимые кадры и научная база появились.

К лету 1930 года институтским специалистам удалось получить газовую смесь с повышенным содержанием гелия. В сыром газе его было примерно 0,12%, а в лабораторном – 27,6%. И пусть из этой смеси удавалось уловить только 50% гелия (остальное уходило в воздух), это был настоящий прорыв. Пусть и локального масштаба. 

Теперь, как казалось, можно было приступать к созданию опытно-промышленной установки. Для неё был предложен классический способ ожижения газов, широко применяемый для получения жидкого кислорода методом низких температур и высоких давлений на холодильной установке «Линде». Именно на его основе работали все гелиевые заводы США.

Но по обсуждениям в экспертных кругах было решено, что с имеющейся технологией и на существующей базе гелий получится слишком дорогим в производстве. А значит, не решалась одна из главных проблем – дороговизна импорта. Шило менялось на мыло. Хотя, строго говоря, даже этот способ позволял получить собственное стратегически важное производство, которое не зависит от зарубежных поставщиков. Тем не менее, фактор денег на тот момент возобладал. Исследования пришлось продолжить.

Молодой советский гелий: газовая синергия

Гелий не существует в отрыве от нужд других секторов экономики. При этом гелий даже на ранних этапах использования являлся важным индикатором степени развития экономики. Если вы широко использовали гелий в первой половине XX века, то у вас развивалось авиастроение, электротехника, вы вкладывали деньги в развитие химии и физики, скорее всего у вас расширялось химическое производство.

В 1928 году в СССР началась первая пятилетка, а с ней и индустриализация. Для нужд страны создавалась мощная химическая промышленность, продукция которой требовалась во всех областях – от сельского хозяйства и медицины до науки и обороны.

К началу пятилетки предприятия химической промышленности были в массе своей изношены физически и морально. Страна сильно отстала в развитии этой отрасли от передовых на тот момент держав. Это не удивительно, учитывая тяготы мировой войны, когда заводы работали на износ, и безвременье гражданского конфликта и интервенции.

По состоянию на 1925 год химпром давал порядка 5% и без того не самых выдающихся объёмов промышленной продукции Союза ССР.

Правительством ставилась задача «добиться решающих сдвигов в развитии химической промышленности, обеспечивающих широкую химизацию всех отраслей народного хозяйства и укрепление обороноспособности страны». Одним из главных источников сырья для химпрома был природный газ. В природном газе, кроме безусловно интересного нам с вами гелия, содержались такие полезные элементы, как азот и водород. Из них получался, к примеру, аммиак. Его использовали для производства удобрений и взрывчатых веществ. Масса полезный продуктов получалась и из метана.

Надеемся, что уважаемые читатели помнят, что в саратовском газе было относительно немного гелия – 0,12%. При такой концентрации промышленное получение «солнечного газа» могло быть рентабельным лишь при условии, что побочные продукты (метан и азот) также будут выделяться и использоваться для производства различных веществ.

Речь пошла о создании целого химического комбината.

Новая технология извлечения гелия была предложена профессором Леонидом Фокиным. Процитируем профессора: «благодаря удачному химическому составу исходных газов в результате конверсии получается смесь азота, водорода и угольной кислоты причем соотношение между водородом и азотом как раз соответствует тому, что требуется для синтеза аммиака, то есть на три объема водорода приходится один объем азота».

При синтезе аммиака из саратовского сырья часть газов оставалась непереработанной. В этой смеси нарастала концентрация гелия, который будучи инертным ни в какие химические реакции не вступал. Затем начиналось сжижение концентрата.

Гелий переходит в жидкое состояние при температуре близкой к абсолютному нулю. То есть, когда все прочие компоненты переходили в жидкое состояние, гелий оставался газообразным.

В общих чертах, концептуально этот метод похож на тот, который будет применяться на Амурском газоперерабатывающем заводе ПАО «Газпром».

Окончательную доработку технологии провёл профессор Николай Клюквин. В дальнейшем она называлась «методом Фокина–Клюквина».

С января 1931 года все научно-исследовательские, геологоразведочные и производственные работы по добыче и переработке газов должны были решаться трестом «Стройгаз». Эта организация была создана в составе объединения «Всехимпром» и полное её название звучало как Контора по химическому использованию природных газов на территории Союза ССР. Вскоре её преобразовали в первый газодобывающий и перерабатывающий трест «Союзгаз».

Первой и основной задачей организации стала подготовка обустройства газодобывающего промысла и строительства опытного гелиевого завода в Мельниково.

И тут нам стоит вспомнить о методе Фокина–Клюквина, который предполагал, что основным продуктом Мельниковского завода будет аммиак, а гелий – побочным. Этот метод был взят за основу при обустройстве промысла. Но вскоре обнаружился неприятный сюрприз – запасы месторождения оказались слишком малы. Всего 100–125 млн куб. м природного газа. Строить крупный газохимический комбинат при таких условиях было бессмысленно.

Но аммиак при этом был необходим. Поэтому крупный комбинат по производству аммиака было решено построить Дагестане (на месторождении «Дагестанские огни»).

Это месторождение – одно из крупнейших на Северо-Кавказском нефтегазоносном бассейне, пожалуй, старейшем и наиболее разведанном в нашей стране. Здесь располагается колыбель российской нефтедобычи.

Хотя нефть к тому моменту в рамках данного бассейна добывалась около 60 лет, но масштабные исследования газоносности Дагестана развернулись в 1923 году.

К 1930-м годам буровики освоили бурение глубоких (точнее, считавшихся таковыми на тот момент) скважин – до 300 м. Также в рамках первой пятилетки заговорили об утилизации различного рода примесей горючих газов Дагестана – серы, азота, гелия и т.д. Предполагалось направлять это сырьё на дельнейшую переработку.

Но аммиак аммиаком, а гелий стране тоже был необходим. При этом старая «аммиачная» схема для производства уже не годилась.

В сложившихся для Мельниковского предприятия условиях Александр Бари предложил схему производства, в которой гелий являлся главным целевым продуктом.

В основе предложенной схемы лежала частичная конверсия метана для получения водорода, обогащение этим водородом основной массы гелийсодержащей газовой смеси. Затем следовало сжатие и подача смеси в холодильную установку Linde. После чего сжиженные фракции (метан – азот) отбирались и оставалась несжиженный газовый концентрат (гелий – водород).

В патентной заявке Александра Бари значилось следующее: «предлагаемый способ, не исключая возможности использования заключающегося в природном газе метана и азота для целей синтеза аммиака, в то же время не ставит осуществление проблемы выделения гелия из бедных газов в зависимость от срока и успеха разрешения проблемы получения аммиака из природных газов».

Теперь перспективы Мельниковского предприятия уже не зависели от синтеза аммиака. Технология Александра Бари позволяла использовать выделяемый метан для производства различных продуктов – сажи, бензина, метанола, формальдегида. Его также можно было направить на производство электрической и тепловой энергии.

Технология получения гелия Александра Бари и была опробована в Мельниково.

В апреле 1932 года в тестовую эксплуатацию была запущена опытно-промышленная гелиевая установка (на базе установки Linde). К июню 1932 года удалось получить сорокапроцентный гелиевый концентрат, а затем – девяностовосьмипроцентный гелий.

Опытно-промышленная стадия закончилась и началось промышленное производство «солнечного газа». Интересно, что сотрудничество с фирмой Linde российская газовая отрасль продолжает и по сей день. Именно эта компания является поставщиком основного технологического оборудования для криогенного разделения газа с получением гелия и других компонентов для нефтехимии на строящемся Амурском газоперерабатывающем заводе (одном из самых больших в мире предприятий по переработке природного газа).

Производство гелия на этом заводе позволит ООО «Газпром газэнергосеть» обеспечить гелием потребителей восточных регионов нашей страны и создать прочную основу для расширения экспорта «солнечного газа».

А основа гелиевого сотрудничества с Linde закладывалась ровно 85 лет назад.