Нефтяной газ

Гелий: побочный продукт газовой промышленности

Гелий: побочный продукт газовой промышленности



Уникальные свойства гелия делают его идеальным газом для многих важных применений


Гелий дирижабль: Большинство людей слышали о том, что гелий используется в качестве подъемного газа для метеозондов, дирижаблей и воздушных шаров для вечеринок. Это очень незначительное использование гелия. Использование, которое потребляет больше гелия, чем любое другое, охлаждает магниты в машинах МРТ (магнитно-резонансная томография) в медицинских учреждениях. Сверкающая фотография Goodyear Дерека Дженсена.

Что такое гелий?

Гелий является химическим элементом и бесцветным инертным газом без запаха и вкуса. Он имеет наименьший атомный радиус из всех элементов и второй по величине атомный вес. Это легче воздуха.

Большинство людей знают, что гелий используется в качестве подъемного газа в дирижаблях и воздушных шарах для вечеринок, но они не могут назвать другой способ его использования. Номер один использование гелия в качестве охлаждающего газа для машин магнитно-резонансной томографии (МРТ), используемых в медицинских учреждениях. Другие важные области применения гелия включают: защитный газ для сварки, инертный газ для производства в контролируемой атмосфере, летучий газ, используемый для обнаружения утечек, и газ с низкой вязкостью для дыхательных смесей под давлением.

Откуда взялся гелий?

В атмосфере Земли очень мало гелия. Это такой легкий элемент, что земная гравитация не может его удержать. Присутствующий на поверхности Земли, неограниченный гелий сразу начинает расти, пока не покинет планету. Вот почему воздушные шары вечеринки поднимаются!

Гелий, который производится в промышленных масштабах, получается из земли. На некоторых месторождениях природного газа достаточно гелия, смешанного с газом, чтобы его можно было добывать при экономичных затратах. Несколько месторождений в Соединенных Штатах содержат более 7% гелия по объему. Компании, которые добывают природный газ в этих районах, производят природный газ, перерабатывают его и удаляют гелий как побочный продукт.

Гелийсодержащие месторождения природного газа: Модель месторождения для гелийсодержащих месторождений природного газа в США. Гелий образуется в результате распада урана и тория в гранитоидных породах фундамента. Высвободившийся гелий плавучий и движется к поверхности в пористости, связанной с разломами фундамента. Затем гелий движется вверх через пористое осадочное покрытие до тех пор, пока он не будет захвачен природным газом под слоями ангидрита или соли. Это единственные устойчивые в боковом отношении породы, которые способны улавливать и удерживать крошечные плавучие атомы гелия. Эта геологическая ситуация возникает только в нескольких местах в мире, и поэтому накопления гелия в организме редки.

Связанный: Новое Использование Гелия - Жесткие диски

Почему гелий в природном газе?

Считается, что большая часть гелия, извлекаемого из природного газа, образуется в результате радиоактивного распада урана и тория в гранитоидных породах континентальной коры Земли. Как очень легкий газ, он плавучий и стремится двигаться вверх, как только он образуется. Самые богатые скопления гелия обнаруживаются при наличии трех условий: 1) гранитоидные фундаментные породы богаты ураном и торием; 2) породы фундамента сломаны и повреждены, чтобы обеспечить пути выхода для гелия; и 3) пористые осадочные породы над разломами фундамента закрыты непроницаемым уплотнением из галита или ангидрита. 1 Когда все эти три условия соблюдены, гелий может накапливаться в слое пористой осадочной породы.

Гелий имеет наименьший атомный радиус любого элемента, около 0,2 нанометра. Таким образом, когда он формируется и начинает двигаться вверх, он может проникать через очень маленькие поровые пространства в скалах. Галит и ангидрит - единственные осадочные породы, которые могут блокировать восходящую миграцию атомов гелия. Сланцы, в которых поры заполнены обильными органическими материалами (керогеном), иногда служат менее эффективным барьером.

Гелийсодержащие месторождения природного газа: Карта, показывающая месторождения природного газа, которые служат важными источниками гелия в Соединенных Штатах. Природный газ, добываемый на этих месторождениях, содержит от 0,3% до более 7% гелия. Гелий удаляется из газа для коммерческой продажи. Изображение с использованием данных о местоположении от Геологической службы США. 2

Где природный газ богат гелием?

Большая часть необработанного природного газа содержит, по крайней мере, следовые количества гелия. Очень немногие месторождения природного газа содержат достаточно, чтобы оправдать процесс извлечения гелия. Источник природного газа должен содержать не менее 0,3% гелия, чтобы считаться потенциальным источником гелия.

Мировые ресурсы гелия
СтранаМиллиард кубических метров
Соединенные Штаты20.6
Катар10.1
Алжир8.2
Россия6.8
Канада2.0
Китай1.1
Приведенные выше значения являются оценочными запасами гелия по данным USGS Mineral Commodity. 3

В 2010 году весь природный газ, обработанный для гелия в Соединенных Штатах, поступал с месторождений в Колорадо, Канзасе, Оклахоме, Техасе, Юте и Вайоминге, как показано на прилагаемой карте. Поле Hugoton в Оклахоме, Канзасе и Техасе; Поле Панома в Канзасе; поле Киз в Оклахоме; на месторождения Панхандл-Уэст и Клиффсайд в Техасе и поле Райли-Ридж в Вайоминге приходится большая часть производства гелия в Соединенных Штатах. 2

В течение 2010 года Соединенные Штаты произвели 128 миллионов кубических метров гелия. Из этого количества 53 миллиона кубических метров гелия были извлечены из природного газа, а 75 миллионов кубических метров были изъяты из Национального гелиевого заповедника. Другими странами с известными объемами производства были: Алжир (18 млн. Кубометров), Катар (13 млн. Кубометров), Россия (6 млн. Кубометров) и Польша (3 млн. Кубометров). Канада и Китай произвели небольшое, но не сообщаемое количество гелия. 3

Гелий в МРТ машинах: Использование гелия номер один - это охлаждение магнитов в машинах МРТ (магнитно-резонансная томография), используемых для диагностики заболеваний и травм в медицинских учреждениях.

Новое использование для гелия: Первый жесткий диск с гелиевым уплотнением был выпущен в 2013 году. Гелий позволяет приводу потреблять меньше энергии, производить меньше тепла, меньше шума, занимать меньше места, хранить больше данных и производить меньше вибраций, чем стандартный жесткий диск. Выучить больше, Фото

Использование гелия

Гелий обладает рядом свойств, которые делают его исключительно подходящим для определенных целей. В некоторых из этих применений гелий является наилучшим из возможных газов, а в некоторых из них нет адекватной замены гелия. Несколько вариантов использования гелия, а также свойства, которые делают его пригодным для использования, описаны ниже.

Магнитно-резонансная томография

Использование гелия номер один в машинах магнитно-резонансной томографии, используемых в медицинских учреждениях для оценки травм и диагностики заболеваний. Эти машины используют магнитное поле, которое создается сверхпроводящим магнитом. Эти магниты генерируют огромное количество тепла. Жидкий гелий является предпочтительным охлаждающим веществом для регулирования температуры этих магнитов. Поскольку гелий имеет вторую самую низкую удельную теплоемкость любого газа и самую низкую температуру кипения / плавления любого элемента, в этом очень важном использовании не предвидится никакой замены гелию.

Подъемный газ

Гелий имеет второй по величине атомный вес любого элемента. Только водород имеет меньший атомный вес. Как газ легче воздуха, гелий использовался в качестве «подъемного газа» для дирижаблей и воздушных шаров. Дирижабли, дирижабли, дирижабли, зенитные аэростаты, метеозонды и другие легкие воздушные суда использовали гелий в качестве подъемного газа. Это намного безопаснее, чем водород, потому что он не воспламеняется. Это была самая важная категория использования гелия до конца Второй мировой войны. Гораздо меньшее количество гелия в настоящее время используется в качестве подъемного газа.

Продувочный газ: Гелий используется НАСА и Министерством обороны для очистки жидкого кислорода и жидкого водорода от топливных баков и систем подачи топлива ракетных двигателей. Гелий инертен и имеет температуру замерзания настолько низкую, что в процессе продувки он остается газом. Поток гелия в эти системы даже использовался во время чрезвычайных ситуаций для тушения пожаров. Изображение НАСА.

Гелиевые дыхательные смеси: Гелий используется для приготовления дыхательных газовых смесей для глубоководных погружений. Гелий инертен и имеет низкую вязкость под давлением, что позволяет легче дышать. Изображение NOAA.

Продувочный газ

Гелий имеет самую низкую температуру плавления и кипения любого газа. Он плавится и кипит при температурах, близких к абсолютному нулю. Поскольку он остается газом при очень низких температурах, его можно использовать в качестве продувочного газа для топливных баков и систем подачи топлива, которые заполнены очень холодными жидкостями, такими как жидкий водород и жидкий кислород. Поскольку он инертен и имеет низкую температуру замерзания, он может безопасно заменить это топливо без замерзания. Большие количества гелия используются НАСА и Министерством обороны для очистки ракетных движителей.

Производство в контролируемой атмосфере

Гелий является инертным газом. Единственный газ с более низкой реакционной способностью - неон. Эта низкая реакционная способность делает гелий ценным газом для использования в производственных и ремонтных процессах, когда требуется инертная атмосфера. Гелий также имеет вторую самую низкую плотность любого газа наряду с очень высокой теплопроводностью. Эти свойства газообразного гелия делают его атмосферой выбора для многих металлургических процессов, выращивания совершенных кристаллов в парах химических веществ, производства оптических волокон и других целей.

Обнаружение утечки

Гелий имеет очень низкую вязкость, высокий коэффициент диффузии и самый маленький атом любого элемента. Эти характеристики делают гелий очень трудным для содержания. Если в системе есть утечка, гелий выйдет. Поэтому газ гелий используется для проверки высоковакуумных систем, топливных систем и других защитных оболочек на предмет утечек.

Дыхательные смеси

Гелий и другие инертные газы используются для приготовления дыхательных смесей для глубоководных погружений и медицинских процедур. Гелий используется здесь, потому что он инертен, имеет очень низкую вязкость и легче дышать под давлением, чем любой другой газ.

Сварочный газ

Гелий используется в качестве защитной атмосферы при сварке. Атмосфера инертного газа защищает горячие металлы от окисления и других реакций, которые могут происходить быстро при высоких температурах.

Использование гелия: Относительные количества гелия, потребленные различными видами использования в Соединенных Штатах в течение 2011 года. График с использованием данных из USGS.

Гелий: невозобновляемый ресурс

Гелий - это газ, который встречается только в тех случаях, когда происходят совпадения маловероятных ситуаций. Хотя он постоянно производится в результате распада радиоактивных минералов в земной коре, скорость его естественного производства и накопления настолько низкая, что его следует считать невозобновляемым ресурсом.

Информация о гелии
1 Гелий в Нью-МексикоРональд Ф. Бродхед, Нью-Мексико ГеологияБюро геологии и минеральных ресурсов Нью-Мексико, Институт горного дела и технологии Нью-Мексико, ноябрь 2005 г.
2 Гелий 2010: Джозеф Б. Петерсон и Питер Дж. Мадрид, Ежегодник минераловГеологическая служба США, январь 2012 г.
3 Гелий 2012: Питер Дж. Мадрид, Минеральные товарные сводкиГеологическая служба США, январь 2012 г.
4 Продажа национального гелиевого резерва: Комитет по пониманию влияния продажи гелиевого резерва, Национальный исследовательский совет, Пресса национальных академий, 2010.
5 Свидетельство по Закону об управлении гелием 2013 года: Свидетельство перед Подкомитетом Палаты представителей по энергетике и минеральным ресурсам, Управление по подотчетности правительства США, GAO-15-734T, 8 июля 2015 г.
6 Быстро растущие цены на гелий могут увеличить продажи воздушных шаров: Рэйчел Роджерс и Шэрон Барриклоу, статья в Decatur Herald-Review, февраль 2015 года.

Гелиевые глюты и нехватка гелия

В 1925 году Соединенные Штаты создали Национальный гелиевый заповедник, чтобы служить стратегическим источником гелия для использования на дирижаблях и для других оборонных целей. В то время страна производила гораздо больше гелия, чем потребляла. После Второй мировой войны количество гелия, используемого в качестве подъемного газа, сократилось, однако спрос на гелий в качестве продувочного газа при заправке ракетных двигателей и в качестве теплоносителя на объектах ядерного оружия вырос. Тем не менее, было произведено больше гелия, чем потреблено.

В 1995 году Конгресс решил, что Национальный резерв гелия не является существенным, и инициировал программу по продаже гелия в рамках Закона о приватизации гелия 1996 года. 4 В течение почти двух десятилетий Конгресс разрешал продавать гелий с огромной скидкой на бесплатную доставку. рыночные цены. До половины мирового спроса на гелий покрывалось за счет продаж из Национального гелиевого резерва. В некоторые годы из Соединенных Штатов в другие страны экспортировалось больше гелия, чем потреблялось внутри страны. 2 Те, кто купил гелий у правительства, получили фантастическую сделку, а те, кто купил гелий на свободном рынке, заплатили гораздо более высокую цену.

Сброс на рынок запасов Национального гелиевого резерва настолько ослабил цену гелия, что он использовался в качестве дешевого заменителя аргона и других газов, запасы которых значительно меньше.

Поскольку коммерческое производство гелия не было вознаграждено или интенсивно использовалось, рынок был недостаточно обеспечен, когда продажи Национального гелиевого резерва были заменены системой аукционов в 2014 году. На первом аукционе два участника закупили весь годовой объем 93 миллионов кубических футов гелия по более высокой цене. чем удвоить рыночную цену предыдущего года. После аукциона еще один миллиард кубических футов был продан тем же двум претендентам. 5

После первого аукциона цена на гелий продолжала расти, поскольку производство нового гелия не соответствует потреблению. Повышение цен вызвало инвестиции в новые заводы по переработке гелия. Однако гелий может быть добыт только из месторождений природного газа с солью или ангидратом в качестве ловушки. Это происходит только в нескольких частях света.

Согласно действующему законодательству, Национальный резерв гелия будет распродан к 2021 году. Надеемся, что увеличение инвестиций в заводы по восстановлению гелия будет достаточным для удовлетворения потребностей потребителей гелия, когда этот важный источник гелия исчезнет.


Смотреть видео: ВЕСЕЛЯЩИЙ ГАЗ. ЧТО ТАКОЕ НИТРОУСКОРЕНИЕ?