Nafta ja gaas

Heelium: maagaasitööstuse kõrvalsaadus

Heelium: maagaasitööstuse kõrvalsaadus



Heeliumi ainulaadsed omadused muudavad selle täiuslikuks gaasiks paljudes olulistes rakendustes


Heeliumiga pilk: Enamik inimesi on kuulnud heeliumi kasutamisest tõstegaasina õhupallide, põnevuse ja pidude õhupallide jaoks. Need on heeliumi väga vähesed kasutusviisid. Kasutamine, mis tarbib rohkem heeliumi kui ükski teine, on meditsiiniasutuste magnetresonantskuvamise aparaatide magnetite jahutamine. Derek Jenseni foto Goodyeari pilgust.

Mis on heelium?

Heelium on keemiline element ja värvitu, lõhnatu, maitsetu, inertne gaas. Sellel on mis tahes elemendi väikseim aatomiraadius ja madalaim aatommass. See on õhust kergem.

Enamik inimesi teab, et heeliumi kasutatakse tõstegaasina pilgupallides ja pidude õhupallides, kuid nad ei oska muud nimetada. Heeliumi kasutamine number üks on jahutusgaasina meditsiiniasutustes kasutatavate magnetresonantstomograafia (MRI) aparaatide jaoks. Muud heeliumi olulised kasutusalad hõlmavad: kaitsvat gaasi keevitamiseks, inertset gaasi kontrollitud atmosfääri tootmiseks, lekke tuvastamiseks kasutatavat lenduvat gaasi ja madala viskoossusega gaasi survestatud hingamissegude jaoks.

Kust pärineb heelium?

Maa atmosfääris on väga vähe heeliumi. See on nii kerge element, et Maa gravitatsioon ei suuda seda hoida. Maa pinnal viibides hakkab rafineerimata heelium kohe tõusma, kuni see pääseb planeedilt. Sellepärast tõusevad pidude õhupallid!

Tööstuslikult toodetav heelium saadakse maapinnast. Mõnes maagaasiväljas on gaasiga segatud piisavalt heeliumi, et seda saaks säästliku hinnaga kaevandada. Mõned USA põllud sisaldavad üle 7 mahuprotsendi heeliumi. Nendes piirkondades maagaasi puurivad ettevõtted toodavad maagaasi, töötlevad seda ja eemaldavad heelium kõrvalsaadusena.

Heeliumi kandvad maagaasimaardlad: USA heeliumi kandvate maagaasiväljade hoiustamismudel. Heeliumi toodetakse uraani ja tooriumi lagunemise tagajärjel granitoidsetes aluskivimites. Vabanenud heelium on ujuv ja liigub pinna poole keldritõrgetega seotud poorsuses. Heelium liigub seejärel läbi poorse settekatte ülespoole, kuni see jääb maagaasiga anhüdriidi või soola kihtide alla. Need on ainsad külgpüsivad kivimitüübid, mis suudavad kinni hoida ja sisaldada pisikesi ujuvaid heeliumi aatomeid. See geoloogiline olukord ilmneb ainult vähestes kohtades maailmas ja seetõttu on rikka heeliumi akumulatsioon haruldane.

Seotud: heeliumi uus kasutus - kõvakettad

Miks on heelium mõnes maagaasis?

Arvatakse, et suurem osa maagaasist eemaldatavast heeliumist moodustub uraani ja tooriumi radioaktiivse lagunemise tagajärjel Maa mandri maakoore granitoidkivimites. Kuna tegemist on väga kerge gaasiga, on see ujuv ja püüab liikuda ülespoole kohe, kui see moodustub. Kõige rikkamad heeliumi akumulatsioonid leitakse, kui on olemas kolm tingimust: 1) granitoidsetes aluskivimites on rikas uraan ja toorium; 2) keldri kivid on pragunenud ja rikutud, et tagada heeliumi pääsemisteed; ja 3) keldritõrgete kohal olevad poorne settekivim on kaetud halogeniidi või anhüdriidi mitteläbilaskva tihendiga. 1 Kui kõik need kolm tingimust on täidetud, võib heelium koguneda poorsesse settekivimite kihti.

Heeliumil on ükskõik millise elemendi väikseim aatomiraadius, umbes 0,2 nanomeetrit. Niisiis, kui see moodustub ja hakkab ülespoole liikuma, mahub see läbi väga väikeste pooride ruumi kivide sees. Haliit ja anhüdriit on ainsad settekivimid, mis võivad blokeerida heeliumi aatomite ülespoole liikumist. Kilid, mille pooriruumid on ühendatud rohke orgaanilise materjaliga (kerogeen), on mõnikord vähem efektiivne tõke.

Heeliumi kandvad maagaasimaardlad: Kaart, mis näitab maagaasivälju, mis on olulised heeliumi allikad Ameerika Ühendriikides. Nendest väljadest toodetud maagaas sisaldab 0,3–7% heeliumi. Heelium eemaldatakse gaasi müügiks. Pilt, kasutades Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskuse asukohaandmeid. 2

Kus on maagaasi rikas heeliumis?

Enamik töötlemata maagaasi sisaldab vähemalt minimaalset kogust heeliumi. Väga vähesed maagaasiväljad sisaldavad piisavalt heeliumi taaskasutamise protsessi õigustamiseks. Maagaasi allikas peab sisaldama vähemalt 0,3% heeliumi, et seda käsitada potentsiaalse heeliumi allikana.

Maailma heeliumiressursid
RiikMiljardit kuupmeetrit
Ühendriigid20.6
Katar10.1
Alžeeria8.2
Venemaa6.8
Kanada2.0
Hiina1.1
Ülaltoodud väärtused on hinnangulised heeliumi ressursid USGSi mineraalainete kokkuvõtetest. 3

2010. aastal tuli kogu heeliumi jaoks töödeldav maagaas USA-st Colorado, Kansase, Oklahoma, Texase, Utah ja Wyomingi põldudelt, nagu on näidatud lisatud kaardil. Hugotoni väli Oklahomas, Kansases ja Texases; Panoma väli Kansases; Keyesi väljak Oklahomas; Panhandle West ja Cliffside Fieldid Texases ning Riley Ridge Field Wyomingis moodustavad suurema osa heeliumi tootmisest Ameerika Ühendriikides. 2

2010. aasta jooksul tootis USA 128 miljonit kuupmeetrit heeliumi. Sellest summast kaevandati maagaasist 53 miljonit kuupmeetrit heeliumi ja riiklikust heeliumivarust eemaldati 75 miljonit kuupmeetrit. Teised teadaoleva kogusega riigid olid: Alžeeria (18 miljonit kuupmeetrit), Katar (13 kuupmeetrit), Venemaa (6 kuupmeetrit) ja Poola (3 kuupmeetrit). Kanadas ja Hiinas toodeti väikseid, kuid teatamata koguseid heeliumi. 3

Heelium MRT-aparaatides: Heeliumi kasutamine number üks on magnetite jahutamine MRI (magnetresonantstomograafia) aparaatides, mida kasutatakse haiguste ja vigastuste diagnoosimiseks meditsiiniasutustes.

Uus kasutus heeliumil: Esimene heeliumiga suletud kõvaketas toodeti 2013. aastal. Heelium võimaldab ajamil kasutada vähem energiat, toota vähem soojust, tekitada vähem müra, võtta vähem ruumi, hoida rohkem andmeid ja tekitada vähem vibratsioone kui tavalises kõvakettas. Lisateave. Foto

Heeliumi kasutusviisid

Heeliumil on mitmeid omadusi, mis muudavad selle teatavaks kasutuseks erakordselt hästi. Mõnes neist kasutusviisidest on heelium parim võimalik gaasikasutus ja mõnes üksikus pole heeliumi sobivat asendajat. Allpool kirjeldatakse heeliumi mitut kasutamist koos omadustega, mis muudavad selle kasutamiseks sobivaks.

Magnetresonantstomograafia

Heeliumi kasutamine number üks on magnetresonantstomograafia aparaatides, mida kasutatakse meditsiiniasutustes vigastuste hindamiseks ja haiguste diagnoosimiseks. Need masinad kasutavad magnetvälja, mille tekitab ülijuhtiv magnet. Need magnetid tekitavad tohutult soojust. Vedel heelium on nende magnetide temperatuuri reguleerimiseks valitud jahutav aine. Kuna heeliumil on mis tahes gaasi erisoojus madalaim ja mis tahes elemendi madalaim keemistemperatuur / sulamistemperatuur, pole sellel väga olulisel kasutamisel heeliumi kavandatavat asendajat.

Tõstegaas

Heeliumil on mis tahes elemendi väikseim aatommass. Ainult vesinikul on väiksem aatommass. Õhust kergema gaasina on heeliumi kasutatud õhulaevade ja õhupallide tõstegaasina. Pilgud, helisignaalid, zepeliinid, õhutõrje õhupallid, ilmapallid ja muud õhust kergemad õhusõidukid on kõik heeliumi tõstmisgaasina kasutanud. See on palju ohutum kui vesinik, kuna see pole tuleohtlik. See oli heeliumi kasutamise kõige olulisem kategooria kuni II maailmasõja lõpuni. Nüüd kasutatakse tõstegaasina palju väiksemas koguses heeliumi.

Gaasi puhastamine: NASA ja kaitseministeerium kasutavad heeliumi vedela hapniku ja vedela vesiniku puhastamiseks rakettmootorite kütusemahutitest ja kütuse tarnesüsteemidest. Heelium on inertne ja selle külmumistemperatuur on nii madal, et see jääb puhastamise käigus gaasiks. Tulekahjude kustutamiseks on hädaolukordades kasutatud isegi heeliumi voogu nendesse süsteemidesse. Pilt NASA poolt.

Heliumi hingamissegud: Heeliumi kasutatakse hingamisgaasisegude ettevalmistamiseks süvaveesukeldumiseks. Heelium on inertne ja sellel on rõhu all madal viskoossus, mis võimaldab hõlpsamalt hingata. Pilt autor NOAA.

Gaasi puhastamine

Heeliumil on kõigi gaaside madalaim sulamis- ja keemistemperatuur. See sulab ja keeb absoluutse nulli lähedastel temperatuuridel. Kuna see jääb väga madalatel temperatuuridel gaasiks, saab seda kasutada puhastusgaasina kütusemahutites ja kütuse kohaletoimetamise süsteemides, mis on täidetud väga külmade vedelikega, näiteks vedela vesiniku ja vedela hapnikuga. Kuna see on inertne ja sellel on madal külmumistemperatuur, võib see neid kütuseid ohutult välja külmutada. NASA ja kaitseministeerium kasutavad raketi tõukejõusüsteemide puhastamiseks suures koguses heeliumi.

Kontrollitava atmosfääri tootmine

Heelium on inertgaas. Ainus madalama reaktsioonivõimega gaas on neoon. See madal reaktsioonivõime teeb heeliumist väärtusliku gaasi, mida kasutatakse tootmis- ja remondiprotsessides, kui on vaja inertset atmosfääri. Heeliumil on ka kõigi maagaaside madalaim tihedus ning väga kõrge soojusjuhtivus. Need heeliumgaasi omadused muudavad selle paljude metallurgiaprotsesside jaoks atmosfääri, täiuslike kristallide kasvatamiseks keemilistes aurudes, optiliste kiudude tootmiseks ja muuks otstarbeks.

Lekketuvastus

Heeliumil on väga madal viskoossus, kõrge difusioonikoefitsient ja mis tahes elemendi väikseim aatom. Need omadused muudavad heeliumi sisaldamise väga raskeks. Kui süsteemis on leke, pääseb heelium välja. Seetõttu kasutatakse heeliumgaasi kõrgvaakumisüsteemide, kütusesüsteemide ja muude lekete kontrollimiseks.

Hingavad segud

Heliumi ja muid inertgaase kasutatakse hingamissegude ettevalmistamiseks süvamere sukeldumiseks ja meditsiinilisteks protseduurideks. Siin kasutatakse heeliumi, kuna see on inertne, sellel on väga madal viskoossus ja seda on rõhu all kergem hingata kui mis tahes muud gaasi.

Keevitusgaas

Heeliumi kasutatakse keevitamisel kaitsekeskkonnana. Inertgaasi atmosfäär kaitseb kuumasid metalle oksüdeerumise ja muude reaktsioonide eest, mis võivad kõrgel temperatuuril kiiresti tekkida.

Heeliumi kasutusalad: 2011. aastal Ameerika Ühendriikides erinevatel eesmärkidel tarbitud heeliumi suhtelised kogused. Graafik, kasutades USGS-i andmeid.

Heelium: taastumatu ressurss

Heelium on gaas, mida leidub ainult siis, kui juhtub ebatõenäoliste olukordade kokkulangemine. Ehkki seda toodetakse pidevalt maakoores radioaktiivse mineraalse lagunemise teel, on selle loodusliku tootmise ja akumuleerumise kiirus nii aeglane, et seda tuleb pidada mittetaastuvaks ressursiks.

Heeliumiteave
1 Heelium New Mexico: Ronald F. Broadhead, New Mexico geoloogia, New Mexico geoloogia ja maavarade büroo, New Mexico kaevandamise ja tehnoloogia instituut, november 2005.
2 Heelium 2010: Joseph B. Peterson ja Peter J. Madrid, Mineraalide aastaraamat, Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskus, jaanuar 2012.
3 Heelium 2012: Peter J. Madrid, Mineraalainete kokkuvõtted, Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskus, jaanuar 2012.
4 Rahva heeliumireservi müümine: Heeliumireservi müügi mõju mõistmise komitee, Riiklik Teadusagentuur, The National Academies Press, 2010.
5 Tunnistused 2013. aasta heeliumihalduse seaduse kohta: Tunnistused Ameerika Ühendriikide valitsuse raamatupidamisbüroo esindajatekoja energia- ja maavarade allkomitee juures, GAO-15-734T, 8. juuli 2015.
6 Kiiresti tõusvad heeliumihinnad võivad viia õhupalli müüki: Rachel Rodgers ja Sharon Barricklow, artikkel ajakirjas Decatur Herald-Review, veebruar 2015.

Heelium Gluts ja heeliumide puudus

1925. aastal asutasid Ameerika Ühendriigid riikliku heeliumireservi, mis toimiks heeliumi strateegilise varustamisena õhulaevadel ja muudel kaitseotstarbel. Sel ajal toodeti riigis palju rohkem heeliumi kui tarbiti. Pärast II maailmasõda tõstetava gaasina kasutatud heeliumi kogus vähenes, kuid nõudlus heeliumi järele puhastusgaasina rakettmootorite tankimisel ja tuumarelvarajatiste jahutusvedelikuna suurenes. Sellegipoolest toodeti rohkem heeliumi kui tarbiti.

1995. aastal otsustas kongress, et riiklik heeliumireserv pole hädavajalik, ja algatas heeliumi müümise programmi osana 1996. aasta heeliumi erastamise seadusest. 4 Peaaegu kaks aastakümmet lubas kongress müüa heeliumi tohutu allahindlusega tasuta. turuhinnad. Kuni 1/2 maailma heeliuminõudlusest rahuldati riikliku heeliumireservi kaudu toimuva müügi kaudu. Mõnel aastal eksporditi USAst teistesse riikidesse rohkem heeliumi, kui seda kodumaal tarbiti. 2 Need, kes ostsid valitsuselt heeliumi, said fantastilise tehingu ja vabaturult heeliumi ostnud inimesed maksid palju kõrgemat hinda.

Riikliku heeliumivarude varude turule toomine surus heeliumi hinda nii palju, et seda kasutati argooni ja muude gaaside odava asendajana, mille varud on palju vähem piiratud.

Kuna kommertsheeliumitootmist ei tasustatud ega kasutatud palju ära, oli turg vähene, kui riikliku heeliumivarude müük asendati 2014. aastal oksjonisüsteemiga. Esimesel oksjonil ostsid kaks pakkujat kogu aastas 93 miljoni kuupjalga heeliumi eraldise hinnaga. kui kahekordne eelmise aasta turuhind. Pärast enampakkumist müüdi kahele samale pakkujale veel üks miljard kuupjalga. 5

Pärast esimest oksjonit tõusis heeliumi hind jätkuvalt, kuna uue heeliumi tootmine jääb tarbimisest väiksemaks. Hinnatõus on käivitanud investeeringud uutesse heeliumi töötlevatesse ettevõtetesse. Kuid heeliumi saab toota maagaasiväljadest ainult soola või anhüdraadiga lõksakivimina. Neid esineb ainult vähestes maailma osades.

Kehtiva seaduse kohaselt müüakse riiklik heeliumireserv 2021. aastaks. Loodetavasti on kasvavad investeeringud heeliumi taaskasutusettevõtetesse piisavad heeliumi tarbijate vajaduste rahuldamiseks, kui see oluline heeliumi allikas on kadunud.