Nafta un gāze

Hēlijs: dabasgāzes nozares blakusprodukts



Hēlija unikālās īpašības padara to par ideālu gāzi daudzām svarīgām vajadzībām


Hēlija mirgošana: Lielākā daļa cilvēku ir dzirdējuši par to, ka hēlijs tiek izmantots kā pacelšanas gāze gaisa baloniem, pūtieniem un ballīšu baloniem. Tie ir ļoti nelieli hēlija lietojumi. Lietojums, kas patērē vairāk hēlija nekā jebkurš cits, ir magnētu dzesēšana MRI (magnētiskās rezonanses attēlveidošanas) mašīnās medicīnas iestādēs. Dereka Jensena foto ar Goodyear mirkšķināšanu.

Kas ir hēlijs?

Hēlijs ir ķīmisks elements un bezkrāsaina, bez smaržas, bez garšas un inerta gāze. Tam ir mazākais jebkura elementa atoma rādiuss un otrais zemākais atoma svars. Tas ir vieglāks par gaisu.

Lielākā daļa cilvēku zina, ka hēlijs tiek izmantots kā pacelšanas gāze pūtīšu un ballīšu balonos, taču viņi nevar nosaukt citu tā izmantošanas veidu. Hēlija lietošana numur viens ir kā dzesēšanas gāze magnētiskās rezonanses attēlveidošanas (MRI) mašīnām, ko izmanto medicīnas iestādēs. Pie citiem svarīgiem hēlija izmantošanas veidiem pieder: aizsargājoša gāze metināšanai, inerta gāze kontrolētas atmosfēras ražošanai, difūzā gāze, ko izmanto noplūdes noteikšanai, un gāze ar zemu viskozitāti spiediena spiediena elpošanas maisījumiem.

Kur nāk hēlijs?

Zemes atmosfērā ir ļoti maz hēlija. Tas ir tik viegls elements, ka Zemes gravitācija to nespēj noturēt. Atrodoties uz Zemes virsmas, nekonkrēts hēlijs tūlīt sāk celties, līdz tas izkļūst no planētas. Tāpēc ballīšu baloni paceļas!

Hēliju, ko ražo komerciāli, iegūst no zemes. Dažos dabasgāzes laukos ir pietiekami daudz hēlija, kas sajaukts ar gāzi, un to var iegūt par ekonomiskām izmaksām. Daži lauki Amerikas Savienotajās Valstīs satur vairāk nekā 7% hēlija pēc tilpuma. Uzņēmumi, kas šajās teritorijās veic urbumus dabasgāzei, ražo dabasgāzi, pārstrādā to un kā blakusproduktu noņem hēliju.

Hēliju saturošas dabasgāzes atradnes: Depozīta modelis hēliju saturošiem dabasgāzes laukiem Amerikas Savienotajās Valstīs. Hēliju iegūst urāna un torija sabrukšana granitoīdu pagraba iežos. Atbrīvotais hēlijs ir peldošs un pārvietojas uz virsmas porainībā, kas saistīta ar pagraba defektiem. Pēc tam hēlijs virzās augšup pa poraino nogulšņu apvalku, līdz tas tiek ieslodzīts ar dabasgāzi zem anhidrīta vai sāls gultnes. Šie ir vienīgie sānu noturīgie iežu veidi, kas spēj notvert un satur mazos, peldošos hēlija atomus. Šī ģeoloģiskā situācija rodas tikai dažās pasaules vietās, un tāpēc bagātīgās hēlija uzkrāšanās notiek reti.

Saistīts: jauns helija lietojums - cietie diski

Kāpēc hēlijs ir dažās dabasgāzēs?

Tiek uzskatīts, ka lielākā daļa hēlija, kas tiek noņemts no dabasgāzes, veidojas no urāna un torija radioaktīvās sabrukšanas Zemes kontinentālās garozas granitoīdu iežos. Tā kā ļoti viegla gāze, tā ir peldoša un cenšas virzīties uz augšu, tiklīdz tā izveidojas. Bagātākās hēlija uzkrāšanās tiek konstatētas, ja pastāv trīs apstākļi: 1) granitoīdu pagraba ieži ir bagāti ar urānu un toriju; 2) pagraba ieži ir saplaisājuši un sabojājušies, lai nodrošinātu hēlija evakuācijas ceļus; un 3) porainos nogulumiežu slāņus virs pagraba bojājumiem pārklāj ar necaurlaidīgu halīta vai anhidrīta blīvējumu. 1 Ja visi šie nosacījumi ir izpildīti, hēlijs var uzkrāties porainā nogulumiežu slānī.

Hēlijam ir vismazākais jebkura elementa atoma rādiuss, apmēram 0,2 nanometri. Tātad, kad tas veidojas un sāk virzīties uz augšu, tas var ietilpt ļoti mazās poru vietās klintīs. Halīts un anhidrīts ir vienīgie nogulumieži, kas var bloķēt hēlija atomu migrāciju augšup. Slānekļi, kuru poru atstarpe ir aizbāzta ar bagātīgiem organiskiem materiāliem (kerogēnu), dažreiz kalpo kā mazāk efektīva barjera.

Hēliju saturošas dabasgāzes atradnes: Karte, kurā parādīti dabasgāzes lauki, kas kalpo par nozīmīgiem hēlija avotiem Amerikas Savienotajās Valstīs. Šajos laukos ražotā dabasgāze satur no 0,3% līdz vairāk nekā 7% hēlija. Hēlijs tiek noņemts no gāzes komerciālai pārdošanai. Attēls, izmantojot datus par atrašanās vietu no Amerikas Savienoto Valstu ģeoloģijas dienesta. 2

Kur dabas gāze ir bagāta ar hēliju?

Lielākā daļa neapstrādātās dabasgāzes satur vismaz nelielu daudzumu hēlija. Ļoti maz dabasgāzes lauku satur pietiekami daudz, lai attaisnotu hēlija reģenerācijas procesu. Dabasgāzes avotā jābūt vismaz 0,3% hēlija, lai to uzskatītu par iespējamu hēlija avotu.

Pasaules hēlija resursi
ValstsMiljardus kubikmetru
Savienotās Valstis20.6
Katara10.1
Alžīrija8.2
Krievija6.8
Kanāda2.0
Ķīna1.1
Iepriekš norādītās vērtības ir aprēķinātas hēlija resursi no USGS minerālpreču kopsavilkumiem. 3

2010. gadā visa hēlijam apstrādātā dabasgāze Amerikas Savienotajās Valstīs nāca no laukiem Kolorādo, Kanzasa, Oklahoma, Teksasa, Jūta un Vaiominga, kā parādīts pievienotajā kartē. Hugotona lauks Oklahomā, Kanzasā un Teksasā; Panomas lauks Kanzasā; Kejesas lauks Oklahomā; Panhandle West un Cliffside Fields Teksasā un Riley Ridge Field Wyoming veido lielāko daļu hēlija ražošanas Amerikas Savienotajās Valstīs. 2

2010. gada laikā ASV saražoja 128 miljonus kubikmetru hēlija. No šīs summas 53 miljoni kubikmetru hēlija tika iegūti no dabasgāzes, un 75 miljoni kubikmetru tika izņemti no Nacionālās hēlija rezerves. Citas valstis ar zināmiem ražošanas apjomiem bija: Alžīrija (18 miljoni kubikmetru), Katara (13 miljoni kubikmetru), Krievija (6 kubikmetri) un Polija (3 kubikmetri). Kanāda un Ķīna saražoja nelielu, bet neziņotu hēlija daudzumu. 3

Hēlijs MRI mašīnās: Hēlija galvenā izmantošana ir magnētu dzesēšana MRI (magnētiskās rezonanses attēlveidošanas) mašīnās, ko izmanto slimību un ievainojumu diagnosticēšanai medicīnas iestādēs.

Jauns lietojums hēlijam: Pirmais ar hēliju noslēgtais cietais disks tika ražots 2013. gadā. Hēlijs ļauj piedziņai patērēt mazāk enerģijas, radīt mazāk siltuma, radīt mazāk trokšņa, aizņemt mazāk vietas, aizņemt vairāk datu un radīt mazāk vibrāciju nekā parastais cietais disks. Uzzināt vairāk. Foto

Hēlija lietojumi

Hēlijam ir vairākas īpašības, kas padara to par īpaši piemērotu noteiktiem lietojumiem. Dažos no šiem lietojumiem hēlijs ir vislabākā iespējamā gāze, un dažos no tiem hēlijs nav pienācīgi aizstāts. Tālāk ir aprakstīti vairāki hēlija lietojumi, kā arī īpašības, kas padara to piemērotu lietošanai.

Magnētiskās rezonanses attēlveidošanas

Hēliju galvenokārt izmanto magnētiskās rezonanses attēlveidošanas mašīnās, kuras izmanto medicīnas iestādēs, lai novērtētu ievainojumus un diagnosticētu slimības. Šīs mašīnas izmanto magnētisko lauku, ko rada supravadošais magnēts. Šie magnēti rada milzīgu siltuma daudzumu. Šķidrais hēlijs ir izvēlēta dzesēšanas viela, lai regulētu šo magnētu temperatūru. Tā kā hēlijam ir zemākais jebkuras gāzes īpatnējais siltums un jebkura elementa zemākā viršanas / kušanas temperatūra, hēlijam šajā ļoti svarīgajā lietojumā nav paredzēts aizstājējs.

Celšanas gāze

Hēlijam ir otrais zemākais jebkura elementa atomsvars. Tikai ūdeņradim ir mazāks atomu svars. Hēlijs kā gāze, kas ir gaišāka par gaisu, ir izmantota kā “pacelšanas gāze” dirižabļu un gaisa balonu izgatavošanai. Slāpējošie signāli, dirižabļi, zeppelīni, pretgaisa gaisa baloni, laikapstākļu baloni un citi gaisa kuģi, kas ir gaišāki par gaisu, kā celšanas gāzi ir izmantojuši hēliju. Tas ir daudz drošāks par ūdeņradi, jo nav uzliesmojošs. Šī bija vissvarīgākā hēlija izmantošanas kategorija līdz Otrā pasaules kara beigām. Daudz mazāk hēlija tagad tiek izmantots kā celšanas gāze.

Tīrīšanas gāze: Heli izmanto NASA un Aizsardzības departaments, lai iztīrītu šķidro skābekli un šķidro ūdeņradi no raķešu dzinēju degvielas tvertnēm un degvielas padeves sistēmām. Hēlijs ir inerts, un tā sasalšanas temperatūra ir tik zema, ka attīrīšanas procesā tas paliek kā gāze. Hēlija plūsma šajās sistēmās ir izmantota pat ārkārtas situācijās, lai dzēstu ugunsgrēkus. NASA attēls.

Hēlija elpošanas maisījumi: Hēliju izmanto, lai sagatavotu elpošanas gāzu maisījumus dziļūdens niršanai. Hēlijs ir inerts un ar zemu viskozitāti zem spiediena, kas ļauj vieglāk elpot. Image NOAA.

Gāzes attīrīšana

Hēlijam ir zemākā jebkuras gāzes kušanas un viršanas temperatūra. Tas kūst un vārās temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei. Tā kā tā joprojām ir gāze ļoti zemā temperatūrā, to var izmantot kā attīrīšanas gāzi degvielas tvertnēm un degvielas padeves sistēmām, kuras ir piepildītas ar ļoti aukstiem šķidrumiem, piemēram, šķidro ūdeņradi un šķidro skābekli. Tā kā tas ir inerts un ar zemu sasalšanas temperatūru, tas var droši pārvietot šo degvielu bez sasalšanas. NASA un Aizsardzības departaments raķešu vilces sistēmu attīrīšanai izmanto lielu daudzumu hēlija.

Kontrolēta atmosfēras ražošana

Hēlijs ir inerta gāze. Vienīgā gāze ar zemāku reaģētspēju ir neons. Šī zemā reaktivitāte padara hēliju par vērtīgu gāzi, ko izmantot ražošanas un remonta procesos, kad nepieciešama inerta atmosfēra. Hēlijam ir arī otrais zemākais jebkuras gāzes blīvums, kā arī ļoti augsta siltuma vadītspēja. Šīs hēlija gāzes īpašības padara to par izvēlēto atmosfēru daudzos metalurģiskos procesos, audzējot perfektus kristālus ķīmiskajos tvaikos, ražojot optiskās šķiedras un citām vajadzībām.

Noplūžu noteikšana

Hēlijam ir ļoti zema viskozitāte, augsts difūzijas koeficients un mazākais jebkura elementa atoms. Šīs īpašības hēliju satur ļoti grūti. Ja sistēmai ir noplūde, hēlijs izkļūst. Tāpēc hēlija gāze tiek izmantota, lai pārbaudītu augsta vakuuma, degvielas sistēmu un citu noplūžu pārbaudi.

Elpošanas maisījumi

Hēliju un citas inertas gāzes izmanto elpošanas maisījumu sagatavošanai dziļūdens niršanai un medicīniskām procedūrām. Šeit tiek izmantots hēlijs, jo tas ir inerts, ar ļoti zemu viskozitāti un zem spiediena ir vieglāk elpot nekā jebkura cita gāze.

Metināšanas gāze

Metinot, hēlijs tiek izmantots kā aizsargājoša atmosfēra. Inertās gāzes atmosfēra aizsargā karstos metālus no oksidēšanās un citām reakcijām, kas var ātri notikt augstā temperatūrā.

Hēlija lietojumi: Relatīvais hēlija daudzums, ko 2011. gadā ASV patērēja dažādiem lietojumiem. Diagramma, izmantojot USGS datus.

Hēlijs: neatjaunojams resurss

Hēlijs ir gāze, kuru atrod tikai tad, ja notiek neiespējama situāciju sakritība. Lai arī to nepārtraukti ražo radioaktīvo minerālu sadalīšanās Zemes garozā, tā dabiskā veidošanās un uzkrāšanās ātrums ir tik lēns, ka tas jāuzskata par neatjaunojamu resursu.

Informācija par hēliju
1 Hēlijs Ņūmeksikā: Ronalds F. Broadhead, Jaunās Meksikas ģeoloģijaŅūmeksikas Ģeoloģijas un derīgo izrakteņu birojs, Ņūmeksikas Kalnrūpniecības un tehnoloģijas institūts, 2005. gada novembris.
2 Hēlijs 2010: Džozefs B. Pētersons un Pīters J. Madrids, Minerālu gadagrāmata, Amerikas Savienoto Valstu ģeoloģijas dienests, 2012. gada janvāris.
3 Hēlijs 2012: Peter J. Madrid, Minerālpreču kopsavilkumi, Amerikas Savienoto Valstu ģeoloģijas dienests, 2012. gada janvāris.
4 Nācijas hēlija rezerves pārdošana: Hēlija rezerves pārdošanas ietekmes izpratnes komiteja, Nacionālā pētniecības padome, The National Academies Press, 2010.
5 Liecība par 2013. gada Hēlija pārvaldīšanas likumu: Liecība Amerikas Savienoto Valstu valdības Pārskatu sniegšanas biroja Pārstāvju palātas Enerģētikas un derīgo izrakteņu apakškomitejā, GAO-15-734T, 2015. gada 8. jūlijs.
6 Strauji augošās hēlija cenas var izraisīt pop balonu tirdzniecību: Rachel Rodgers un Sharon Barricklow, raksts Decatur Herald-Review, 2015. gada februāris.

Hēlija gluts un hēlija deficīts

1925. gadā Amerikas Savienotās Valstis izveidoja Nacionālo hēlija rezervi, lai kalpotu par stratēģisku hēlija piegādi izmantošanai dirižabļos un citiem aizsardzības mērķiem. Tajā laikā valstī tika ražots daudz vairāk hēlija, nekā tika patērēts. Pēc Otrā pasaules kara hēlija, ko izmantoja kā pacelšanas gāzi, daudzums samazinājās, bet pieprasījums pēc hēlija kā attīrošā gāze, uzpildot raķešu dzinējus, un kā dzesēšanas šķidrums kodolieroču objektos pieauga. Tomēr hēlija tika saražots vairāk nekā patērēts.

1995. gadā Kongress nolēma, ka nacionālā hēlija rezerve nav būtiska, un uzsāka programmu hēlija pārdošanai kā daļu no 1996. gada Hēlija privatizācijas likuma. 4 Gandrīz divas desmitgades Kongress ļāva hēliju pārdot ar milzīgu atlaidi bez maksas. tirgus cenas. Pārdodot Nacionālās hēlija rezerves, tika apmierināta līdz 1/2 no pasaules hēlija pieprasījuma. Dažos gados no ASV uz citām valstīm tika eksportēts vairāk hēlija, nekā tika patērēts vietējā tirgū. 2 Tie, kas iegādājās hēliju no valdības, ieguva fantastisku darījumu, un tie, kas iegādājās hēliju brīvajā tirgū, maksāja daudz augstāku cenu.

Nacionālās hēlija rezerves krājumu dempings tirgū tik ļoti pazemināja hēlija cenu, ka tas tika izmantots kā lēts argona un citu gāzu aizstājējs, kuru piegādes ir daudz mazāk ierobežotas.

Tā kā komerciālā hēlija ražošana netika atalgota vai tika intensīvi izmantota, tirgus bija nepietiekams, kad 2014. gadā Nacionālās hēlija rezerves pārdošanas apjomi tika aizstāti ar izsoļu sistēmu. Pirmajā izsolē divi pretendenti iegādājās visu gada kvotu - 93 miljonus kubikmetru hēlija. nekā divkāršot iepriekšējā gada tirgus cenu. Pēc izsoles tiem pašiem diviem pretendentiem tika pārdots vēl 1 miljards kubikpēdu. 5

Kopš pirmās izsoles hēlija cena turpināja pieaugt, jo jaunā hēlija ražošanā nepietiek patēriņa. Cenu pieaugums ir veicinājis investīcijas jaunās hēlija pārstrādes rūpnīcās. Tomēr hēliju var ražot tikai no dabasgāzes laukiem ar sāli vai anhidrātu kā slazdu iežu. Tas notiek tikai dažās pasaules daļās.

Saskaņā ar pašreizējiem likumiem nacionālā hēlija rezerve tiks izpārdota līdz 2021. gadam. Cerams, ka pieaugošās investīcijas hēlija reģenerācijas rūpnīcās būs pietiekamas, lai apmierinātu hēlija patērētāju vajadzības, kad vairs nebūs šī svarīgā hēlija avota.


Skatīties video: Hēlijs (Oktobris 2021).